生物質(zhì)電廠新型煙氣超凈排放技術(shù)的研究與應(yīng)用

連久翔

(上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200040)

生物質(zhì)能源是繼石油、煤炭和天然氣之后第四大資源庫(kù)，也是唯一可再生碳資源，是國(guó)際上替代化石能源的主要選項(xiàng)[1]。當(dāng)前，以林業(yè)剩余物、木材廢棄物和農(nóng)業(yè)秸稈為代表的農(nóng)林剩余物棄之為害，用之為寶，其轉(zhuǎn)化為能源的潛力為4.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤[2-3]。生物質(zhì)能源替代減排有多種形式，選擇不同的可替代能源系統(tǒng)以及能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，其實(shí)際替代減排效率會(huì)有所不同[4]。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)是目前生物質(zhì)能應(yīng)用方式中最普遍、最有效的方法之一，可減少有毒有害物質(zhì)的排放，降低污染，改善大氣環(huán)境質(zhì)量。

目前，生物質(zhì)電廠煙氣排放需滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)的要求?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)幾乎所有生物質(zhì)電廠煙氣排放特別是NOx只能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但已無(wú)法滿足地方及超凈排放要求。

在生物質(zhì)電廠的煙氣超凈排放處理工藝上，一般采用“選擇性非催化還原脫硝(selective noncatalytic reduction，SNCR)+循環(huán)流化干法脫硫+袋式除塵器”的組合工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論上SNCR反應(yīng)溫度窗口為850～1 100 ℃，但現(xiàn)有生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行溫度均控制在850 ℃以下[5]。因?yàn)樯镔|(zhì)鍋爐燃燒溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒后飛灰中的鈉、鉀鹽等堿金屬鹽附著在鍋爐尾部煙道及換熱面上，造成受熱面結(jié)垢腐蝕，長(zhǎng)期運(yùn)行難以清除，影響鍋爐熱效率。生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行溫度過(guò)低導(dǎo)致SNCR脫硝效果較差。

現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)鍋爐煙氣超凈處理技術(shù)的研究報(bào)道較少，且均存在技術(shù)和運(yùn)營(yíng)成本問(wèn)題。周舜等[6]在某項(xiàng)目中采用了“DL陶瓷多管除塵+高效布袋除塵+水膜脫硫脫硝”的煙氣處理系統(tǒng)，使得生物質(zhì)鍋爐煙氣的大氣污染物達(dá)到超低排放的要求。但該工藝中對(duì)粉塵的去除需要在煙氣溫度為800～1 050 ℃時(shí)利用DL陶瓷多管除塵，在煙氣溫度為30～60 ℃時(shí)利用高效布袋除塵。在脫硫脫硝系統(tǒng)中，會(huì)產(chǎn)生一定量的廢水，故每10 d左右需要更換一次水液，或采取及時(shí)連續(xù)性的更換水溶液。該工藝?yán)脫Q熱器將煙氣溫度降為30～60 ℃，容易引進(jìn)設(shè)備的低溫腐蝕。高效布袋的除塵效率本身可以達(dá)到99%以上，采用兩段除塵工藝，組合優(yōu)勢(shì)不明顯。該工藝運(yùn)行時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量廢水，增加了設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜度和運(yùn)營(yíng)成本。秦漢俊等[7]在某2×130 t/h高溫高壓生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐上，采用了“爐內(nèi)噴鈣+爐內(nèi)SNCR脫硝+旋風(fēng)分離器+干法脫硫+吸收塔降溫冷卻+氧化脫硝系統(tǒng)+布袋除塵器”的集成工藝協(xié)同脫除煙氣污染物。該工藝的脫硫工藝是由爐內(nèi)噴鈣和干法脫硫兩段工藝組成，脫硝工藝是由爐內(nèi)SNCR脫硝和氧化脫硝兩段工藝組成。雖然該工藝也實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐的超低排放要求，但工藝復(fù)雜，投資和運(yùn)行成本較高，且存在吸收塔冷卻降溫，降低了生物質(zhì)鍋爐的熱效率，使全廠熱經(jīng)濟(jì)性受損。此外，PNCR干法脫硝和ZYY干法脫硫脫硝均需特殊催化劑或脫硝劑，其應(yīng)用還有待市場(chǎng)的進(jìn)一步檢驗(yàn)。臭氧氧化濕法脫硝和COA協(xié)同半干法脫硝會(huì)產(chǎn)生臭氧的二次污染問(wèn)題[8]。

鑒于現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)鍋爐煙氣處理技術(shù)研究成果存在推廣局限性和投資較大等問(wèn)題，本文研究了一種新型煙氣超凈排放工藝。該煙氣凈化工藝流程是“干法脫硫+袋式除塵器+中溫選擇性催化還原脫硝(selective catalytic reduction，SCR)”。該工藝是在上海市機(jī)電設(shè)計(jì)研究院研究團(tuán)隊(duì)《干法脫硫和低溫脫硝的生物質(zhì)電廠煙氣凈化處理系統(tǒng)》(專(zhuān)利號(hào)：ZL201720425359.2)[9]發(fā)明專(zhuān)利的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)。本文對(duì)該工藝技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)研究和中試應(yīng)用，取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。運(yùn)行實(shí)踐表明，該工藝可以滿足生物質(zhì)煙氣超凈排放要求，并且系統(tǒng)設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。采用該工藝可以有效降低因鈉、鉀等堿性物質(zhì)引起的催化劑中毒失活以及飛灰黏附、堵塞催化劑問(wèn)題，而且煙氣無(wú)須再加熱，降低了能源消耗，提高了全廠熱能的利用效率[10]。該工藝具有凈化效率高(脫硫、脫硝、除塵)、氨逃逸率低、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是自鍋爐尾部煙道(省煤器與空氣預(yù)熱器間)引出300 ℃左右的煙氣，經(jīng)干法脫硫、袋式除塵、中溫SCR脫硝后引回原有煙氣凈化系統(tǒng)脫硫塔入口煙道。工藝流程如圖1所示，包括煙氣系統(tǒng)、脫硫劑儲(chǔ)存及研磨輸送系統(tǒng)、脫硫塔系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)、氨水供應(yīng)系統(tǒng)、氨水蒸發(fā)系統(tǒng)、中溫SCR系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)、電氣系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)、照明、接地、保溫、防腐、煙道等。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖1 煙氣凈化工藝流程

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

脫硫采用干法脫硫技術(shù)，脫硫劑為NaHCO3粉末。NaHCO3在高溫?zé)煔獾淖饔孟卵杆俜纸?，生成高活性的多孔體碳酸鈉(Na2CO3)，與煙氣中SO2、SO3充分接觸反應(yīng)，生成Na2SO4，進(jìn)入后續(xù)袋式除塵系統(tǒng)繼續(xù)脫除實(shí)現(xiàn)高效脫硫。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用SOLVAir 300碳酸氫鈉作為脫硫劑，設(shè)置了一套脫硫劑儲(chǔ)存、研磨、輸送系統(tǒng)。NaHCO3粗顆粒在研磨機(jī)下半部通過(guò)與研磨工具的相互撞擊進(jìn)行研磨[11]，將50目(300 μm)左右的NaHCO3顆粒研磨成1 000目(15 μm)的微粉后，均勻噴射在反應(yīng)器內(nèi)。NaHCO3從儲(chǔ)存?zhèn)}由一臺(tái)變頻計(jì)量螺旋輸送機(jī)供給研磨機(jī)。在螺旋輸送機(jī)和研磨機(jī)之間安裝旋轉(zhuǎn)卸料閥，用于隔離氣流，以免氣流影響螺旋輸送機(jī)的定量進(jìn)料。NaHCO3在研磨機(jī)中進(jìn)行研磨后，細(xì)粉由一臺(tái)物料輸送風(fēng)機(jī)輸送至脫硫塔。研磨后的NaHCO3與煙氣在脫硫塔內(nèi)充分接觸后，SO2等酸性物質(zhì)與NaHCO3充分反應(yīng)后被吸收。系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)進(jìn)出口SO2濃度調(diào)整NaHCO3的噴入量，保證SO2達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)脫硫劑的消耗量最少。脫硫塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合流場(chǎng)模擬，設(shè)置摻混及延長(zhǎng)煙氣停留時(shí)間的裝置，提高脫硫效率和脫硫劑利用率。

袋式除塵器是采用過(guò)濾除塵原理將煙氣中的固體顆粒物進(jìn)行分離，袋式除塵器的除塵效率一般可達(dá)99.9%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)煙塵排放濃度小于5 mg/Nm3[12]。實(shí)驗(yàn)時(shí)，除塵器濾袋采用PTFE+PTFE覆膜材質(zhì)，共設(shè)2個(gè)除塵倉(cāng)室。袋式除塵器每個(gè)灰斗下設(shè)計(jì)一個(gè)倉(cāng)泵，飛灰由倉(cāng)泵經(jīng)輸灰管道氣力輸送至灰?guī)臁?/p>

SCR脫硝是指在一定O2含量和催化劑存在的條件下，用還原劑(NH3、CO或羥類(lèi)化合物)將煙氣中NOx還原為無(wú)害的氮?dú)夂退墓に嘯13]。SCR工藝之所以稱(chēng)作選擇性，是因?yàn)樵诖呋瘎椭逻€原劑優(yōu)先與煙氣中的NOx反應(yīng)，而不是被O2氧化[14]。煙氣中O2的存在能促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生，是系統(tǒng)中不可缺少的部分。SCR工藝對(duì)反應(yīng)溫度有一定的要求，一般進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣溫度需達(dá)到160 ℃以上，反應(yīng)溫度區(qū)間160～200 ℃的為低溫SCR系統(tǒng)，200～240 ℃的為中溫SCR系統(tǒng)。SCR技術(shù)脫硝率高，理論上可接近100%的脫硝率。實(shí)驗(yàn)時(shí)，是在該電廠原煙氣處理系統(tǒng)氨水儲(chǔ)罐旁設(shè)一臺(tái)氨水溶液供應(yīng)泵，將20%氨水溶液輸送至雙流體霧化噴槍霧化后，在蒸發(fā)混合器內(nèi)被增壓風(fēng)機(jī)帶來(lái)的熱煙氣汽化生成氨氣，氨氣經(jīng)噴氨格柵噴入SCR入口煙道與煙氣混合后送至SCR催化反應(yīng)器。SCR采用中溫催化劑，設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度200～240 ℃。催化劑的材質(zhì)為T(mén)iO2-V2O5系列，蜂窩狀結(jié)構(gòu)。脫硝后的凈煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)送至原煙氣處理系統(tǒng)脫硫塔入口處。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置脫硫、脫硝、除塵效果，煙道上設(shè)置了兩個(gè)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)位于脫硫塔入口煙道處，使用TESTO 350手持式煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備定時(shí)手動(dòng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置入口煙氣成分(原煙氣)，測(cè)量?jī)?nèi)容為溫度、壓力、流量、含氧量、NO、NO2、SO2、CO、CO2。另一個(gè)位于SCR催化反應(yīng)器出口煙道處，監(jiān)測(cè)設(shè)備為CEMS，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置出口煙氣成分(凈煙氣)，測(cè)量?jī)?nèi)容為溫度、壓力、流量、含氧量、濕度、NOx、SO2、粉塵。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄以分鐘為單位，為一分鐘之內(nèi)測(cè)量的平均值。

2.1 SOLVAir 300碳酸氫鈉脫硫

碳酸氫鈉脫硫?qū)嶒?yàn)是在不同工況下通過(guò)TESTO 350手持式煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行取樣。圖3所示的SO2進(jìn)出口數(shù)據(jù)曲線為煙氣中SO2的進(jìn)出口濃度。具體工況參數(shù)如下：平均煙氣量為8 083 Nm3/h，干法脫硫塔入口煙氣平均溫度為246 ℃，SOLVAir 300碳酸氫鈉投加量為1.39 kg/h。

在該工況下，SOLVAir 300碳酸氫鈉過(guò)噴比為1.5，SO2進(jìn)口濃度平均值為76 mg/Nm3，峰值282.6 mg/Nm3；SO2出口濃度平均值為18.64 mg/Nm3，峰值26.29 mg/Nm3，平均脫硫效率為81%。

圖3 SO2的進(jìn)出口濃度

對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)279 h后，SO2出口濃度如圖4所示。279 h內(nèi)SO2出口濃度平均值為21.35 mg/Nm3，峰值為29.93 mg/Nm3，SO2出口濃度滿足超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 SO2出口濃度

2.2 除塵

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用CEMS對(duì)煙氣出口污染物濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量，圖5所示為連續(xù)監(jiān)測(cè)279 h的粉塵出口濃度。279 h內(nèi)粉塵出口濃度平均值為2.07 mg/Nm3，峰值為3.56 mg/Nm3，粉塵出口濃度滿足超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 粉塵出口濃度

2.3 脫硝

中溫SCR脫硝實(shí)驗(yàn)是在不同工況下通過(guò)TESTO 350手持式煙氣監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行取樣。圖6所示的NOx進(jìn)出口數(shù)據(jù)曲線為其中一種工況下的煙氣中SO2的進(jìn)出口濃度。具體工況參數(shù)如下：平均煙氣量為8348 Nm3/h，SCR入口平均溫度為205.44 ℃，投加20%濃度氨水7.5 kg/h。

圖6 NOx的進(jìn)出口濃度

在該工況下，氨水過(guò)噴比為1.2， NOx進(jìn)口濃度平均值為126.13 mg/Nm3，峰值為191.5 mg/Nm3，出口濃度平均值為17.84 mg/Nm3，峰值為34.57 mg/Nm3，平均脫硝效率85.86%。

對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)279 h后，NOx出口濃度如圖7所示。279 h內(nèi)NOx出口濃度平均值為20.97 mg/Nm3，峰值為26.55 mg/Nm3，NOx出口濃度滿足超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 NOx出口濃度

2.4 第三方檢測(cè)結(jié)果

在工藝系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行后，委托第三方檢測(cè)單位對(duì)試驗(yàn)裝置出口煙氣進(jìn)行檢測(cè)，共取樣3次，每次1 h，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。在3組檢測(cè)結(jié)果中，SO2出口平均濃度為20.77 mg/Nm3，粉塵出口平均濃度為1.7 mg/Nm3，NOx出口平均濃度為32.33 mg/Nm3。通過(guò)第三方檢測(cè)結(jié)果可以看出，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全可以使生物質(zhì)電廠煙氣排放濃度達(dá)到超凈標(biāo)準(zhǔn)。

表1 第三方檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

本文提出的生物質(zhì)鍋爐煙氣超凈排放工藝“干法脫硫+袋式除塵器+中溫選擇性催化還原脫硝”工藝，經(jīng)過(guò)中試系統(tǒng)的連續(xù)、穩(wěn)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性與長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，在平均煙氣量為8 083 Nm3/h、干法脫硫塔入口煙氣平均溫度為246 ℃、SOLVAir 300碳酸氫鈉過(guò)噴比為1.5時(shí)，平均脫硫效率達(dá)81%。在平均煙氣量為8 348 Nm3/h，SCR入口平均溫度為205.44 ℃、氨水過(guò)噴比為1.2時(shí)，平均脫硝效率達(dá)85.86%。驗(yàn)證出該工藝具有較高的脫硫脫硝效率。此外，粉塵出口濃度≤4 mg/Nm3。通過(guò)該工藝系統(tǒng)凈化后的煙氣，污染物排放濃度均可以滿足超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。中試系統(tǒng)的成功實(shí)踐為生物質(zhì)電廠脫硫除塵脫硝提供了經(jīng)驗(yàn)，值得在該領(lǐng)域進(jìn)一步推廣應(yīng)用。該工藝有望成為生物質(zhì)電廠超凈排放技術(shù)的主流工藝，為助推全國(guó)生物質(zhì)電廠超凈排放改造提供了穩(wěn)定、節(jié)約的方案，進(jìn)一步助力國(guó)家深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)戰(zhàn)略的實(shí)施。