燃煤煙氣超低排放工藝路線與系統(tǒng)功能特性

肖育軍，吳 林，易曉堅(jiān)，鄒毅輝，周雪斌

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410005）

2015年，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》中提出：東部、中部、西部地區(qū)分別在2017年、2018年、2020年實(shí)現(xiàn)超低排放，即煙塵、SO2、NOX排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。地方政府在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)，如杭州在SO2、NOX、顆粒物的基礎(chǔ)上，把SO3、霧滴、氨也納入了地方《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中。

為滿足污染物排放濃度要求，在常規(guī)工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)創(chuàng)新與發(fā)展了超低排放工藝路線，但目前仍缺乏對(duì)其工藝路線中各系統(tǒng)功能與特性變化的系統(tǒng)性介紹。文章在對(duì)煙氣超潔凈排放處理系統(tǒng)進(jìn)行性能調(diào)整與測(cè)試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了超低排放工藝路線及其系統(tǒng)功能特性。

1 工藝路線

1.1 常規(guī)工藝路線

國(guó)內(nèi)常規(guī)煙氣污染物處理工藝路線見(jiàn)圖1，包括：低氮燃燒器→選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）脫硝裝置→除塵器→濕法煙氣脫硫裝置。其中在高負(fù)荷下，低氮燃燒器與SCR脫硝裝置使煙氣NOX排放濃度小于100 mg/m3。但在低負(fù)荷下，由于省煤器出口煙氣溫度低于SCR脫硝裝置中催化劑的活性溫度，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)自動(dòng)停運(yùn)或催化效率低，使NOX排放濃度難以滿足小于100 mg/m3的要求；國(guó)內(nèi)成熟的電除塵器、布袋除塵以及電袋除塵工藝均能使煙氣顆粒物排放濃度小于30 mg/m3；石灰石—石膏濕法與氨法煙氣脫硫工藝可以通過(guò)控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，使SO2排放濃度小于100 mg/m3，同時(shí)，脫硫裝置能對(duì)煙塵顆粒物進(jìn)行進(jìn)一步的凈化，使其濃度為10～20 mg/m3，但煙氣會(huì)夾帶出噴淋漿液的霧滴，使煙囪處總顆粒物濃度增加到30～40 mg/m3。

1.2 超低排放工藝路線

煙氣污染物濃度超低排放協(xié)同治理工藝路線，其典型路線見(jiàn)圖2，包括：低氮燃燒系統(tǒng)→SCR脫硝裝置→煙氣冷卻器→除塵器→濕法煙氣脫硫裝置→濕式電除塵器→煙氣再熱器。

圖1 常規(guī)煙氣污染物處理工藝路線

圖2 煙氣污染物超低排放協(xié)同治理典型工藝路線

2 功能特性

2.1 低氮燃燒系統(tǒng)

低氮燃燒系統(tǒng)由低氮燃燒器與低氮燃燒組成。低氮燃燒器是通過(guò)優(yōu)化燃燒器的結(jié)構(gòu)以及改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，降低著火區(qū)溫度與氧量濃度，從而抑制NOX的生成，對(duì)NOX的降低效率為35%～45%。低氮燃燒是通過(guò)控制鍋爐內(nèi)燃燒條件來(lái)降低NOX生成的技術(shù)，包括：低過(guò)量空氣系數(shù)、空氣分級(jí)與燃料分級(jí)燃燒等技術(shù)，對(duì)NOX的降低效率為20%～30%。如，某臺(tái)600 MW前后墻對(duì)沖鍋爐，上、中、下層磨煤機(jī)分別為D/A、C/E、B/F。在運(yùn)行負(fù)荷為560 MW、6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行、磨煤機(jī)出力一致、中心風(fēng)門全開(kāi)、鍋爐出口氧量為3.2%條件下，進(jìn)行燃燒調(diào)整試驗(yàn)。調(diào)整方式與鍋爐出口NOX濃度變化見(jiàn)表1，在不變負(fù)荷下，燃燒調(diào)整后，NOX的降低效率為28.6%。投下、中層磨煤機(jī)，停上層磨煤機(jī)在顯著降低鍋爐出口NOX濃度的同時(shí)還改善了鍋爐燃燒的情況，而投上、中層磨煤機(jī)，停下層磨煤機(jī)則情況相反。

2.2 SCR脫硝

在氨氮均勻性混合調(diào)整與加裝預(yù)備層催化劑的基礎(chǔ)上，SCR脫硝裝置能滿足80%～90%的NOX脫除效率，使出口NOX濃度達(dá)到超低排放要求的同時(shí)，滿足出口氨逃逸率濃度不超標(biāo)的要求。然而，促進(jìn)SCR脫硝工藝?yán)^續(xù)發(fā)展的壓力依舊存在，如有研究表明：國(guó)內(nèi)大氣顆粒物表面的“結(jié)合水”在溶解大量NO2后能急速提升SO2的氧化速率，增加大氣中二次氣態(tài)污染物硫酸鹽的產(chǎn)生，該研究提出：加強(qiáng)NOX的減排可以有效抑制硫酸鹽的形成，達(dá)到間接“減速”重污染天氣的形成。因此，NOX可能會(huì)成為優(yōu)先控制的對(duì)象。

逃逸NH3與SO3生成的NH4HSO4容易增加空預(yù)器的區(qū)域性堵塞。試驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：氨逃逸濃度小于2 ppm時(shí)，空預(yù)器內(nèi)NH4HSO4生成量很少；氨逃逸濃度在2～3 ppm時(shí)，空預(yù)器部分區(qū)域發(fā)生由NH4HSO4引起的堵灰，3個(gè)月內(nèi)空預(yù)器阻力增加200～300 Pa；氨逃逸濃度大于3 ppm時(shí)，在空預(yù)器低溫區(qū)域易發(fā)生由NH4HSO4引起的大面積堵灰，空預(yù)器阻力一個(gè)月內(nèi)增加500～800 Pa。因此，在控制SCR實(shí)現(xiàn)NOX超低排放的同時(shí)，需加強(qiáng)對(duì)SCR裝置內(nèi)氨氮混合均勻性的測(cè)試與調(diào)整。

國(guó)內(nèi)已有多種技術(shù)，可解決低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)投運(yùn)與NOX濃度超低排放難題，其特征見(jiàn)表2，其中省煤器煙氣旁路技術(shù)運(yùn)用最為廣泛。

表1 低氮燃燒調(diào)整對(duì)鍋爐出口NOX濃度影響

表2 鍋爐低負(fù)荷下，提升SCR入口煙溫的技術(shù)及其特征

2.3 煙氣冷卻器與煙氣加熱器

為進(jìn)一步提高除塵器對(duì)煙塵的凈化效率與協(xié)同凈化SO3，消除煙囪排放煙氣時(shí)出現(xiàn)的白色“煙羽”，在空預(yù)器與濕電除塵器后分別增設(shè)煙氣冷卻器與煙氣加熱器。見(jiàn)圖2，煙氣冷卻器與煙氣加熱器是一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)煙氣冷卻器后，煙氣溫度由90℃左右降低至酸露點(diǎn)以下5～10℃，SO3發(fā)生凝結(jié)，煙塵對(duì)冷凝的SO3產(chǎn)生吸附作用，并與之發(fā)生中和反應(yīng)，在增加煙塵粒徑的同時(shí)大大降低煙塵的比電阻，進(jìn)而在下游的除塵器中被協(xié)同去除，去除效率達(dá)到75%左右，有效地降低了煙囪出口PM2.5的排放濃度，同時(shí)，煙氣溫度的降低，減小了除塵器的煙氣處理量，進(jìn)一步提升了除塵器的凈化效率。而在常規(guī)工藝路線中，SO3在吸收塔內(nèi)冷凝的硫酸氣溶膠粒徑很小，且脫硫漿液對(duì)SO3的吸收速率很低，導(dǎo)致吸收塔對(duì)硫酸氣溶膠的脫除效果不佳。

常規(guī)工藝路線煙囪出口白色的“煙羽”是由于濕法脫硫造成，脫除SO2的同時(shí)部分漿液被高溫的煙氣加熱汽化成水蒸汽，導(dǎo)致脫硫出口50℃煙氣中基本含有飽和水蒸汽（11%～12%），排出后與空氣進(jìn)行的熱交換，導(dǎo)致水蒸汽冷凝成水霧，即形成煙囪出口白色的“煙羽”。超低排放工藝路線中，再熱器把濕式電除塵器后的煙氣由45℃左右加熱到80℃左右，煙氣溫度的升高，使煙氣的濕度飽和值增加（80℃時(shí)飽和水蒸氣為46.7%），防止了煙氣排放時(shí)水蒸汽的冷凝，即消除了白色的“煙羽”，同時(shí)也避免煙囪被腐蝕。

2.4 除塵器

成熟且廣泛運(yùn)用的除塵器技術(shù)包括：電除塵器技術(shù)、布袋除塵器技術(shù)和電袋除塵器技術(shù)。在煙氣冷卻器對(duì)煙氣溫度與煙塵比電阻降低的條件下，結(jié)合濕法脫硫與濕式電除塵技術(shù)，三類成熟的技術(shù)均能滿足煙囪煙氣顆粒物超低排放的需求。特征分別如下：

（1）電除塵器通過(guò)高頻、三相、脈沖等高效電源技術(shù)與旋轉(zhuǎn)電極式技術(shù)的發(fā)展，以及增加電場(chǎng)等措施，進(jìn)一步提升常規(guī)電除塵器的效率，減緩了清灰時(shí)二次揚(yáng)塵效應(yīng)，使其出口顆粒物排放濃度從30～50 mg/m3降到15～20 mg/m3，但難以達(dá)到5 mg/m3。

（2）布袋除塵技術(shù)基本不受顆粒物含量高低和成分的影響，煙塵排放濃度可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在20 mg/m3以下，且對(duì)微小顆粒物PM2.5的去除效率（99.5%）高于電除塵技術(shù)（85%～92%），但其1200 Pa左右的系統(tǒng)壓降比電除塵器250 Pa左右的系統(tǒng)壓降大很多，且濾袋需定時(shí)更換。

（3）電袋除塵器綜合了靜電除塵技術(shù)和布袋除塵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，前級(jí)采用靜電除塵技術(shù)去除80%～90%的顆粒物，后級(jí)采用布袋除塵技術(shù)去除細(xì)顆粒物。除塵器出口排放濃度可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在20 mg/m3以下，入口煙塵濃度低于10 g/m3時(shí)，甚至可達(dá)到5 mg/m3。

2.5 濕法脫硫

濕法脫硫因其高效的脫硫效率與成熟的技術(shù)、以及對(duì)顆粒物50%～70%的脫除率，正成為國(guó)內(nèi)主流的運(yùn)用技術(shù)。濕法脫硫技術(shù)包括：石灰石—石膏法、氨法、雙堿法、氧化鎂法，其中，石灰石—石膏濕法脫硫在大機(jī)組中運(yùn)用最為廣泛，氨法主要運(yùn)用于化工行業(yè)的自備小機(jī)組。

石灰石—石膏濕法脫硫最初為常規(guī)的噴淋空塔，脫硫效率為90%～95%。為達(dá)到更高的SO2脫出效率，現(xiàn)已發(fā)展出托盤塔、旋匯耦合塔、文丘里塔、雙回路吸收塔、串聯(lián)塔等塔型結(jié)構(gòu)，以及增效環(huán)結(jié)構(gòu)。

其中托盤塔、旋匯耦合塔、文丘里塔都是在常規(guī)噴淋空塔的基礎(chǔ)上設(shè)置一層或兩層托盤、旋匯耦合器、文丘里棒結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)部構(gòu)件對(duì)噴淋空塔內(nèi)煙氣進(jìn)行均勻性分布，增加塔內(nèi)氣、液接觸的時(shí)間，并增加了塔內(nèi)氣相的湍流強(qiáng)度同時(shí)內(nèi)部構(gòu)件上截留部分漿液，增加了氣、液接觸的面積。通過(guò)加強(qiáng)上述功能達(dá)到促進(jìn)SO2脫除的作用，內(nèi)部構(gòu)件上存在的液膜也增強(qiáng)了對(duì)顆粒物的捕集。

雙回路吸收塔、串聯(lián)塔把吸收區(qū)分成一級(jí)與二級(jí)吸收區(qū)，并對(duì)循環(huán)吸收區(qū)進(jìn)行不同參數(shù)的控制，以達(dá)到增強(qiáng)SO2凈化效果，如雙回路吸收塔的一級(jí)吸收區(qū)漿液pH值控制在4.5～5.5間，在實(shí)現(xiàn)40%～80%脫硫效率的同時(shí)，能提高CaSO3的氧化率（在pH=4.5時(shí)，CaSO3的氧化率最高）、降低氧化空氣系數(shù)，并提高石膏品質(zhì)，使石膏含水率從10%降到6%；二級(jí)吸收區(qū)漿液pH值控制在5.6～6.4間，可以達(dá)到強(qiáng)化SO2吸收能力與降低循環(huán)漿液量的目的。

在吸收塔內(nèi)靠近壁面區(qū)域的噴淋漿液密度較中心區(qū)域低很多，存在煙氣“逃逸”的空檔區(qū)域。600 MW機(jī)組常規(guī)吸收塔測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)噴淋層后，近塔壁面0.6 m區(qū)域內(nèi)SO2濃度非常高，達(dá)到200～400 mg/m3，近塔壁面0.6～1.2m區(qū)域SO2濃度接近出口濃度60 mg/m3，而中間區(qū)域SO2濃度為0～20 mg/m3。為消除空檔區(qū)域，在每層噴淋的下方設(shè)置增效環(huán)，增效環(huán)結(jié)構(gòu)是一個(gè)傾斜固定在塔壁面上圓環(huán)面，在促使近壁面區(qū)域的煙氣流向塔中間區(qū)域，消除出口近壁面區(qū)域高濃度SO2現(xiàn)象的同時(shí)，也消除了大量噴淋漿液沿壁面流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步提升漿液的利用率。

2.5.2 氨法

目前，優(yōu)化后的氨法脫硫塔運(yùn)用兩層托盤結(jié)構(gòu)將吸收塔分割成三個(gè)循環(huán)區(qū)域，使區(qū)域間噴淋漿液彼此不混合，見(jiàn)圖3。

圖3 氨法脫硫吸收塔系統(tǒng)

一級(jí)循環(huán)區(qū)域設(shè)置一層噴淋，循環(huán)漿液中包含經(jīng)氧化后的（NH4）2SO4與NH3，噴淋漿液對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)脫硫的同時(shí)，使煙氣溫度從92℃左右降為55℃左右（煙氣溫度的降低，是大量漿液被蒸發(fā)的結(jié)果），吸收塔內(nèi)漿液中（NH4）2SO4濃度高時(shí)，循環(huán)泵能往（NH4）2SO4生產(chǎn)線提供原料，減少的漿液量由二級(jí)循環(huán)槽漿液補(bǔ)充。

二級(jí)循環(huán)區(qū)域設(shè)置三層噴淋，循環(huán)漿液包含（NH4）2SO4、NH4HSO4與高濃度 的 NH3， 是 SO2吸收的主要區(qū)域，為防止煙氣攜帶的大量漿液霧滴進(jìn)入三級(jí)循環(huán)區(qū)域，在噴淋層的上部設(shè)置一層屋脊式除霧器。

三級(jí)循環(huán)區(qū)域設(shè)置一層噴淋，循環(huán)漿液為工藝水，噴淋層下加裝一層多孔填料，噴淋與多孔填料組合對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，達(dá)到減少氣溶膠的排放，噴淋層的上部設(shè)置兩層屋脊式除霧器，減少霧滴的排放。

在脫硫塔入口顆粒物濃度為5～8 mg/m3，SO2排放濃度10 mg/m3條件下，某氨法脫硫塔出口（NH4）2SO4顆粒物測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，從表中可得：一級(jí)循環(huán)漿液內(nèi)（NH4）2SO4濃度的高低與三級(jí)循環(huán)噴淋的停運(yùn)，導(dǎo)致脫硫出口（NH4）2SO4氣溶膠濃度是正常運(yùn)行下的10～30倍。冷凝在采樣管道中液態(tài)（NH4）2SO4濃度表明：采樣濾筒不能全部攔截（NH4）2SO4氣溶膠顆粒（玻璃纖維濾筒對(duì)0.5 μm顆粒物捕集率不低于99.9%，玻璃纖維濾膜對(duì)0.01 μm的顆粒物捕集率不低于 99%）。

表3 不同運(yùn)行工況下，脫硫塔出口（NH4）2SO4顆粒物濃度范圍

濕式氨法脫硫工藝易產(chǎn)生的氣溶膠硫酸銨顆粒為亞微米級(jí)，0.07～0.70 μm粒徑段最為明顯，主要生成途徑為：漿液揮發(fā)逸出氣態(tài)NH3，NH3與SO2在高濕度、O2環(huán)境下通過(guò)氣相 反 應(yīng) 形 成 （NH4）2SO3、NH4HSO3、（NH4）2SO4等組分的氣溶膠顆粒；高溫?zé)煔庹舭l(fā)噴淋漿液，使（NH4）2SO4等固態(tài)晶粒析出，在高濕度環(huán)境下生成氣溶膠顆粒。

2.6 濕式電除塵器

濕式電除塵器能對(duì)脫硫出口的煙塵、PM2.5、SO3酸霧、漿液霧滴以及水霧滴進(jìn)一步去除，因其金屬極板采用不間斷液體沖洗工藝，不同于干式電除塵技術(shù)采用的振打或鋼刷清灰，避免了二次揚(yáng)塵的產(chǎn)生。

濕式電除塵器與干式電除塵器一樣，可以通過(guò)Deutsch—Anderson方程來(lái)計(jì)算除塵效率，公式如下：

式中：η為除塵效率（%）；V為煙氣量（m3/s）；A為集塵極面積（m2）；w為粉塵在電場(chǎng)中的理論驅(qū)進(jìn)速度 （m/s）。

由于“水噴霧”的介入，改變了煙氣中濕度、顆粒碰撞幾率、顆粒粒徑與電暈功率等，促使顆粒物在濕式電除塵器電場(chǎng)中的驅(qū)進(jìn)速度變得更大，即使在收塵面積小的情況下，粉塵與PM2.5的去除效率不低于75%，SO3酸霧去除率不低于60%，出口漿液霧滴濃度不高于50 mg/m3。

3 運(yùn)用實(shí)例

在煙塵、SO2、NOX排放排放要求為30、100 mg/m3、100 mg/m3時(shí)，某電廠2號(hào)機(jī)組煙氣處理工藝為普通的SCR脫硝、電除塵以及石灰石—石膏濕法脫硫。為響應(yīng)省環(huán)保局要求，某電廠2號(hào)機(jī)組實(shí)施超低排放工藝改造，包括：針對(duì)降低NOX的鍋爐低氮燃燒器改造與增加SCR預(yù)留催化劑層，針對(duì)降低煙塵而增加冷卻端管式熱煤水煙氣換熱器（Media Gas—Gas Heater，MGGH）系統(tǒng)與電除塵（Electrostatic Precipitator，ESP）的脈沖電源，針對(duì)降低SO2而增加煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD）均流板與一層循環(huán)噴淋，針對(duì)降低霧滴與煙塵而增加濕式電除塵（Wet Electrostatioc Precipitator，WESP）系統(tǒng)，以及針對(duì)消除白色“煙羽”而增加加熱端MGGH系統(tǒng)。

改造前、后，各系統(tǒng)的污染物排放濃度見(jiàn)表4，改造后，各種污染物濃度均滿足超低排放的要求，其中，NOX濃度降低了63.1%，煙塵濃度降低了91.1%，SO2濃度降低了66.2%。

表4 改造前后各系統(tǒng)污染物排放

4 結(jié)語(yǔ)

（1）低氮燃燒系統(tǒng)與SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)NOX的脫除，使NOX的排放濃度滿足超低排放50 mg/m3的要求，但仍需要加強(qiáng)對(duì)低氮燃燒與SCR脫硝噴氨量分布的調(diào)整，以達(dá)到更低NOX排放與消除區(qū)域NH3逃逸現(xiàn)象。

（2）煙氣冷卻器、除塵器、濕法脫硫塔、濕式電除塵器協(xié)同凈化了煙氣中顆粒物、SO3、SO2等污染物，煙氣再熱器消除煙囪的白色“煙羽”與腐蝕現(xiàn)象，但氨法脫硫工藝的運(yùn)用仍需要考慮消除出料期間出口（NH4）2SO4顆粒濃度超標(biāo)的現(xiàn)象。

（3）超 低 排放工藝 改 造 后，NOX、SO2、煙塵的排放濃度分別消減了63.1%、66.2%、91.1%，且排放濃度均滿足超低排放要求。