生物質(zhì)直燃電廠超凈排放技術(shù)研究

王斌 徐長棱 周軍

摘要：隨著我國對火電廠環(huán)保排放要求的提高，對生物質(zhì)直燃電廠的排放要求也日益嚴(yán)格，滿足超凈排放標(biāo)準(zhǔn)已成必然的趨勢。本文針對超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合生物質(zhì)直燃鍋爐煙氣的特性，介紹了生物質(zhì)直燃電廠常用的幾種脫硝技術(shù)，以及幾種適用于生物質(zhì)直燃電廠典型的超凈排放技術(shù)路線，對不同類型超凈排放技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，并對超凈排放技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)直燃電廠? 脫硝? 超凈排放技術(shù)? 技術(shù)發(fā)展方向

產(chǎn)業(yè)背景

我國幅員遼闊，農(nóng)林生物質(zhì)資源豐富，每年可作為能源利用的生物質(zhì)資源總量約4.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤;其中農(nóng)業(yè)廢棄物資源量約4億t，折算成標(biāo)準(zhǔn)煤約2億t;林業(yè)廢棄物資源量約為3.5億t，折合標(biāo)煤量約為2億t^[1]。生物質(zhì)直燃發(fā)電是我國生物質(zhì)發(fā)電最主要的技術(shù)路線，占整個(gè)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量的40%以上。

自從2018國務(wù)院發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》以來，隨著火電廠排放環(huán)保要求的提高，對生物質(zhì)直燃電廠的排放要求也日趨嚴(yán)格，不少省份出臺(tái)了超凈排放的地方標(biāo)準(zhǔn)。參照燃煤電廠制定的生物質(zhì)直燃電廠的超凈排放指標(biāo)，并沒有很好地考慮到生物質(zhì)直燃電廠的燃料和機(jī)組特性，尤其是NOx超凈排放控制的難度遠(yuǎn)大于燃煤電廠;生物質(zhì)直燃電廠為實(shí)現(xiàn)超凈排放，需大大增加電廠的建設(shè)和運(yùn)維成本，給電廠的生存和盈利造成了巨大壓力。

生物質(zhì)直燃電廠常用脫硝技術(shù)

生物質(zhì)直燃電廠鍋爐的煙氣具有含水量高、粉塵密度小、重量輕、鈉鉀等堿金屬含量高、灰熔點(diǎn)低等特性，且生物質(zhì)燃料的多樣性導(dǎo)致NOx排放濃度的波動(dòng)性較大;選擇適用于生物質(zhì)直燃鍋爐煙氣特性的超凈排放技術(shù)，特別是控制NOx排放濃度的脫硝技術(shù)尤為重要。

SNCR脫硝技術(shù)

SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）即選擇性非催化還原技術(shù)，原理是不使用催化劑，在鍋爐爐膛適當(dāng)位置噴入氨基還原劑（如氨水、尿素溶液等），將NOx還原為N₂和H₂O，反應(yīng)溫度窗口在850～1100℃左右。SNCR脫硝技術(shù)的原理如下：

4NH₃+ 4NO +O₂→ 4N₂+ 6H₂O （氨水做還原劑）

2NO+CO（NH₂）₂ +1/2O₂→ 2N₂+ CO₂+ 2H₂O （尿素做還原劑）

SNCR脫硝技術(shù)系統(tǒng)簡單、占地面積小，操作方便、能耗低，因此建設(shè)周期短，投資和運(yùn)營成本較低，是生物質(zhì)直燃電廠最常用的脫硝技術(shù)。還原劑噴射位置是影響脫硝效率的關(guān)鍵，爐排爐一般選擇在爐膛中上部，循環(huán)流化床鍋爐一般選擇在旋風(fēng)分離器入口位置^[2]。但由于生物質(zhì)直燃鍋爐爐膛溫度較低的影響，SNCR脫硝效率通常在50%～60%左右，單獨(dú)使用很難達(dá)到NOx超凈排放的要求，需要與其他脫硝技術(shù)組合使用。

SCR脫硝技術(shù)

SCR（Selective Catalytic Reduction）即選擇性催化還原反應(yīng)，是通過向合適溫度的煙氣中噴入氨基還原劑，在催化劑的作用下，將其中的NOx還原成N₂和H₂O，金屬氧化物（如V₂O₅、MnO₂ 等）是最常用的SCR工業(yè)催化劑。SCR脫硝技術(shù)的原理如下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

6NO+4NH₃ →5N₂+6H₂O

NO+NO₂+2NH₃→2N₂+3H₂O

SCR裝置在生物質(zhì)直燃電廠中通常采用中（低）溫低塵布置，即煙氣通過脫硫除塵后，再通過SCR反應(yīng)器進(jìn)行脫硝，避免煙氣粉塵造成催化劑孔堵塞和堿金屬對催化劑的毒化作用^[3]。SCR脫硝技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定、脫硝效率高，但同時(shí)建設(shè)期投資和運(yùn)維成本也較高，除需要蒸汽加熱煙氣外，催化劑也需要定時(shí)更換。

PNCR高分子干法脫硝技術(shù)

PNCR高分子干法脫硝技術(shù)與SNCR技術(shù)類似，在鍋爐爐膛適當(dāng)位置（溫度800～950℃）噴入高分子脫硝劑。脫硝劑主要由高分子還原材料（CnHmNs）組成，還含有緩釋劑、活化劑等輔助成分^[4]，高溫下氨基和高分子鏈接的化學(xué)鍵斷裂后，釋放出大量氨基與煙氣中的NOx反應(yīng)。PNCR脫硝技術(shù)的原理如下：

CnHmNs+NOx→CO₂+N₂+H₂O

PNCR脫硝技術(shù)系統(tǒng)簡單、投資省、運(yùn)行費(fèi)用低，理論上脫硝效率可達(dá)80%，已接近SCR。目前PNCR技術(shù)在生物質(zhì)直燃電廠的應(yīng)用還處于起步階段，由于沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致市場成熟度不夠，設(shè)備廠家良莠不齊，后續(xù)還需制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，使PNCR技術(shù)獲得市場的進(jìn)一步認(rèn)可。

塵硝一體化技術(shù)

塵硝一體化技術(shù)是通過在復(fù)合陶瓷濾筒上加裝脫硝催化劑，將除塵器的濾筒與脫硝催化劑兩者合二為一。脫硫后的高溫?zé)煔庀韧ㄟ^濾筒除去粉塵，再與濾筒壁內(nèi)催化劑接觸，反應(yīng)去除煙氣中的NOx，因此塵硝一體化技術(shù)不受粉塵性質(zhì)的影響，避免了催化劑的中毒。

塵硝一體化技術(shù)相對于傳統(tǒng)的“布袋除塵+SCR脫硝”技術(shù)，占地小、耐腐蝕和高溫性能強(qiáng)、運(yùn)行和維護(hù)成本低。但由于陶瓷濾筒價(jià)格較高，且需要定期更換，導(dǎo)致塵硝一體化設(shè)備價(jià)格昂貴，增加了系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用，一定程度限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是一種控制燃燒的技術(shù)，通過煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，將除塵后的潔凈煙氣，按一定比例送入鍋爐一次風(fēng)、二次風(fēng)，混合后送入鍋爐，通過降低燃燒區(qū)域的O₂濃度和燃燒溫度，從而抑制熱力型NOx的生成;再循環(huán)風(fēng)的循環(huán)量一般取煙氣量的15%～20%。

國內(nèi)對于生物質(zhì)直燃鍋爐煙氣再循環(huán)的研究多數(shù)還在理論研究和數(shù)值模擬階段，浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)^[5]及山東大學(xué)的研究人員^[6]都對二次風(fēng)混合再循環(huán)煙氣對生物質(zhì)鍋爐爐膛燃燒的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，煙氣再循環(huán)使得爐內(nèi)O₂濃度和燃燒溫度降低，NOx的生成減少。但該技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用較少，再循環(huán)風(fēng)的配比調(diào)節(jié)困難，且效果不明顯。

生物質(zhì)直燃電廠超凈排放典型技術(shù)路線

采用“中（低）溫SCR”超凈排放技術(shù)

目前生物質(zhì)直燃電廠最成熟、運(yùn)行最穩(wěn)定的超凈排放技術(shù)路線是采用了中（低）溫SCR脫硝技術(shù)的工藝路線，此技術(shù)路線中典型的工藝路線如圖1所示。

首先，通過SNCR脫硝技術(shù)，脫除煙氣中約50%的NOx;其次，煙氣經(jīng)過熱器、省煤器及空預(yù)器后進(jìn)入旋風(fēng)除塵器去除5μm以上的顆粒;再次，煙氣進(jìn)入CFB半干法脫硫塔，使SOx排放濃度滿足超凈排放要求;然后，煙氣通過布袋除塵器去除5μm以下的粉塵顆粒，滿足含塵量超凈排放的要求;最后，煙氣通過中（低）溫SCR脫硝滿足NOx超凈排放要求后，通過引風(fēng)機(jī)從煙囪排到大氣，SCR反應(yīng)器前設(shè)置GGH及SGH加熱煙氣，使煙氣溫度滿足SCR催化劑反應(yīng)溫度。

該工藝路線技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定，在生物質(zhì)直燃電廠應(yīng)用較為廣泛，例如華潤曹妃甸生物質(zhì)電廠及寧波明州生物質(zhì)電廠均采用了此工藝路線。該技術(shù)路線缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜、占地較大，需要蒸汽加熱煙氣，且定期需要更換催化劑，因此設(shè)備費(fèi)用和系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用較高。以單臺(tái)30MW機(jī)組為例，設(shè)備費(fèi)約1800萬元人民幣，SCR年運(yùn)行費(fèi)用需要約870萬元人民幣，其中加熱用蒸汽的年運(yùn)行費(fèi)用就高達(dá)580多萬元人民幣，極大地影響了企業(yè)的盈利能力。

采用“PNCR高分子干法脫硝”超凈排放技術(shù)

PNCR技術(shù)最初應(yīng)用于燃煤電廠及垃圾焚燒電廠，近幾年才逐步應(yīng)用于生物質(zhì)直燃電廠。例如安徽中電鳳臺(tái)生物質(zhì)電廠、山東金緣集團(tuán)生物質(zhì)熱電廠等都采用了PNCR技術(shù)。采用了PNCR技術(shù)超凈排放的典型工藝路線如圖2所示。

首先，通過“SNCR+PNCR”技術(shù)，將尿素溶液及高分子脫硝劑噴入鍋爐爐膛，脫除煙氣中的NOx達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn);其次，煙氣經(jīng)過熱器、省煤器、及空預(yù)器后進(jìn)入旋風(fēng)除塵器去除5μm以上的顆粒;再次，煙氣進(jìn)入SDA半干法脫硫塔，使SOx排放濃度滿足超凈排放要求;最后，煙氣通過布袋除塵器去除5μm以下的粉塵顆粒，滿足含塵量超凈排放的要求后，通過引風(fēng)機(jī)從煙囪排往大氣。

該技術(shù)路線采用PNCR脫硝技術(shù)替代了常規(guī)的SCR脫硝技術(shù)，節(jié)省了設(shè)備費(fèi)用，降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。以單臺(tái)30MW機(jī)組為例，PNCR系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用約230萬元人民幣，不到SCR系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用的一半，年運(yùn)行費(fèi)用約450萬元人民幣，其中絕大部分為高分子脫硝劑的費(fèi)用。此外，PNCR技術(shù)特別適用于超凈排放的技術(shù)改造項(xiàng)目，改造費(fèi)用少、新增占地小且改造實(shí)施時(shí)間短?，F(xiàn)階段采用了PNCR脫硝技術(shù)的生物質(zhì)直燃電廠，多數(shù)還處于調(diào)試階段或運(yùn)行初期，該技術(shù)的運(yùn)行情況還需要時(shí)間來進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

采用“塵硝一體化”超凈排放技術(shù)

塵硝一體化技術(shù)最初應(yīng)用于玻璃爐窯的尾氣處理，近幾年才逐步應(yīng)用于生物質(zhì)直燃電廠。琦泉集團(tuán)商河玉泉生物質(zhì)電廠超凈排放技術(shù)改造采用了塵硝一體化技術(shù)，是國內(nèi)最早商業(yè)化運(yùn)行的項(xiàng)目，至今已經(jīng)運(yùn)行3年，其典型的工藝路線如圖3所示。

煙氣通過SNCR初步脫硝后，從鍋爐尾部的省煤器中間段抽出，煙氣溫度320～400℃。高溫?zé)煔馔ㄟ^小蘇打干法脫硫后，進(jìn)入塵硝一體化設(shè)備進(jìn)行脫硝除塵，脫硝除塵后的煙氣達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，返回鍋爐后端的省煤器，繼續(xù)換熱后，最終由引風(fēng)機(jī)從煙囪排往大氣。該工藝路線的脫硫系統(tǒng)也可采用半干法脫硫。該工藝路線需要在鍋爐尾部煙道的省煤器之間預(yù)留高溫?zé)煔饨映龊头祷氐慕涌?，?huì)加長鍋爐的尾部煙道，增加鍋爐的制造成本。

采用“塵硝一體化”的超凈排放技術(shù)相對于采用常規(guī)SCR的技術(shù)路線，系統(tǒng)簡單、運(yùn)行能耗較低，但該技術(shù)路線的設(shè)備費(fèi)用太高，以單臺(tái)30MW機(jī)組為例，系統(tǒng)設(shè)備投資約2500～3000萬元人民幣，限制了該技術(shù)在生物質(zhì)直燃電廠的應(yīng)用。此外，該技術(shù)路線也適用于老機(jī)組的超凈排放技術(shù)改造，可在原有除塵器的位置進(jìn)行改造，不需額外新增太多占地。隨著技術(shù)發(fā)展，尤其是解決復(fù)合陶瓷濾芯的生產(chǎn)成本問題后，該技術(shù)會(huì)有較好的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

結(jié)論及展望

從目前市場情況來看，生物質(zhì)直燃電廠的超凈排放技術(shù)還處于起步和發(fā)展階段，存在建設(shè)投資大、運(yùn)維成本高、占地大、市場不成熟等一系列問題。因此，著手發(fā)展適應(yīng)于市場需求的生物質(zhì)直燃電廠超凈排放技術(shù)，尤其是控制NOx排放的脫硝技術(shù)勢在必行，應(yīng)著重從以下幾個(gè)方面入手。

4.1出臺(tái)符合生物質(zhì)直燃鍋爐煙氣特性的超凈排放標(biāo)準(zhǔn)

國家政策層面，應(yīng)針對生物質(zhì)直燃鍋爐的煙氣特性，出臺(tái)適用于生物質(zhì)直燃電廠的超凈排放標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段參考燃煤電廠所制定的超凈排放指標(biāo)，主要是NOx的超凈排放指標(biāo)，會(huì)極大地增加企業(yè)的建設(shè)和運(yùn)維成本。因此，在目前的技術(shù)條件下，對生物質(zhì)直燃電廠實(shí)施超凈排放需要在客觀調(diào)研的基礎(chǔ)上認(rèn)真研究討論。

4.2簡化系統(tǒng)配置，減少占地和建設(shè)期投資

在穩(wěn)定排放的基礎(chǔ)上簡化現(xiàn)有生物質(zhì)直燃電廠超凈排放技術(shù)的系統(tǒng)配置，是今后技術(shù)發(fā)展的主要方向。塵硝一體化技術(shù)和PNCR技術(shù)可取代SCR脫硝技術(shù)，簡化系統(tǒng)工藝、節(jié)省占地。研發(fā)生產(chǎn)出低成本、高效率的復(fù)合陶瓷濾筒，降低該技術(shù)建設(shè)期的投資費(fèi)用、延長陶瓷濾筒的更換周期，是塵硝一體化技術(shù)的發(fā)展方向。PNCR技術(shù)的發(fā)展方向，一方面需要規(guī)范其市場，編制統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面需要解決高分子脫硝劑的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存問題，同時(shí)還需密切關(guān)注和改進(jìn)在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，獲得市場的認(rèn)可。

4.3減少系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用

通過降低生產(chǎn)期間的運(yùn)行維護(hù)成本，提高企業(yè)的生存和盈利能力，是生物質(zhì)直燃電廠超凈排放技術(shù)重要的發(fā)展方向。SCR運(yùn)行費(fèi)用中占比最大的是加熱煙氣所需的蒸汽耗量，若能減少蒸汽耗量，就可有效減少運(yùn)行費(fèi)用。低溫SCR技術(shù)由于運(yùn)行溫度低，相比中溫SCR可降低約40%的蒸汽耗量。但低溫型催化劑對于煙氣中的SOx濃度、含水量有更加嚴(yán)格的要求，且低溫型催化劑相比中溫型催化劑用量更多、單價(jià)更高，而中溫型催化劑脫硝效率更高，排放更穩(wěn)定，因此低溫SCR的應(yīng)用還有待于市場的檢驗(yàn)。此外，如果能夠研發(fā)出有效的高溫抗鈉鉀催化劑，解決催化劑堿金屬中毒問題，則可將SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器段，省去了SGH、GGH和加熱用蒸汽，不僅簡化了系統(tǒng)配置，節(jié)省了占地，同時(shí)也省去了加熱蒸汽的運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 張晟義，張杰，王童.我國農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電產(chǎn)業(yè)SWOT分析[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2020，31（7）：4-7.

[2] 周建強(qiáng)，高攀，董長青，等.生物質(zhì)鍋爐脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2018，47（10）：1-5.

[3] 薛玉寶，郜光偉，武新虎，等.生物質(zhì)直燃鍋爐超低排放脫硝技術(shù)研究[J].河北電力技術(shù)，2020，39（2）：29-32.

[4] 張煥亨.PNCR脫硝技術(shù)及其試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù)，2021，52（4）：65-68.

[5] 陸燕寧，章洪濤，許巖韋，等.煙氣再循環(huán)對生物質(zhì)爐排爐燃燒影響的數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53（10）：1898-1906.

[6] 劉健.煙氣再循環(huán)對生物質(zhì)層燃特性及脫硝性能的影響[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2020.