我國燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染物治理技術(shù)探討

左朋萊，張 鋒，陳文龍，井 鵬，岳蘭秀，宋 華，王晨龍，高佳佳，岳 濤*

（1.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；2.首鋼技師學(xué)院，北京 100144；3.中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

我國燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染物治理技術(shù)探討

左朋萊1，張 鋒2，陳文龍2，井 鵬3，岳蘭秀2，宋 華2，王晨龍1，高佳佳1，岳 濤1*

（1.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054；2.首鋼技師學(xué)院，北京 100144；3.中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100037）

基于我國燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染物治理發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合國家及地方鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，從技術(shù)原理、優(yōu)缺點(diǎn)、脫除效率等方面探討了燃煤工業(yè)鍋爐煙塵、二氧化硫、氮氧化物的治理技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，提出了燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染物治理技術(shù)選擇的建議。

燃煤工業(yè)鍋爐；大氣污染物；治理技術(shù)

我國是目前世界上工業(yè)鍋爐生產(chǎn)和使用最多的國家。截至2012年底，我國有各類工業(yè)鍋爐62.4萬臺，總蒸發(fā)量達(dá)到290萬蒸噸[1-2]。

我國的工業(yè)鍋爐中絕大多數(shù)是燃煤鍋爐，年消耗4.9億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，平均效率為65%～70%，比國際先進(jìn)水平低10～20個百分點(diǎn)，污染物排放居高不下。2012年燃煤工業(yè)鍋爐排放煙塵約410萬噸、二氧化硫約570萬噸、氮氧化物約200萬噸，分別占全國排放總量的32%、26%、15%左右[1]。

燃煤工業(yè)鍋爐大多分布在城市及其周邊地區(qū)，又是低煙囪排放，運(yùn)行熱效率普遍低于設(shè)計熱效率，加之燃用煤種與設(shè)計煤種差異大，是影響城市空氣質(zhì)量的重要原因之一，特別是在采暖期采暖鍋爐大量投入運(yùn)行，城市冬季大氣污染指數(shù)較其他季節(jié)明顯偏高，導(dǎo)致冬季城市空氣質(zhì)量進(jìn)一步惡化。

1 我國燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染治理現(xiàn)狀

1.1 煙塵

我國燃煤工業(yè)鍋爐煙塵的治理始于20世紀(jì)70年代，最初廣泛使用的是機(jī)械式除塵器，包括慣性除塵器、旋風(fēng)除塵器等，其中以旋風(fēng)除塵器為主，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價低，能處理大流量、高濃度的含顆粒（固體和液體）氣體，缺點(diǎn)是除塵效率不高[3]，該類除塵器作為一級預(yù)除塵現(xiàn)在鍋爐煙氣治理中仍有應(yīng)用。隨著環(huán)境保護(hù)要求的不斷嚴(yán)格，又發(fā)展了濕式除塵器。濕式除塵器對細(xì)粒子的捕集很有效，除塵效率可達(dá)70%～95%[4]。目前，國內(nèi)大于10 t/h的工業(yè)鍋爐基本上都是采用濕式除塵器，對10 t/h以上的拋煤機(jī)鍋爐、煤粉爐或沸騰爐，在原鍋爐配套的干式旋風(fēng)除塵器后部再加一級麻石離心水膜除塵器。近年來，由于受到嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)的約束，新建的小型熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱等用途的鍋爐，配置了靜電除塵器或袋式除塵器，或者將原有的機(jī)械式除塵或濕法除塵改造為靜電或布袋除塵，且高效除塵器的發(fā)展很快。

1.2 二氧化硫

燃煤鍋爐二氧化硫的治理按燃燒過程可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硫三種。

燃燒前脫硫技術(shù)中的物理洗選煤技術(shù)得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用，目前的煤炭洗選能力已達(dá)到15億t/a[5]。

燃燒中脫硫技術(shù)包括燃用固硫型煤、爐內(nèi)噴鈣加尾

部增濕活化脫硫和循環(huán)流化床技術(shù)等。固硫型煤固硫率可達(dá)40%～60%，減少煙塵排放量60%，節(jié)約煤炭15%～27%，尤其適宜中小型燃用中低硫煤的鍋爐應(yīng)用[6]。爐內(nèi)噴鈣加尾部增濕活化脫硫技術(shù)曾在貴陽、上海等地的20t/h及以下工業(yè)鍋爐中得到應(yīng)用，在循環(huán)流化床鈣硫比為1.2（摩爾比）時，脫硫率可達(dá)85%。

燃燒后脫硫是指對鍋爐尾部煙氣進(jìn)行脫硫處理，凈化煙氣。這是目前世界上已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫技術(shù)，從技術(shù)、成本等各個方面綜合考慮，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，鍋爐煙氣二氧化硫污染的治理仍會以煙氣脫硫技術(shù)為主，常見的有石灰/石灰石法、氨法、氧化鎂法等脫硫技術(shù)[7]。

1.3 氮氧化物

“十二五”期間，國家將“氮氧化物”作為新的考核指標(biāo)納入了總量減排體系。氮氧化物控制技術(shù)包括低氮燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)，低氮燃燒技術(shù)是根據(jù)燃料在燃燒過程中氮氧化物的生成機(jī)理，通過改進(jìn)燃燒技術(shù)來降低氮氧化物生成和排放的技術(shù)，一般是指空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)和低氮燃燒器等。煙氣脫硝技術(shù)分為選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）兩種。

鑒于燃煤工業(yè)鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒方式有別于發(fā)電鍋爐，且鍋爐容量較小，運(yùn)行方式也不相同，燃煤工業(yè)鍋爐氮氧化物的減排技術(shù)首先應(yīng)在發(fā)展部分循環(huán)流化床鍋爐的同時，針對燃煤工業(yè)鍋爐以層燃爐為主的特點(diǎn)，借鑒發(fā)電鍋爐低氮燃燒技術(shù)的原理進(jìn)行拓展[8-9]；探索性開展鍋爐煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用。

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（SCR）和作為比較成熟的技術(shù)已在火力發(fā)電廠煙氣脫硝中得到廣泛應(yīng)用，但由于鍋爐運(yùn)行不穩(wěn)定等原因，在工業(yè)和采暖鍋爐中的應(yīng)用較少。近年來，大氣污染形勢嚴(yán)峻，一些地方政府為有效控制氮氧化物的排放量，積極推進(jìn)燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用。如北京市為繼續(xù)控制煤煙型污染，在遠(yuǎn)郊區(qū)不具備清潔能源供應(yīng)條件的城鎮(zhèn)地區(qū)實(shí)施燃煤鍋爐整合，昌平、順義、懷柔等遠(yuǎn)郊區(qū)縣已基本建成23個大型集中燃煤供熱中心，并要求配套建設(shè)脫硝設(shè)施[10]。

2 燃煤工業(yè)鍋爐煙氣達(dá)標(biāo)技術(shù)分析

2014年，環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了新修訂的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271-2014），一些省市（如北京、山東等）發(fā)布了嚴(yán)于國家排放標(biāo)準(zhǔn)的地方鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。因此為滿足污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，合理的選擇治理技術(shù)顯得至關(guān)重要。

2.1 煙塵達(dá)標(biāo)技術(shù)

燃煤工業(yè)鍋爐相較電站鍋爐而言，煙氣量小，煙塵排放規(guī)模小。但當(dāng)前的在用燃煤工業(yè)鍋爐煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)≤80mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)燃煤工業(yè)鍋爐煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)≤30mg/m3，為實(shí)現(xiàn)煙塵治理設(shè)施的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，燃煤工業(yè)鍋爐煙塵達(dá)標(biāo)排放治理裝置應(yīng)優(yōu)先選用電除塵器或袋式除塵器。

2.1.1 電除塵器

電除塵器是利用高壓電場使顆粒荷電，在庫侖力作用下使顆粒與氣流分離而被捕集的裝置。靜電除塵器幾乎可以捕集一切細(xì)微粉塵及霧狀液滴，其捕集粒徑范圍在0.01～100μm，粉塵粒徑＞0.2μm時，除塵效率可高達(dá)99%以上，煙塵排放濃度低于30mg/m3。電除塵器具有高效率、低能耗、使用簡單、維護(hù)費(fèi)用低且無二次污染等特點(diǎn)，除塵器阻力很小，可處理高溫、高壓的含塵氣流，在國內(nèi)外工業(yè)顆粒物治理領(lǐng)域一直占據(jù)主導(dǎo)地位。電除塵器的主要缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、占地面積大、一次性投資費(fèi)用高。我國的電除塵產(chǎn)品主要是臥式電除塵器，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 臥式電除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

杭州航民熱電公司將7臺35 t/h鏈條爐排熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐的麻石水膜除塵器改為電除塵器，煙塵排放濃度可控制在30 mg/m3以下[11]。

2.1.2 袋式除塵器

袋式除塵器是一種干式高效除塵器，是利用纖維編織物制作的袋式過濾元件來捕集含塵氣體中固體顆粒物的除塵裝置。作用原理是粉塵通過濾布時產(chǎn)生的篩分、

慣性、黏附、擴(kuò)散和靜電等作用而被捕集。典型的袋式除塵器由過濾室、凈氣室、濾袋、清灰裝置、卸灰裝置五部分組成。目前廣泛應(yīng)用的典型袋式除塵設(shè)備有長袋低壓脈沖袋式除塵器，以圓袋、固定管行列噴吹區(qū)別于其他型式，例如直通均流袋式除塵器和回轉(zhuǎn)噴吹脈沖袋式除塵器，以扁袋、噴吹管在回轉(zhuǎn)過程中噴吹為顯著特征。脈沖噴吹袋式除塵器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示。

圖2 脈沖噴吹袋式除塵器結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

袋式除塵器不受煤種以及粉塵濃度、粒徑、比電阻等粉塵特性的影響，可脫除PM2.5（細(xì)微顆粒物）和重金屬等有毒、有害物質(zhì)，除塵效率高，一般在99.5%以上，煙塵排放質(zhì)量濃度可低于30mg/m3，對亞微米顆粒具有較高的分級除塵效率。但袋式除塵器的缺點(diǎn)也不可忽視，相對電除塵器而言，袋式除塵器阻力大；對煙溫、濕度等煙氣成分適應(yīng)性差，需進(jìn)行高溫保護(hù)，低溫防結(jié)露，防腐蝕；濾袋壽命短，不超過3萬h，濾袋每3～4年需全部更新一次等。

北京市順義區(qū)近年來新建的15臺45.5MW的燃煤采暖鍋爐已全部配用袋式除塵器，運(yùn)行穩(wěn)定，煙塵排放質(zhì)量濃度可控制在20～30 mg/m3[11]。

2.2 二氧化硫達(dá)標(biāo)技術(shù)

在用燃煤工業(yè)鍋爐煙氣二氧化硫排放標(biāo)準(zhǔn)≤400mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)新建燃煤工業(yè)鍋爐煙氣二氧化硫排放標(biāo)準(zhǔn)≤200mg/m3。為使煙氣二氧化硫達(dá)標(biāo)，且連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，二氧化硫達(dá)標(biāo)排放治理也必須選用高效的濕法脫硫技術(shù)，主要有石灰/石灰石-石膏法、氧化鎂法、氨法等脫硫工藝。

2.2.1 石灰石/石膏法

石灰石/石膏法煙氣脫硫原理是以石灰石或石灰的水漿液做脫硫劑，在吸收塔內(nèi)對SO2煙氣噴淋洗滌，使煙氣中的SO2反應(yīng)生成CaSO3和CaSO4，從而除去煙氣中的SO2。工藝流程如圖3所示。

圖3 石灰石/石膏法脫硫工藝流程

該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是適用的煤種范圍廣、脫硫效率高（有的裝置Ca/S = 1時，脫硫效率大于90%）、吸收劑利用率高（可大于90%）、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高（可達(dá)90%以上）、工作的可靠性高、脫硫劑石灰石來源豐富且廉價。但是石灰石/石膏法的缺點(diǎn)也是比較明顯的，初期投資費(fèi)用很高、運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大、系統(tǒng)管理操作復(fù)雜、磨損腐蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重、副產(chǎn)物石膏很難處理、廢水較難處理等[7，12]。浙江天藍(lán)環(huán)保公司在3臺75t/h燃煤工業(yè)鍋爐上對煙氣采用石灰石/石膏法脫硫技術(shù)，入口二氧化硫最大濃度為4900mg/Nm3時，二氧化硫排放濃度低于50mg/Nm3，脫硫效率達(dá)到98.5%以上[13]。

2.2.2 氨法

氨法煙氣脫硫原理是采用氨水作為脫硫吸收劑，與進(jìn)入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中SO2與氨水反應(yīng)，生成亞硫酸銨，經(jīng)與鼓入的強(qiáng)制氧化空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成硫酸銨溶液，經(jīng)結(jié)晶、離心機(jī)脫水、干燥器干燥后即制得化肥硫酸銨。氨法也是一種技術(shù)成熟的脫硫工藝，其主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)不結(jié)垢、不堵塞、SO2吸收效率高、投資低；缺點(diǎn)是吸收劑價格昂貴，運(yùn)行費(fèi)用高、系統(tǒng)腐蝕嚴(yán)重[7，14]。晉煤集團(tuán)明水大化集團(tuán)1×130t/h+ 1×75t/h生產(chǎn)用鍋爐煙氣采用氨法脫硫技術(shù)，在入口煙

氣SO2濃度為2480Nmg/m3時，出口煙氣二氧化硫濃度為100mg /Nm3，脫硫效率達(dá)到96%[15]。氨法煙氣脫硫工藝流程如圖4所示。

圖4 氨法煙氣脫硫工藝流程

2.2.3 氧化鎂法

氧化鎂法煙氣脫硫原理是含SO2的煙氣進(jìn)入吸收塔后與循環(huán)吸收液逆流接觸，氣體中的SO2被脫除，凈化后的氣體經(jīng)除霧器除濕后排放。由于MgSO4的溶解度是CaSO4的近百倍，因此工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。北京大龍供熱中心近幾年新建了15臺45.5MW的燃煤熱水采暖鍋爐，全部裝配了鎂法脫硫裝置。脫硫系統(tǒng)自投運(yùn)以來運(yùn)行穩(wěn)定，脫硫效率在95%以上，二氧化硫排放濃度可控制在20mg/Nm3以內(nèi)[11]。氧化鎂法煙氣脫硫工藝流程如圖5所示。

圖5 氧化鎂法煙氣脫硫工藝流程

2.3 氮氧化物達(dá)標(biāo)技術(shù)

在用燃煤工業(yè)鍋爐煙氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)≤400mg/m3，重點(diǎn)地區(qū)新建燃煤工業(yè)鍋爐煙氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)≤200mg/m3。燃煤工業(yè)鍋爐采用低氮燃燒技術(shù)很難滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，適用于燃煤工業(yè)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）。

2.3.1 選擇性非催化還原法（SNCR）

SNCR是在不采用催化劑的條件下，將還原劑以800℃～1100℃煙氣高溫區(qū)噴入，還原煙氣中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮），生成氮?dú)夂退?，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。SNCR工藝流程如圖6所示。

圖6 SNCR工藝流程示意圖

SNCR還原NOx的反應(yīng)對于溫度條件較為敏感，一般爐膛內(nèi)噴氨點(diǎn)位的溫度選擇在800℃～1100℃。該技術(shù)工藝簡單，操作便捷，不需要催化劑床層，因而初始投資相對于SCR工藝來說要低得多，但脫硝效率較低，一般為25%～40%。該工藝目前應(yīng)用的主要瓶頸為溫度對SNCR的還原反應(yīng)的影響較大。

2.3.2 選擇性催化還原法（SCR）

SCR是利用還原劑在催化劑作用下有選擇地與煙氣中的氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。SCR典型工藝如圖7所示。

圖7 SCR典型工藝流程圖

選擇性催化還原法（SCR）是目前世界上應(yīng)用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術(shù)。該技術(shù)脫硝效率一般可達(dá)80%～90%，氮氧化物排放濃度可降至100mg/m3左右；技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，在我國已建成或擬建的煙氣脫硝工程中大多采用SCR法。但該技術(shù)一次投資費(fèi)用和運(yùn)行成本高，主要表現(xiàn)在催化劑價格昂貴；失效的催化劑是一種重金屬富集物，需作特殊處置；還原劑（液氨、氨水、尿素等）消耗費(fèi)用大；液氨或氨水為危險化學(xué)品，在儲運(yùn)和使用過程的安全問題尤其應(yīng)引起關(guān)注。

北京市通州區(qū)某供熱廠58MW的燃煤鍋爐熱負(fù)荷在58.4%～101.5%時，NOx初始濃度為344～368 mg/m3，采用SCR脫硝裝置，NOx排放濃度為53～83mg/m3，脫硝效率高達(dá)83.5%，氨逃逸量在1.11～4.67 mg/m3[10]。

3 燃煤工業(yè)鍋爐煙氣達(dá)標(biāo)技術(shù)選擇建議

選擇何種煙氣污染物治理工藝，其環(huán)境效益是明顯的，但污染物脫除效率的高低并不是評價治理方法優(yōu)劣的唯一標(biāo)準(zhǔn)，除了考慮其污染物脫除效率外，還要看該方法的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況。為此本文提出如下煙氣達(dá)標(biāo)技術(shù)選擇建議。

（1）達(dá)標(biāo)技術(shù)選擇應(yīng)因地制宜、因煤制宜、因爐制宜，依據(jù)技術(shù)上成熟、經(jīng)濟(jì)上合理及便于操作來確定。

（2）煙塵治理技術(shù)應(yīng)依據(jù)燃煤的種類、煙氣性質(zhì)（比電阻、煙塵粒徑）、鍋爐的運(yùn)行方式、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行選擇。

（3）選用濕法脫硫技術(shù)，脫硫效率滿足環(huán)保要求；根據(jù)燃煤含硫量來選擇恰當(dāng)?shù)拿摿蚍椒?，選擇技術(shù)成熟、投資省、運(yùn)行可靠、費(fèi)用低的工藝；吸收劑要有穩(wěn)定的來源；要考慮脫硫副產(chǎn)物的處置和二次污染問題。

（4）供暖等鍋爐負(fù)荷不連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的燃煤工業(yè)鍋爐，應(yīng)選擇使用SCR法；對于負(fù)荷穩(wěn)定的生產(chǎn)用鍋爐，依據(jù)初始煙氣氮氧化物濃度及排放標(biāo)準(zhǔn)，選擇SCR 或SNCR法；選擇還原劑液氨、氨水、尿素時，應(yīng)考慮對周邊環(huán)境的影響。

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注：本文通訊作者為岳濤。

Discussion on Compliance Technology of Air Pollutants in Coal-fired Industrial Boiler

ZUO Peng-lai1, ZHANG Feng2, CHEN Wen-long2, JING Peng3, YUE Lan-xiu2, SONG Hua2, WANG Chen-long1, GAO Jia-jia1, YUE Tao1*

(1. Beijing Institute of Labor Protection Sciences, Beijing 100054; 2. College of Capital Iron and Steel Technician, Beijing 100144; 3.CAEPI. Beijing 100037, China)

Based on the development status of air pollutant control in China coal-fired industrial boilers, and in accordance with the emission standard of the air pollutants in the national and local boilers, and from the fields of the technical principle, excellent and imperfect points and removal efficiency, the paper discusses the compliance technologies of smoke dust, SO2, NOx in coal-fired industrial boilers, and in this base, the paper puts forward the suggestions on the control technology selection of air pollutants in coal-fired industrial boilers.

coal-fired industrial boiler; air pollutant; compliance technology

X51

A

1006-5377（2015）11-0028-05

注：環(huán)境保護(hù)部污染減排技術(shù)政策研究項目《工業(yè)鍋爐煙塵及二氧化硫污染防治技術(shù)路線研究》（2015A008）資助。