循環(huán)流化床鍋爐多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用探討

李萬(wàn)忠，李浩杰

（1.內(nèi)蒙古國(guó)電能源投資有限公司金山熱電廠，呼和浩特 010110；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院環(huán)保所，呼和浩特 010020）

1 概述

循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是清潔煤技術(shù)中商業(yè)化程度最好的優(yōu)選技術(shù)之一，其具有煤種適應(yīng)性強(qiáng)、負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定、爐內(nèi)燃燒時(shí)可添加石灰石實(shí)現(xiàn)低成本脫硫、分級(jí)燃燒能有效降低NOx排放、灰渣可綜合利用等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)已經(jīng)成為世界上擁有循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量最多、技術(shù)示范最多的國(guó)家，已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，形成了完整的設(shè)計(jì)理論體系，目前循環(huán)流化床鍋爐已在600MW機(jī)組上得到應(yīng)用，在燃煤鍋爐中占有重要的地位。

當(dāng)前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)與環(huán)境容量的矛盾日益突出，國(guó)家已出臺(tái)更為嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，其中包括2011年7月29日頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）。新標(biāo)準(zhǔn)再一次大幅調(diào)低了燃煤發(fā)電廠煙塵、SOx、NOx等污染物的排放限值，并首次提出了重金屬汞排放限值低于30ng/Nm3，這就意味著燃煤電廠煙氣今后將必須同時(shí)進(jìn)行塵、硫、氮和汞等多污染物的脫除。循環(huán)流化床鍋爐通過(guò)爐內(nèi)投入石灰石可實(shí)現(xiàn)成本脫硫，但采用該工藝脫硫效率一般在80%左右，鍋爐出口SOx排放濃度無(wú)法達(dá)到100mg/Nm3的要求，為滿足排放要求，必須設(shè)置爐外脫硫裝置；如果爐內(nèi)投入了石灰石，勢(shì)必導(dǎo)致飛灰中比電阻增加，直接會(huì)影響到除塵器的選型；循環(huán)流化床鍋爐采用分級(jí)燃燒方式，燃燒溫度較低，NOx生成濃度通常在200～300mg/Nm3之間，也無(wú)法滿足排放限值低于100mg/Nm3的要求，仍需設(shè)置煙氣脫硝裝置，而脫硝過(guò)程中氨逃逸所形成的亞硫酸氫氨對(duì)下游的除塵器運(yùn)行也會(huì)帶來(lái)一定的影響；除塵器出口煙塵排放濃度會(huì)影響到濕法脫硫裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和副產(chǎn)品品質(zhì)；對(duì)于重金屬汞排放限值低于30mg/Nm3的要求，需根據(jù)燃料中重金屬汞的含量及煙氣中重金屬汞的形態(tài)、氣態(tài)單質(zhì)汞的含量來(lái)確定是否需單獨(dú)設(shè)置脫汞裝置。

火電廠依據(jù)國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求階段性完成了單一污染物的控制，先后建設(shè)了高效除塵設(shè)備和脫硫裝置，發(fā)達(dá)地區(qū)的一些火電廠進(jìn)行了脫硝改造，近兩年新上機(jī)組同步實(shí)施了脫硝裝置建設(shè)，削減了煙塵、SOx、NOx等污染物的排放量。在一系列環(huán)保項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，國(guó)內(nèi)的環(huán)保企業(yè)或引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、或自主研發(fā)、或引進(jìn)吸收國(guó)外技術(shù)再創(chuàng)新，形成了一批較成熟的除塵、脫硫和脫硝技術(shù)?；痣姀S通常會(huì)將除塵器、脫硫裝置和脫硝裝置分開建設(shè)或分步實(shí)施，并根據(jù)各環(huán)保企業(yè)的專長(zhǎng)來(lái)確定實(shí)施廠家，而實(shí)施廠家往往只關(guān)注自身所承接的項(xiàng)目范圍，很少會(huì)系統(tǒng)性考慮對(duì)上下游設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)作用和相互影響，最終導(dǎo)致各種脫除設(shè)備或裝置之間會(huì)相互造成一些不利的影響，而相互之間可利用的積極因素沒有得到有效挖掘。因此從國(guó)際環(huán)保技術(shù)發(fā)展方向看，研究開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的多種污染物協(xié)同控制技術(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)集成已成為一種必然趨勢(shì)。

2 各種污染物治理工藝路線的選擇

目前現(xiàn)有的火電廠均安裝有除塵器，采用循環(huán)流化床鍋爐的機(jī)組還有大部分尚未安裝脫硫裝置和脫硝裝置，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中已明確要求現(xiàn)有火電廠到2014年7月1日前通過(guò)改造來(lái)滿足污染物排放限值要求，因此選擇一條適合火電廠自身特點(diǎn)的多污染物治理工藝路線尤為重要。

2.1 火電廠除塵技術(shù)工藝路線

目前，我國(guó)的靜電除塵技術(shù)已處于國(guó)際領(lǐng)先水平，應(yīng)用比例在90%以上。由于我國(guó)燃煤的灰分較高，煤質(zhì)和負(fù)荷多變，要穩(wěn)定達(dá)到30mg/Nm3的煙塵排放限值，需采用6電場(chǎng)以上的電除塵器。國(guó)內(nèi)現(xiàn)役機(jī)組電除塵器以4電場(chǎng)為主，絕大多數(shù)沒有增加電場(chǎng)的空間，須采用袋式除塵技術(shù)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)或移動(dòng)電極等新工藝。而循環(huán)流化床鍋爐如考慮在爐內(nèi)投入石灰石來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硫，將影響到飛灰的比電阻，對(duì)電除塵器的除塵效率會(huì)帶來(lái)不利影響。即使?fàn)t內(nèi)不脫硫，考慮到除塵器下游的濕法脫硫裝置不設(shè)置旁路系統(tǒng)，在鍋爐投油點(diǎn)火時(shí)，應(yīng)避免油污進(jìn)入到脫硫系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致吸收劑被污染，造成噴嘴、管道和皮帶脫水機(jī)濾布堵塞現(xiàn)象發(fā)生。因此在選擇除塵器型式時(shí)需考慮投油時(shí)對(duì)除塵器的保護(hù)措施。

2.2 火電廠脫硫技術(shù)工藝路線

目前，我國(guó)火電廠脫硫技術(shù)已形成了石灰石-石膏濕法脫硫工藝為主，海水脫硫工藝、煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝、氨法脫硫工藝為輔的技術(shù)路線。其中石灰石-石膏濕法脫硫工藝占93%，海水脫硫工藝占3%，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝占3%，氨法脫硫工藝占2%。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠性高、石灰石資源豐富價(jià)廉易得、石膏便于綜合利用等特點(diǎn)，該工藝的最佳脫硫效率在95%左右，脫硫效率超過(guò)96%后，脫硫能耗會(huì)大大增加；煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)脫硫效率通常為85%～90%，如果要進(jìn)一步提高脫硫效率，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致吸收劑的耗量大大增加；海水脫硫工藝和氨法脫硫工藝在應(yīng)用上受到一定的限制，主要是要考慮海水或氨水的來(lái)源。循環(huán)流化床鍋爐如有爐內(nèi)脫硫裝置，可考慮爐內(nèi)脫硫和爐外循環(huán)流化床脫硫的復(fù)合脫硫方式，利用爐內(nèi)脫硫時(shí)殘余的石灰和外加的消石灰一起作為吸收劑在脫硫塔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到SOx滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 火電廠脫硝技術(shù)工藝路線

目前國(guó)內(nèi)火電廠采用脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法（SNCR） 和氧化吸收法（COA）。已投運(yùn)的煙氣脫硝機(jī)組95%以上采用選擇性催化還原法技術(shù)，原因是這些機(jī)組以煤粉鍋爐為主，而循環(huán)流化床鍋爐因其NOx排放濃度低，要達(dá)到排放限值僅需50%～60%的脫硝效率，且鍋爐爐膛出口處設(shè)置的旋風(fēng)分離器有利于氨與NOx的充分混合，采用選擇性非催化還原法工藝既能夠滿足排放要求，又具有投資省、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇性非催化還原法是循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝技術(shù)中比較理想的工藝。氧化吸收法具有投資省、脫硝效率較選擇性非催化還原法高等優(yōu)點(diǎn)，但使用該工藝時(shí)需結(jié)合脫硫裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)脫硝的目的。

3 多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用的可行性

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染物控制的種類增加，火電廠需要設(shè)置的環(huán)保設(shè)施增多，如果不統(tǒng)籌性進(jìn)行考慮，而是孤立地考慮單一污染物的治理措施，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致煙氣污染物治理系統(tǒng)更加龐大復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備占地大、能耗高、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大、副產(chǎn)物二次污染等問題發(fā)生。一些火電廠已先后建成了除塵器、脫硫裝置和脫硝裝置，實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)這些環(huán)保設(shè)施在運(yùn)行中會(huì)相互作用、相互影響，其中既有積極的因素，也有消極的因素，通過(guò)開展多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)與研究，可以實(shí)現(xiàn)煙氣污染物綜合治理系統(tǒng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮其多污染物協(xié)同控制的作用。

3.1 選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)、循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)和袋式除塵技術(shù)對(duì)多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用SNCR工藝，在鍋爐爐膛出口和旋風(fēng)分離器入口之間煙道上布置噴槍，此處煙氣溫度通常在800℃～900℃之間，處于使用該工藝?yán)硐氲姆磻?yīng)溫度區(qū)間，氨水或尿素溶液作為還原劑通過(guò)噴槍噴入煙道與煙氣接觸，借助旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氨與煙氣中NOx的充分混合并發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到對(duì)煙氣脫硝的目的。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求氨逃逸率應(yīng)小于10ppm，在滿足這一要求的前提下，脫硝效率可保證60%，如果鍋爐未進(jìn)行脫硝處理時(shí)出口NOx濃度小于250mg/Nm3，鍋爐脫硝時(shí)則可滿足出口NOx濃度小于100mg/Nm3的排放要求；如果鍋爐未進(jìn)行脫硝處理時(shí)出口NOx濃度大于250mg/Nm3，為滿足鍋爐出口NOx濃度排放達(dá)標(biāo)，需適當(dāng)提高還原劑添加量，氨逃逸率將大于10ppm，此時(shí)應(yīng)考慮逃逸的氨在不造成空預(yù)器堵塞的情況下進(jìn)入循環(huán)流化床干法脫硫裝置內(nèi)，在脫硫反應(yīng)過(guò)程中將氨消耗掉，滿足煙囪出口氨的排放指標(biāo)要求。

循環(huán)流化床鍋爐脫硫裝置采用循環(huán)流化床干法脫硫工藝，脫硫效率可長(zhǎng)期達(dá)到90%，如果入爐煤含硫量較低，脫硫塔入口SOx濃度小于1000mg/Nm3，脫硫后煙氣中的SOx濃度小于100mg/Nm3，可滿足排放限制要求；如果入爐煤含硫量較高，脫硫塔入口濃度小于1500mg/Nm3，此時(shí)應(yīng)考慮向爐內(nèi)添加石灰石，通過(guò)爐內(nèi)脫硫?qū)崿F(xiàn)脫硫塔入口濃度小于1000mg/Nm3，再通過(guò)爐外脫硫裝置脫硫后實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，爐外脫硫時(shí)一部分吸收劑來(lái)自煙氣中殘留的石灰，其余則來(lái)自外部加入的石灰，采用該脫硫工藝可有效避免下游設(shè)備和煙道的腐蝕，防腐工作可大大簡(jiǎn)化。此外，PM2.5以下超細(xì)粉塵在脫硫增濕過(guò)程中會(huì)實(shí)現(xiàn)凝聚和黏附，有利于后續(xù)袋式除塵器對(duì)PM2.5以下超細(xì)粉塵捕集的效率。

除塵采用袋式除塵工藝，袋式除塵器可滿足煙塵出口排放濃度小于30mg/Nm3，甚至可實(shí)現(xiàn)更低的排放值，袋式除塵器不僅具有除塵功能，對(duì)脫硫效率的提升也起到了積極的作用。吸收劑附著在濾袋外表面，與煙氣中的SOx接觸充分，還能起到進(jìn)一步發(fā)生脫硫反應(yīng)的作用。此外，袋式除塵器還能起到脫汞的作用，對(duì)于固態(tài)汞化合物的脫除效率可達(dá)到99%以上，對(duì)氣態(tài)汞也有一定的脫除效率。一般情況下煙氣中的汞通過(guò)袋式除塵器后即可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，如果煙氣中的汞含量過(guò)高，可在除塵器入口煙道內(nèi)噴入少量活性炭，通過(guò)活性炭對(duì)汞的吸附作用實(shí)現(xiàn)脫汞的目的?；钚蕴颗c脫硫副產(chǎn)物一起被除塵器捕集落入灰斗中，通過(guò)返料輸送裝置少量外排，絕大部分返回脫硫塔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

采用上述工藝組合，不僅可實(shí)現(xiàn)脫硝、脫硫和除塵的目的，還可實(shí)現(xiàn)脫汞，此外還可有效控制氨逃逸量和提高PM2.5以下超細(xì)粉塵的捕集率，各裝置除實(shí)現(xiàn)自身的主要功能外，還對(duì)其它裝置實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣多污染物的協(xié)同控制，不但可降低整個(gè)污染治理系統(tǒng)的造價(jià)，而且有利于整個(gè)污染治理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)、袋式除塵技術(shù)和石灰石-石膏法脫硫技術(shù)對(duì)多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用SNCR工藝，不僅要考慮氨逃逸率對(duì)空預(yù)器的影響，而且要考慮對(duì)袋式除塵器濾袋的影響，避免逃逸的氨與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨，黏附在濾袋外表面，造成糊袋現(xiàn)象發(fā)生。因此，為提高脫硝效率而適當(dāng)加大還原劑的投入量，必須對(duì)袋式除塵器的濾袋進(jìn)行必要的表面處理和保護(hù)，以保證袋式除塵器穩(wěn)定可靠運(yùn)行。在此情況下，袋式除塵器的清灰力度需適度，使濾袋表面保留一定厚度的粉餅層，實(shí)現(xiàn)對(duì)硫酸氫銨的攔截和包覆，可有效避免糊袋現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)可對(duì)氨起到相應(yīng)的脫除作用。

袋式除塵器出口煙塵排放濃度低有利于下游的石灰石-石膏法脫硫裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，吸收劑漿液可不被煙塵污染，有利于脫硫效率和脫硫副產(chǎn)物品質(zhì)的保證。脫硫過(guò)程中可對(duì)煙氣中的氨同步脫除，也能起到進(jìn)一步除塵的作用，但脫硫裝置主要功能為脫硫，煙塵排放濃度應(yīng)在上游的袋式除塵器出口就保證達(dá)標(biāo)。在袋式除塵器入口煙道內(nèi)噴入少量活性炭，通過(guò)活性炭對(duì)汞的吸附作用可以實(shí)現(xiàn)脫汞的目的，但活性炭無(wú)法實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，與本文章節(jié)3.1中提出的工藝組合相比，活性炭的耗量較大。

采用上述工藝組合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙塵、SOx、NOx、汞的脫除，各裝置之間也存在協(xié)同控制，需熟知和掌握彼此之間的相互影響，充分利用整個(gè)污染治理系統(tǒng)的潛力。

3.3 氧化吸收法脫硝技術(shù)、循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)和袋式除塵技術(shù)對(duì)多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用COA工藝，在脫硫塔入口煙道處通過(guò)向煙氣中噴入KMnO4、NaClO等氧化性溶液，利用添加劑的催化和氧化作用，促使煙氣中的O2和NO發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO2，與H2O發(fā)生反應(yīng)生成HNO3，再與吸收劑Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成Ca(NO3)2，從而實(shí)現(xiàn)脫硝過(guò)程。脫硝添加劑具有催化氧化功能，在催化氧化NO轉(zhuǎn)化為NO2的同時(shí)，也會(huì)將煙氣中一部分SO2催化氧化成SO3；而干法系統(tǒng)對(duì)SO3的脫除效率極佳，幾乎可以全部脫除。因此采用COA工藝后對(duì)系統(tǒng)整體的脫硫效率有一定的提高。

COA脫硝系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置，與脫硫系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立，又相互作用，脫硫塔不僅起到脫硫的作用，而且脫硝反應(yīng)也主要在脫硫塔內(nèi)完成，合理匹配脫硝和脫硫之間的交互關(guān)系，對(duì)脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行不會(huì)造成不利的影響，而在一定程度上又有利于脫硫效率的提高。實(shí)際運(yùn)行中，可通過(guò)脫硫出口的煙氣溫度控制脫硝添加劑中水量和脫硫增濕水量的平衡。

采用上述工藝組合，脫硝添加劑還具有氧化單質(zhì)汞的作用，促使煙氣中的單質(zhì)汞部分轉(zhuǎn)化成氧化汞，可在后續(xù)的除塵過(guò)程中加以脫除，因此脫硝過(guò)程和除塵過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合脫汞，使整個(gè)污染治理系統(tǒng)得到有效簡(jiǎn)化，占地面積大幅減少，主要占地設(shè)備集中體現(xiàn)在循環(huán)流化床干法脫硫裝置和袋式除塵器上，脫硝劑制備系統(tǒng)占地很小，脫硝反應(yīng)設(shè)備則借用脫硫塔，而脫汞功能的實(shí)現(xiàn)不需要添加其它設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

多種污染物協(xié)同控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前各科研機(jī)構(gòu)和環(huán)保企業(yè)研究的熱點(diǎn)，也得到了工程設(shè)計(jì)單位和火電廠的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐的煙氣特征，提出上述幾種多種污染物綜合治理的工藝路線，旨在為火電廠在考慮煙氣凈化處理工藝選擇和裝置集成時(shí)提供一些參考性建議。現(xiàn)有火電廠已有一種或兩種以上針對(duì)單項(xiàng)污染物的治理設(shè)施，如何因地制宜地選擇技改路線，以滿足當(dāng)前及今后一個(gè)階段的大氣污染物排放要求，需要多方考察、充分論證，力爭(zhēng)一次性解決問題，避免重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)。新建火電廠在選擇大氣污染物治理工藝方案時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，全面考慮，即使當(dāng)前某個(gè)污染物暫時(shí)不在治理范圍內(nèi)，也應(yīng)為將來(lái)的治理留有余地。