300 MW級燃煤電站鍋爐煙氣低溫脫硝及脫汞試驗研究

周 洋

(寶山鋼鐵股份有限公司, 上海 200941)

近年來,我國對燃煤電站鍋爐大氣污染物排放限值的標(biāo)準(zhǔn)[1-2]修訂日趨嚴(yán)苛,火電企業(yè)開始了新一輪環(huán)保升級改造。城市鋼鐵企業(yè)自備電廠不僅要嚴(yán)格執(zhí)行新的標(biāo)準(zhǔn),更要在環(huán)保升級改造工藝路線的選擇方面進(jìn)行有效的探索。本文基于寶山鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“寶鋼”)大氣污染特征及綜合治理技術(shù)的系統(tǒng)研究子課題,利用寶鋼自備電廠3#燃煤鍋爐開展低溫?zé)煔饷撓跫夹g(shù)的試驗研究,同時了解了燃煤機(jī)組的汞排放現(xiàn)狀,為今后煙氣脫硝技術(shù)方案的比選,以及煙氣除汞工藝路徑的探索提供借鑒。

1 燃煤電站鍋爐煙氣NOx及汞排放技術(shù)

目前,各國對燃燒設(shè)備的氮氧化物(NOx)污染物排放控制主要有低氮燃燒技術(shù)和尾部煙氣脫硝技術(shù)兩種。采用低氮燃燒技術(shù),一般可以使NOx的生成量降低 20%～60%[3]。 尾部煙氣脫硝技術(shù)與NO的氧化還原和吸附的特性有關(guān),常用的方法包括選擇性催化還原(Selected Catalytic Reduction,SCR)和選擇性非催化還原法。其中,SCR技術(shù)通過使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?讓上述反應(yīng)可以在200～450 ℃的溫度范圍內(nèi)有效進(jìn)行。在反應(yīng)過程中,排放氣體中的NOx和注入的NH3以1∶1的物質(zhì)的量之比進(jìn)行反應(yīng),可以達(dá)到80%～90%的脫硝率[4]。目前,燃煤電站中汞排放的控制逐漸成為煙氣治理領(lǐng)域新的研究熱點,包括煙氣中汞的形態(tài)分布和遷移特性、汞的單相和多相反應(yīng)機(jī)理、汞形態(tài)的測試和減排技術(shù)等[5-6]。

2 低溫?zé)煔饷撓鹾兔摴囼炑芯?/h2>

2.1 試驗機(jī)組概況

寶鋼電廠3#機(jī)組鍋爐是由日本三菱集團(tuán)制造的亞臨界一次中間再熱、強(qiáng)制循環(huán)鍋爐,四角切圓燃燒。其基本參數(shù)如表1所示。鍋爐設(shè)置2臺送風(fēng)機(jī)、3臺吸風(fēng)機(jī)以及2臺布袋除塵器,主要燃用大同混煤、神府原煤和混煤。

表1 3#燃煤鍋爐基本參數(shù)

2.2 低溫?zé)煔饷撓踉囼?/h3>

2.2.1 試驗概況

目前,國內(nèi)電站普遍采用釩鈦成型SCR催化劑,工作溫度為300～400 ℃,轉(zhuǎn)化效率可達(dá)80%以上。但當(dāng)煙氣溫度低于300 ℃時,生成的硫酸氫銨會粘附在SCR催化劑表面,降低催化劑的活性。為保證SCR系統(tǒng)正常運行所需的溫度,電站一般將其放置于空氣預(yù)熱器和電除塵器之前,此處溫度可達(dá)370 ℃以上。但空氣預(yù)熱器前煙塵濃度較大,催化劑長期處于高粉塵工況運行,容易受到飛灰的影響,引起催化劑污染、中毒或堵塞,使反應(yīng)器受到?jīng)_刷磨損。若煙溫高于限值,也會使催化劑發(fā)生燒結(jié),導(dǎo)致催化劑失效。

試驗中,選擇將低溫脫硝催化裝置置于電除塵器之后,濕法脫硫系統(tǒng)入口處,從脫硫進(jìn)口煙道引出3 000 m3/h左右的煙氣,接入載有低溫催化劑的試驗平臺上進(jìn)行試驗,完成測試的煙氣再通過3#脫硫裝置出口煙道上的檢修人口擋板門返回系統(tǒng),所引出的煙氣溫度已經(jīng)降低到120～160 ℃,滿足低溫催化劑的工作溫度區(qū)間要求。

2.2.2 工況條件

低溫脫硝試驗分為預(yù)備性試驗和正式試驗,試驗工況參照HJ/T 75—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對自動監(jiān)測驗收的要求,試驗期間機(jī)組負(fù)荷維持在85%額定負(fù)荷以上且基本穩(wěn)定,按鍋爐常規(guī)加倉煤種(即神府煤∶大同煤=3∶2)混合加倉。

2.2.3 試驗過程

煙氣脫硝試驗系統(tǒng)由噴氨系統(tǒng)、反應(yīng)器、風(fēng)機(jī)、消音器、連接管路及測控系統(tǒng)組成。

(1) 預(yù)備性試驗 主要對搭建好的試驗平臺進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試,并進(jìn)行預(yù)噴氨試驗。完成脫硝試驗主要測點的布置和優(yōu)化,并同步記錄試驗期間鍋爐工況和反應(yīng)器進(jìn)出口的煙氣溫度、壓力、噴氨流量及出口的NOx濃度等參數(shù)。

(2) 正式試驗 在預(yù)備性試驗的基礎(chǔ)上,保持試驗期間鍋爐工況穩(wěn)定。按照預(yù)先設(shè)定,在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上,對噴氨量進(jìn)行0.5倍、1.5倍、2倍、3倍、4倍、5倍動態(tài)調(diào)整,并跟蹤記錄相關(guān)試驗參數(shù)。

2.2.4 結(jié)果分析

從3#機(jī)組脫硫裝置進(jìn)口煙道引出3 000 m3/h煙氣,通入裝有低溫催化劑的脫硝試驗平臺進(jìn)行實際脫硝性能測試。待鍋爐工況達(dá)到設(shè)定工況,流場穩(wěn)定30 min后,在不通入霧化氨水的情況下記錄煙氣中NOx的濃度和煙氣流量,以此作為基準(zhǔn)值。估算煙氣中NOx的摩爾量,針對3種不同摩爾比的氨水和NOx開展噴氨脫硝測試,記錄催化劑尾端煙氣NOx的監(jiān)測濃度。圖1為脫硝效率和催化劑進(jìn)口煙氣溫度隨氨氮比變化的情況。

圖1 不同氨氮比時的脫硝效率和催化劑進(jìn)口煙氣溫度

由圖1可以看出,脫硝效率由高到低的變化趨勢與進(jìn)口煙氣溫度完全一致。當(dāng)氨氮比為1時,脫硝效率最高,達(dá)到了66%。隨著氨氮比的增加,噴入氨水流量增大,催化劑進(jìn)口煙氣的溫度降低,脫硝效率也相應(yīng)降低。因所用的還原劑是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的氨水,噴入氨水時大量的水分在管道中汽化,吸收了較多熱量,從而降低了煙氣的溫度,催化劑的活性隨著溫度的降低而降低。

2.3 汞排放和吸附劑噴射試驗

2.3.1 試驗概況

試驗分為兩個部分:一是背景工況下的汞排放基準(zhǔn)值測定;二是噴射吸附劑情況下的汞排放測試。其試驗工況如表2所示。

2.3.2 背景工況測試

參照HJ/T 75—2007的比對驗收工況要求,汞吸附背景工況測試是以3#發(fā)電鍋爐最常用的混合加倉方式進(jìn)行,即燃用神府煤∶大同煤=3∶2,85%額定負(fù)荷以上、不噴射吸附劑。背景工況下,煙氣中各形態(tài)汞的濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)如表3所示。

表2 汞排放試驗工況

表3 背景工況下煙氣中汞的形態(tài)分布

在背景工況下,除塵器、脫硫塔以及兩者協(xié)同對煙氣中汞的脫除效果如表4所示。

表4 除塵器和脫硫塔對汞的脫除效率 %

由表4可以看出,除塵器和脫硫塔對Hg(0)的脫除效率都不高,分別為7.01%和-3.99%。其中,脫硫塔中噴入脫硫劑漿液時會帶入微量的汞,這是元素汞脫除效率為負(fù)值的原因。除塵器對Hg(p)有明顯的脫除效果,脫除效率達(dá)到了68.98%,脫硫塔對Hg(p)也有一定的脫除效果,脫除效率為30.85%。

2.3.3 汞吸附劑噴射試驗

選擇除塵器上游、空氣預(yù)熱器的下游作為吸附劑噴射位置?，F(xiàn)場吸附劑噴射系統(tǒng)由壓縮空氣、吸附劑加料系統(tǒng)、輸送均流分配器、噴管等組成。吸附劑由壓縮空氣攜帶進(jìn)入均流分配器,經(jīng)過分配后進(jìn)入噴管中,隨同鍋爐尾部空氣預(yù)熱器的氣流進(jìn)入除塵器。

2.3.4 結(jié)果分析

汞吸附劑采用上海電力學(xué)院開發(fā)的改性活性炭吸附劑,在實驗室模擬工況下脫汞效率可以達(dá)到90%以上。根據(jù)C/Hg比來確定噴射量,分別按基礎(chǔ)當(dāng)量、2倍當(dāng)量和3倍當(dāng)量噴射汞吸附劑。噴射后,除塵器出口和脫硫塔出口煙氣中的汞濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)分別如表5和表6所示。

表5 噴射汞吸附劑后除塵器出口煙氣中汞的分布 (μg·m-3)

表6 噴射汞吸附劑后脫硫出口煙氣中汞的分布 (μg·m-3)

將表5和表6與背景工況下煙氣中的汞濃度對比可見,煙氣中各種形態(tài)的汞濃度均有較大幅度的下降。在噴射汞吸附劑量按設(shè)定當(dāng)量值變化時,計算除塵器出口處煙氣中總的脫汞效率,分別為74.8%,85.8%,90.4%,脫硫塔出口處煙氣中總的脫汞效率分別為78.7%,87.7%,91.5%。

3 結(jié) 論

(1) 低溫脫硝試驗表明,低溫SCR催化劑在反應(yīng)初期有較為優(yōu)異的脫硝效果。當(dāng)氨氮比為1時,脫硝效率最高。當(dāng)反應(yīng)器入口煙氣溫度為108 ℃時,脫硝效率最高為66%。

(2) 在背景工況和噴射汞吸附劑兩種條件下進(jìn)行了試驗,噴射汞吸附劑時的脫汞效率遠(yuǎn)高于不噴射汞吸附劑時的脫汞效率。