摻燒污泥循環(huán)流化床鍋爐大氣污染物綜合治理研究*

張祥志，舒銀銀，黃加昀，黃永炳，徐志超

(1. 武漢龍凈環(huán)?？萍加邢薰?，湖北武漢 430205；2. 武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430205)

在當(dāng)前的國民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，大氣污染物主要來源于電力行業(yè)，其二氧化硫、氮氧化物、煙塵、重金屬等污染物的排放量均位于所有行業(yè)的前列。多年來，我國燃煤電站大氣污染物的治理重點(diǎn)是煙塵、SO2、氮氧化物等的控制，但隨著近年來環(huán)保理念的深入，重金屬、二噁英、濕煙羽等其他污染物的排放也逐漸引起了重視。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》首次明確燃煤發(fā)電廠煙氣中重金屬汞的排放限值不高于0.03 mg/m3。在我國部分重點(diǎn)區(qū)域，特別是政治經(jīng)濟(jì)文化中心地區(qū)，為打造更好的生態(tài)環(huán)境，將二噁英、濕煙羽等項(xiàng)目也納入治理范圍，這就意味著今后煙氣治理在達(dá)到超低排放的基礎(chǔ)上，必須同時(shí)進(jìn)行硫、硝、塵、二噁英、重金屬及濕煙羽等全污染物的脫除，因此需要尋求一種能夠進(jìn)行這種全污染物協(xié)同處理的煙氣治理技術(shù)[1]。以浙江省義烏市某火電廠3×130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐(CFB)煙氣治理工程為對(duì)象，對(duì)該煙氣綜合治理技術(shù)進(jìn)行了分析和探討。

1 工程概況

1.1 鍋爐煙氣參數(shù)

該鍋爐所用燃料為原煤和造紙污泥(造紙廢水處理產(chǎn)生的污泥)，單臺(tái)爐摻燒污泥量不大于140 t/h，設(shè)計(jì)污泥質(zhì)量占比低于30%。目前，投運(yùn)后實(shí)際摻燒污泥為60 t/h左右。該工程鍋爐煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐煙氣基本參數(shù)

由表1可見：該項(xiàng)目鍋爐出口煙氣量為205 000 m3/h，煙氣溫度為145 ℃，煙氣中的SO2、H2O含量較高。由于燃料中摻燒有機(jī)物污泥，導(dǎo)致煙氣中存在一定量的重金屬和二噁英，煙氣中的污染物種類較多、成分較復(fù)雜，因此給煙氣治理技術(shù)的選擇帶來一定困難。需要保證在經(jīng)濟(jì)成本可控的情況下，考慮SO2、NOx、煙塵、重金屬、二噁英、濕煙羽等絕大多數(shù)污染物的綜合治理，使出口煙氣排放達(dá)到設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，是該項(xiàng)目的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.2 排放指標(biāo)

該項(xiàng)目在目前《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了NOx、SO2和煙塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，并新增了濕煙羽、重金屬和二噁英的排放要求，對(duì)比見表2。

由表2可見：各污染物排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，在“超凈排放50355”即氮氧化物質(zhì)量濃度不超過50 mg/m3、二氧化硫質(zhì)量濃度不超過35 mg/m3、煙塵質(zhì)量濃度不超過5 mg/m3的基礎(chǔ)上，提高到“超超凈排放30103”即氮氧化物質(zhì)量濃度不超過30 mg/m3、二氧化硫質(zhì)量濃度不超過10 mg/m3、煙塵質(zhì)量濃度不超過3 mg/m3，并增加了重金屬、二噁英、濕煙羽等排放物的控制指標(biāo)。

表2 項(xiàng)目排放要求與行動(dòng)計(jì)劃排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2 全污染物治理技術(shù)的工藝路線

2.1 總工藝路線簡述

針對(duì)該項(xiàng)目煙氣成分復(fù)雜、污染物種類多、排放要求高等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，采用的總工藝路線為“SNCR-SCR脫硝系統(tǒng)+活性炭系統(tǒng)+布袋除塵系統(tǒng)+石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)+濕式電除塵系統(tǒng)+濕煙羽脫除系統(tǒng)”的煙氣處理工藝，該工藝全面覆蓋了從鍋爐尾部煙道到煙囪入口的煙氣治理的全流程，綜合治理了NOx、重金屬、二噁英、煙塵、SO2、濕煙羽等絕大多數(shù)污染物組分[2]。

目前，相比國內(nèi)其他發(fā)電、供熱機(jī)組或摻燒造紙污泥的鍋爐機(jī)組，該工藝路線和治理鏈條較長、較全面，并且能達(dá)到“超超凈排放30103”的排放要求。全污染物治理技術(shù)工藝流程見圖1所示。

圖1 全污染物治理技術(shù)工藝流程示意

2.2 工藝路線的協(xié)同作用

該工藝路線核心主要基于脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、活性炭系統(tǒng)及消白系統(tǒng)，在各個(gè)系統(tǒng)去除污染物的同時(shí)發(fā)揮協(xié)同作用。

常規(guī)的脫硝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量氨逃逸和SO3，對(duì)除塵器造成腐蝕和堵塞，采用SNCR-SCR耦合脫硝技術(shù)可有效抑制SO2轉(zhuǎn)化成SO3并減少氨逃逸，減少對(duì)除塵器的影響，減輕脫硫系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

活性炭系統(tǒng)設(shè)置在SCR脫硝反應(yīng)器后，可避免活性炭粉末進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器后堵塞反應(yīng)器，活性炭粉末在脫除煙氣中重金屬及二噁英后可被布袋除塵器吸收，粉末粘附在除塵器濾袋上可進(jìn)一步對(duì)污染物進(jìn)行吸附。

除塵系統(tǒng)采用袋式除塵器，對(duì)煙氣中的煙塵進(jìn)行脫除，降低脫硫系統(tǒng)的煙塵處理負(fù)荷，減小系統(tǒng)的磨損，提高石膏的品質(zhì)。

脫硫系統(tǒng)采用單塔雙區(qū)高效塔技術(shù)，頂部增加式靜電除塵器，對(duì)SO2、煙塵和其他污染物進(jìn)行綜合脫除，最終滿足超凈排放的要求[3-4]。

2.3 脫硝系統(tǒng)

該項(xiàng)目的脫硝工藝為SNCR+SCR耦合技術(shù)。SNCR+SCR耦合技術(shù)是將SNCR與煙道型SCR進(jìn)行聯(lián)合，SNCR承擔(dān)脫除部分氮氧化物并提供氨氣的雙重功能，然后利用SCR將從SNCR過來的氨氣與剩余的氮氧化物進(jìn)行反應(yīng)，解決SNCR裝置脫硝效率有限的問題，進(jìn)而提高綜合的氮氧化物脫除能力[5]。

具體工藝路線如下：采用SNCR技術(shù)將含氮還原劑噴入鍋爐爐膛適當(dāng)?shù)奈恢?，將煙氣中的NOx還原為N2和水，在SNCR脫硝的下游，設(shè)置SCR脫硝工藝，進(jìn)一步提高和保證NOx排放指標(biāo)能達(dá)到要求。SCR系統(tǒng)設(shè)置在上級(jí)空氣預(yù)熱器和下級(jí)省煤器之間，主要包含SCR反應(yīng)器、SCR催化劑及相應(yīng)的吹灰器系統(tǒng)等。脫硝系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

由表3可見：脫硝系統(tǒng)入口煙氣量為205 000 m3/h，氨氮摩爾比為1.5。該系統(tǒng)設(shè)置一層催化劑，體積為36 m2，氨水耗量為0.15 t/h。通過SNCR+SCR耦合技術(shù)，脫硝系統(tǒng)出口NOx的質(zhì)量濃度可達(dá)到30 mg/m3，NH3的質(zhì)量濃度可達(dá)到3 mg/m3。

表3 脫硝系統(tǒng)主要參數(shù)

2.4 活性炭系統(tǒng)

污泥焚燒后的尾氣中含有二噁英和重金屬，為使重金屬及二噁英的排放濃度達(dá)到要求，可采用活性炭粉末吸附以降低排放濃度[6]。為節(jié)省活性炭耗量，使活性炭與煙氣混合更均勻，采用活性炭前噴的方式，即在布袋除塵器入口煙道處噴入活性炭[7-8]?；钚蕴肯到y(tǒng)單臺(tái)爐活性炭的耗量為50 kg/h。

2.5 除塵系統(tǒng)

除塵工藝使用布袋除塵器，采用低壓長袋脈沖噴吹技術(shù)，清灰壓力穩(wěn)定，除塵器內(nèi)部無運(yùn)動(dòng)部件，故障發(fā)生率低、設(shè)備運(yùn)行可靠。除塵系統(tǒng)主要參數(shù)見表4。

表4 除塵系統(tǒng)主要參數(shù)

由表4可見：除塵系統(tǒng)入口含塵質(zhì)量濃度達(dá)到了30 g/m3，因此設(shè)置了8個(gè)倉室，1 600只濾袋，布袋灰塵捕集總面積為6 193 m2，除塵后出口煙氣含塵質(zhì)量濃度達(dá)到10 mg/m3，除塵效率達(dá)到了99.97%。

2.6 脫硫系統(tǒng)

該項(xiàng)目脫硫技術(shù)采用石灰石-石膏法脫硫工藝，按1臺(tái)爐對(duì)應(yīng)1座吸收塔的配置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，煙氣進(jìn)入吸收塔內(nèi)部，在塔內(nèi)從下到上逆流通過噴淋區(qū)。煙氣與噴淋下來的吸收劑漿液接觸并發(fā)生傳質(zhì)傳熱過程。漿液吸收二氧化硫后，在吸收塔漿池內(nèi)被強(qiáng)制氧化產(chǎn)生硫酸鈣晶體，煙氣中的液滴在噴淋層上部經(jīng)除霧器進(jìn)行脫除。脫硫系統(tǒng)主要參數(shù)見表5。

表5 脫硫系統(tǒng)主要參數(shù)

由表5可見：脫硫系統(tǒng)入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度為3 000 mg/m3，吸收塔氣液比采用31.56 L/m3，每臺(tái)爐石灰石耗量為0.96 t/h，工藝水耗量為11.52 m3/h，SO2脫除率可達(dá)到99.67 %。

2.7 濕式靜電除塵系統(tǒng)

該項(xiàng)目煙塵超凈脫除技術(shù)采用濕式靜電除塵器[9]，布置在脫硫塔之上，采用管式模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，煙氣從設(shè)備底部進(jìn)入，煙氣與霧滴逆向運(yùn)動(dòng)結(jié)合，直流高壓靜電場使煙氣中的固體顆粒、塵霧混合物以及氣溶膠等物質(zhì)荷電，并被電場捕捉，在極管上匯流進(jìn)入脫硫塔內(nèi)[10]。主要參數(shù)見表6。

表6 濕式電除塵器系統(tǒng)主要參數(shù)

由表6可見：濕式電除塵系統(tǒng)入口煙塵質(zhì)量濃度達(dá)到了10 mg/m3，霧滴質(zhì)量濃度為50 mg/m3，煙氣在濕式電除塵系統(tǒng)中停留1.73 s后，出口煙氣總塵質(zhì)量濃度可達(dá)到3 mg/m3，霧滴質(zhì)量濃度可達(dá)到25 mg/m3,煙塵去除率可達(dá)到75%，PM2.5去除率可達(dá)到75%。

2.8 濕煙羽脫除系統(tǒng)

煙囪濕煙羽治理采用煙氣冷凝再熱技術(shù)，由煙氣冷卻器、冷凝器、再熱器和蒸汽加熱器組成。

原理是熱媒水吸收高溫?zé)煔獾臒崃坎⒓訜醿魺煔猓瑑魺煔獗患訜岬胶线m的溫度范圍，在一定條件下實(shí)現(xiàn)消除濕煙羽的目的[11-13]。

具體工藝路線為在吸收塔出口水平煙道設(shè)置一套氣-液冷凝換熱器，冷凝器位于再熱器的上游，對(duì)吸收塔出口煙氣進(jìn)行冷凝。冷凝器的冷源取自電廠循環(huán)水，循環(huán)水在冷凝器中通過換熱降低吸收塔出口煙氣溫度，并降低煙氣含濕量。煙氣冷凝析出的水通過冷凝器底部的收集槽排放至冷凝液收集水箱中。另外，水蒸氣在凝結(jié)過程中會(huì)夾帶著煙氣中殘余的煙塵進(jìn)入凝結(jié)水中，可進(jìn)一步促進(jìn)系統(tǒng)的煙塵的脫除。

為避免鍋爐出口煙氣溫度過低等特殊工況導(dǎo)致白色煙羽，在煙氣再熱器下游增設(shè)蒸汽加熱器，引入蒸汽對(duì)煙氣進(jìn)行加熱，確保煙氣溫度能升至消白所需的溫度點(diǎn)。

3 項(xiàng)目運(yùn)行情況

目前，該項(xiàng)目已成功投入運(yùn)行并取得了良好的運(yùn)行效果，出口煙氣污染物情況如表7所示。

表7 出口煙氣污染物情況

由表7可見：出口煙氣中NOx質(zhì)量濃度為13.8 mg/m3，低于排放要求30 mg/m3；SO2質(zhì)量濃度為4.9 mg/m3，低于排放要求10 mg/m3；煙塵質(zhì)量濃度為3.0 mg/m3，達(dá)到排放要求3 mg/m3，重金屬和二噁英均未檢出，煙囪出口現(xiàn)場檢測未產(chǎn)生白煙現(xiàn)象，各項(xiàng)污染物濃度已達(dá)到“超超凈排放30103”指標(biāo)要求。

4 經(jīng)濟(jì)分析

該環(huán)保治理系統(tǒng)的工程投資約為9 500萬人民幣，全廠投資約為6億元人民幣，環(huán)保投資占全廠總投資的比例為15.8%。

該項(xiàng)目運(yùn)行成本包含脫硝、布袋除塵、脫硫及消白、活性炭噴射、濕式電除塵等5個(gè)系統(tǒng)，其中氨水、工藝水、石灰石的單價(jià)均為假定的價(jià)格，實(shí)際價(jià)格應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐奈飪r(jià)考慮，年運(yùn)行時(shí)間按8 000 h計(jì)，每年工程運(yùn)行成本如表8所示。

表8 工程運(yùn)行成本

由表8可見：脫硝系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為236.16萬元，布袋除塵系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為17.28萬元，脫硫和消白系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為889.52萬元，活性炭系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為6.48萬元，濕式電除塵系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用為109.44萬元，整套煙氣處理工藝系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用為1 258.88萬元。

5 結(jié)論

以浙江省義烏市某火電廠3×130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐(CFB)煙氣治理工程為例，研究了全污染物治理技術(shù)工藝在該項(xiàng)目上的應(yīng)用情況，得到了如下結(jié)論。

1)該項(xiàng)目采用SNCR-SCR脫硝、活性炭吸附、石灰石-石膏濕法脫硫、布袋除塵、濕式電除塵、煙氣冷凝再熱脫除濕煙羽的組合工藝，取得了良好的運(yùn)行效果，出口污染物濃度達(dá)到“30103超超凈”排放要求。

2)與國內(nèi)其他發(fā)電、供熱機(jī)組相比，該項(xiàng)目鍋爐燃料中摻燒了一定比例的造紙污泥，因此煙氣中除了硫、硝、塵污染物外，還包含重金屬和二噁英，該項(xiàng)目工藝路線和治理鏈條較長、較全面，為同類型硫、硝、塵、二噁英、重金屬及濕煙羽全污染物的綜合治理工程提供了參考和借鑒。

3)該環(huán)保治理工程投資約為9 500萬人民幣，占全廠總投資的比例為15.8%，環(huán)保治理工程年運(yùn)行成本約為1 258.88萬元。