生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目煙氣脫硝技術(shù)的研究進(jìn)展

王飛

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)再次掀起綠色、可持續(xù)能源的浪潮后，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能源等方向再次提升高度，成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和有效實(shí)現(xiàn)路徑。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)有著較為豐富的農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)原料，興建生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目可集中利用生物質(zhì)原料。同時(shí)，集中利用生物質(zhì)燃料發(fā)電還可改變傳統(tǒng)燒荒的處置方式，進(jìn)一步減少農(nóng)村空氣污染。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年我國(guó)投運(yùn)的生物質(zhì)直燃發(fā)電廠已經(jīng)有350余個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到806萬kW［1］。國(guó)內(nèi)部分地區(qū)陸續(xù)出臺(tái)地方排放標(biāo)準(zhǔn)，要求氮氧化物實(shí)現(xiàn)超低排放。如河南省印發(fā)《河南省2020年大氣污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》中要求［2］，2020年10月底錢，全省生物質(zhì)鍋爐（含生物質(zhì)電廠）完成超低排放改造［3］，在基準(zhǔn)氧含量9%的條件下（生物質(zhì)電廠6%），改造后氮氧化物排放濃度不高于50 mg/m3，此標(biāo)準(zhǔn)已向燃煤電廠超低排放標(biāo)準(zhǔn)看齊。生物質(zhì)項(xiàng)目環(huán)保技術(shù)路線發(fā)展時(shí)間遠(yuǎn)低于燃煤電廠，同時(shí)部分生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目不具備熱電聯(lián)產(chǎn)條件，僅靠售電及上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼維持財(cái)務(wù)平衡，如依靠傳統(tǒng)燃煤電廠環(huán)保工藝技術(shù)路線，將使得生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目捉襟見肘、難以健康可持續(xù)發(fā)展。因此，積極探索高效、廉價(jià)、可靠的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目環(huán)保超低排放工藝路線十分重要。

1 生物質(zhì)燃料特點(diǎn)

生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目燃料多為就地取材，通常以秸稈為主，板條、鋸末、樹皮、木屑等為輔。同時(shí)，項(xiàng)目燃料受季節(jié)影響較大，在生物質(zhì)燃料緊缺時(shí)節(jié)又需要燃燒各種能夠買得到的生物質(zhì)燃料。因此焚燒爐原始污染物濃度、爐溫各項(xiàng)目差別較大，甚至同一項(xiàng)目不同時(shí)間段也存在較大范圍變化?；谏镔|(zhì)項(xiàng)目以上特點(diǎn)，這就對(duì)煙氣凈化脫硝工藝在各種工況下達(dá)標(biāo)運(yùn)行提出了嚴(yán)格要求。常規(guī)生物質(zhì)燃料燃燒灰分組分如下表1所示。

表1 不同生物質(zhì)燃料灰分組分 %

生物質(zhì)燃料燃燒后，其堿金屬、氯、硫等元素經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后部分以揮發(fā)態(tài)進(jìn)入煙氣中經(jīng)鍋爐、余熱爐、脫酸、除塵、脫硝系統(tǒng)，最終由煙囪排放到大氣環(huán)境中，在上述一系列過程中經(jīng)過冷端受熱面時(shí)容易冷凝吸收SO3、NOx等形成鉀鹽和鈉鹽。當(dāng)采用SCR脫硝技術(shù)時(shí)，脫硝催化劑極容易產(chǎn)生堿金屬中毒問題。

2 生物質(zhì)煙氣脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 煙氣回流技術(shù)（見圖1）

圖1 煙氣回流工藝流程

煙氣回流技術(shù)通常從布袋除塵器或引風(fēng)機(jī)出口取凈煙氣，然后回流到焚燒爐二次風(fēng)位置對(duì)燃燒補(bǔ)風(fēng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一次性投資成本低。

該技術(shù)最大的特點(diǎn)是從燃燒室后墻噴入高速回流煙氣，使?fàn)t排供入的一次風(fēng)和垃圾高溫?zé)峤鈿獾竭_(dá)燃燒室后墻，并通過回流煙氣在后墻附近有效攪拌混合，整個(gè)燃燒室的燃燒效率得到提高，O2濃度降低，燃燒室溫度分布更為均勻，NOx的生成受到抑制［4］。通常煙氣回流比控制在20%~30%，鍋爐出口氧濃度控制在3%~5%，脫硝效率可達(dá)30%。

2.2 SNCR脫硝技術(shù)（見圖2）

圖2 SNCR工藝流程

燃煤電站、垃圾焚燒、生物質(zhì)項(xiàng)目SNCR脫硝技術(shù)通常設(shè)計(jì)脫硝效率約50%，在此條件下通過合理布置噴槍分布可確保尾氣中氨逃逸≤8 mg/m3。通?？赏ㄟ^提高還原劑投入量，部分項(xiàng)目按照遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)氨/氮摩爾比運(yùn)行時(shí)，其脫硝效率可提高至60%。但還原劑的過噴造成氨逃逸飆升、煙冷器等冷端設(shè)備附著形成ABS，導(dǎo)致煙冷器壓差飆升、布袋除塵器腐蝕、凈氣室結(jié)晶等問題［8］。

2.3 COA氧化脫硝技術(shù)（見圖3）

圖3 COA氧化工藝流程

催化氧化吸收COA（Catalytic Oxidation Absorption）脫硝技術(shù)主要是將鍋爐尾部煙氣中難溶于水、不易被堿性吸收劑反應(yīng)吸收的NO，通過脫硝劑亞氯酸鈉（NaClO2）/其他氧化劑強(qiáng)氧化作用下，增強(qiáng)將煙氣中NOx轉(zhuǎn)化為易于反應(yīng)吸收的NO2，再經(jīng)過爐外（半）干法脫硫塔利用消石灰進(jìn)行中和反應(yīng)完成脫硝［5］。

根據(jù)考察調(diào)研，某項(xiàng)目原始NOx為350 mg/m3，SNCR脫硝后排放值為70~100 mg/m3，通過增加氧化劑的投加量，可實(shí)現(xiàn)NOx≤50 mg/m3的超低排放要求。

2.4 PNCR干法脫硝技術(shù)（見圖4）

圖4 PNCR干法脫硝工藝流程

PNCR干法脫硝技術(shù)使用氣力輸送方式，將粉狀脫硝藥劑噴入爐膛，一定溫度條件下化學(xué)鍵斷裂，釋放大量的含氨自由基，脫硝還原劑主要成分：高分子分散劑、催化劑、助劑以及尿素或尿素中間體等［6］。

由于采用固體脫硝藥劑，藥劑在爐內(nèi)噴射后具有較遠(yuǎn)的覆蓋面積、提高還原劑與NOx混合效率，同時(shí)在催化劑、助劑作用下，PNCR干法脫硝效率可達(dá)約80%，為了降低干法脫硝耗量，減少運(yùn)行成本，通常采用SNCR+PNCR組合脫硝工藝。

根據(jù)考察調(diào)研，某項(xiàng)目（蒸發(fā)量80 t/h）原始NOx約350 mg/m3，脫硝后NOx≤50 mg/m3，尿素使用量為2.88 t/d、干法脫硝劑為1.6 t/d，可實(shí)現(xiàn)NOx≤50 mg/m3的超低排放要求。

2.5 SCR脫硝技術(shù)（見圖5）

圖5 SCR脫硝工藝流程

SCR脫硝系統(tǒng)主要由還原劑存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)、還原劑制備系統(tǒng)、SCR脫硝反應(yīng)器、氨氣噴射及混合系統(tǒng)、控制及電氣部分等構(gòu)成［7］。

煙氣從袋式除塵器出來后經(jīng)過蒸汽-煙氣加熱器加熱至180°/230℃后進(jìn)入SCR反應(yīng)塔；還原劑制備系統(tǒng)產(chǎn)生濃度5%的氨氣，經(jīng)由氨噴射系統(tǒng)送入反應(yīng)塔入口煙道中，隨后通過催化劑層進(jìn)行脫硝反應(yīng)［8］。

通常除塵后煙氣需要消耗大量蒸汽來提高煙溫，這使得SCR脫硝的運(yùn)行成本大大提高，同時(shí)SCR及催化劑的初始投資費(fèi)用也較高，且由于生物質(zhì)項(xiàng)目煙氣中不可避免的會(huì)存在使催化劑中毒的鉀、鈉等堿金屬［9］，因此該工藝在生物質(zhì)項(xiàng)目中應(yīng)用效果不十分理想。

本次調(diào)研、考察中某項(xiàng)目初期投運(yùn)后NOx≤50 mg/m3效果良好，但僅投運(yùn)5個(gè)月SCR催化劑發(fā)生明顯失活現(xiàn)象，經(jīng)檢測(cè)為堿金屬中毒問題。

2.6 臭氧脫硝技術(shù)（見圖6）

臭氧氧化脫硝技術(shù)為通過臭氧發(fā)生器制臭氧后通入煙氣中與NOx發(fā)生氧化反應(yīng)，其反應(yīng)原理如下：

按照O3對(duì)于NOx復(fù)雜的氧化反應(yīng)過程，實(shí)際上最后通過N的價(jià)態(tài)變化體現(xiàn)出來，主要的反應(yīng)如下：

O3對(duì)NO按照逐級(jí)氧化過程進(jìn)行，在O3不過量情況下，NO的氧化產(chǎn)物主要是NO2，隨后通過溶液吸收達(dá)到脫除煙氣中NOx的目的［10］。

根據(jù)考察調(diào)研，某項(xiàng)目使用該種工藝，經(jīng)SNCR+臭氧氧化后排放NOx≤40 mg/m3，可實(shí)現(xiàn)NOx超低排放。

2.7 ZYY干法脫硝技術(shù)（見圖7）

圖7 ZYY干法工藝流程

ZYY干法工藝是一種脫硫脫硝技術(shù)，通過羅茨風(fēng)機(jī)將尿素顆粒吹入催化裝置內(nèi)（鉑、銠系貴金屬催化劑），尿素顆粒裹挾催化劑后經(jīng)管道輸送至爐前，通過噴槍均勻噴入爐內(nèi)750~960℃的區(qū)域（850℃反應(yīng)效率最高），與SO2、NOx污染物反應(yīng)，分別生成（NH4）2SO4、N2，根據(jù)催化劑配方不同，可達(dá)到脫硝、同時(shí)脫硫脫硝目的［11］。

ZYY干法技術(shù)的核心設(shè)備為催化裝置，內(nèi)含單質(zhì)態(tài)鉑、銠系貴金屬催化劑，通過在裝置內(nèi)裝填不同的催化劑來分別實(shí)現(xiàn)脫硫及脫硝，系統(tǒng)設(shè)3個(gè)尿素儲(chǔ)存?zhèn)}，2用1備，保證連續(xù)給料不間斷；倉(cāng)體容積較?。ㄕ＿\(yùn)行時(shí)每天加料2次），倉(cāng)體及輸送管道均進(jìn)行保溫及伴熱（陰雨潮濕季節(jié)啟用），防止尿素顆粒吸潮板結(jié)。

考察調(diào)研中，某項(xiàng)目單獨(dú)使用ZYY工藝進(jìn)行脫硝，項(xiàng)目原始NOx400~450 mg/m3，經(jīng)ZYY后可降低至80~90 mg/m3，通過增加尿素投加量，可實(shí)現(xiàn)NOx≤50 mg/m3的超低排放目標(biāo)。

3 生物質(zhì)脫硝超低排放技術(shù)比較

各項(xiàng)生物質(zhì)脫硝超低排放技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表2。

表2 各項(xiàng)各項(xiàng)生物質(zhì)脫硝超低排放技術(shù)參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

1）根據(jù)考察、調(diào)研，對(duì)于生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目采用COA氧化脫硝技術(shù)、PNCR干法脫硝技術(shù)、臭氧脫硝技術(shù)、ZYY干法脫硝技術(shù)單獨(dú)使用皆可實(shí)現(xiàn)NOx超低排放要求，為了降低系統(tǒng)脫硝運(yùn)行成本，通常與煙氣回流和SNCR組合使用。

2）結(jié)合各工藝運(yùn)行成本、政策以及技術(shù)穩(wěn)定性、考察調(diào)研情況，可優(yōu)先考慮ZYY干法、PNCR干法脫硝工藝作為生物質(zhì)氮氧化物超低排放技術(shù)路線。

3）SCR爐后脫硝相較爐內(nèi)脫硝工藝更為成熟、穩(wěn)定、NOx及氨逃逸排放更低，具有較好的使用前景。但目前針對(duì)生物質(zhì)項(xiàng)目開發(fā)的抗堿金屬催化劑尚處起步階段且造價(jià)較高，建議積極開發(fā)錳系等抗堿金屬脫硝催化劑。

4）對(duì)于生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目其盈利能力較弱，建議新建項(xiàng)目在可研、立項(xiàng)階段提前考慮規(guī)劃，對(duì)于提標(biāo)改造項(xiàng)目在政策上提供必要的補(bǔ)貼，促進(jìn)生物質(zhì)發(fā)電行業(yè)健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。