鏈條鍋爐煙氣凈化系統(tǒng)升級改造及其減排效果

陳新虎 范冬琪

（1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031；2.通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計有限公司，山東 濟南 250031）

為持續(xù)改善我國大氣環(huán)境質(zhì)量，2014 年9 月，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局發(fā)布了發(fā)改能源〔2014〕2093 號文，制定了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》。同時，環(huán)境保護(hù)部、發(fā)展改革委、能源局印發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》[1]，提出了燃煤機組“超低排放”的要求和時間表。西部地區(qū)（含內(nèi)蒙古等12 省區(qū)市及新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)）在2020 年前完成。

在上述背景下，兗礦集團(tuán)印發(fā)的《兗礦集團(tuán)有限公司關(guān)于2020 年生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的意見》兗礦集團(tuán)發(fā)〔2020〕5 號文件中要求：持續(xù)提升大氣污染防治水平，推進(jìn)煙氣超低排放工程，落實《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》以及各省市區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)的要求，煤業(yè)公司要完成轉(zhuǎn)龍灣煤礦鍋爐煙氣超低排放改造，實現(xiàn)鍋爐煙氣超低排放。受鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司委托，負(fù)責(zé)設(shè)計了鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司燃煤蒸汽鏈條鍋爐煙氣凈化系統(tǒng)提標(biāo)改造項目。

1 工程概述

1.1 煙氣排放指標(biāo)

鄂爾多斯市轉(zhuǎn)龍灣煤炭有限公司有2 臺SZL20-1.6-A Ⅲ燃煤蒸汽鏈條鍋爐，共用一座高50 m、直徑1.40 m 的煙囪。其中，2 臺SZL20-1.6-A Ⅲ燃煤蒸汽鏈條鍋爐配置2 套布袋除塵器和1 套對應(yīng)總煙氣量的單堿法脫硫噴淋塔，鍋爐原有SNCR 脫硝設(shè)備基本停用。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下兩臺鍋爐煙氣量約120 000 m3/h，年運行時間約210 d。改造前污染排放濃度及改造后排放要求見表1。

表1 改造前污染排放濃度及改造后排放要求

1.2 改造前煙氣凈化系統(tǒng)

改造前系統(tǒng)包括漿液制備系統(tǒng)、循環(huán)噴淋系統(tǒng)、除霧器沖洗系統(tǒng)、噴淋塔、布袋除塵器、煙道系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等。主要設(shè)備如下：每臺鍋爐對應(yīng)1 臺引風(fēng)機及1 套布袋除塵器，引風(fēng)機風(fēng)量68 000 m3/h，壓力7000 Pa；除霧器沖洗泵1 臺，流量30 m3/h，揚程60 m；漿液投加泵流量20 m3/h，揚程24 m；噴淋系統(tǒng)3 臺循環(huán)噴淋泵，流量200 m3/h，揚程分別為26 m、28 m、32 m；廢水處理系統(tǒng)1 套。

噴淋塔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。1#、2#鍋爐煙氣經(jīng)省煤器進(jìn)入布袋除塵器除塵后，通過引風(fēng)機、增壓風(fēng)機進(jìn)入噴淋塔。塔內(nèi)設(shè)置三層循環(huán)噴淋、兩級平板除霧器及三層除霧器沖洗，煙氣經(jīng)噴淋塔脫硫后進(jìn)入煙囪排放至大氣。

圖1 原噴淋塔結(jié)構(gòu)圖

1.3 改造后煙氣凈化系統(tǒng)

改造后各鍋爐煙氣經(jīng)省煤器進(jìn)入布袋除塵器除塵，除塵后的煙氣進(jìn)入引風(fēng)機前煙道，在煙道中投加臭氧脫硝，然后通過引風(fēng)機將煙氣送入脫硫塔，經(jīng)過脫硫塔4 層漿液噴淋脫硫，通過脫硫塔上部的一層加濕層、一層管束除霧器進(jìn)行除塵除霧。脫硫塔脫硫完成的煙氣通過垂直煙道進(jìn)入水平凈煙道，最終煙塵、SO2、NOx、霧滴都去除達(dá)標(biāo)的煙氣通過煙囪排入大氣。

工程改造后，布袋除塵器過濾面積增大，阻力不會增大，臭氧投加增加阻力約300 Pa，脫硫系統(tǒng)增加一層噴淋，阻力增加約1500 Pa，整個煙風(fēng)系統(tǒng)阻力增加約1800 Pa，原引風(fēng)機全壓余量滿足此次改造的要求，引風(fēng)機可不進(jìn)行改造。

2 脫硫系統(tǒng)改造

通過對原有噴淋塔結(jié)構(gòu)的檢測，滿足上部增高噴淋塔的基本條件，改造后噴淋塔整體高度增加5 m。主要改造涉及以下幾點：

改造脫硫塔進(jìn)煙口；塔內(nèi)增設(shè)煙氣導(dǎo)流板；將原全部噴淋層重新設(shè)計更換，新增了1 層噴淋層，新增1 臺噴淋循環(huán)泵，噴嘴按9 個布置，每層噴嘴采用交叉的布置方式，交叉布置后需要達(dá)到漿液覆蓋率200%的目的，從而保證漿液噴淋的效果，進(jìn)一步提高脫硫的效率；塔內(nèi)相應(yīng)支撐等部件一起更換，腐蝕嚴(yán)重的區(qū)域重新做玻璃鱗片防腐處理；拆除原脫硫內(nèi)除霧器及沖洗水管，脫硫塔上部新增1層加濕噴淋層，新增管束除霧器及沖洗裝置；底部漿液區(qū)新增氧化曝氣系統(tǒng)。如圖2。

2.1 進(jìn)煙口改造

原脫硫塔煙氣單側(cè)直流進(jìn)入，煙氣在塔內(nèi)的流場分布會不均勻，在進(jìn)口側(cè)存在回流區(qū)、死滯區(qū)和渦流區(qū)。當(dāng)氣體以一定角度偏斜進(jìn)入后，氣體在回流區(qū)內(nèi)的逆向流動速度會減小，同時也會隨著氣體流速減小而逐漸減小[2]。

因此需要對原水平煙氣進(jìn)口進(jìn)行改造，將原脫硫塔煙氣水平進(jìn)口改為傾角15°的傾斜進(jìn)口，同時將原來尺寸為（寬×高）1.7 m×1.1 m 進(jìn)口改為更為扁平的進(jìn)口形式，改造后尺寸為（寬×高）3.0 m×0.95 m。通過煙氣進(jìn)口的改造可以降低煙氣進(jìn)口流速，煙氣進(jìn)口流速由原來的約18 m/s 降低為約12 m/s。煙氣流速的降低以及扁平入口可以進(jìn)一步改善煙氣進(jìn)入脫硫塔后的流場，避免進(jìn)口側(cè)回流區(qū)、死滯區(qū)和渦流區(qū)的出現(xiàn)，使得煙氣在塔體內(nèi)分布更均勻，提高氣液傳質(zhì)效率，進(jìn)一步提高脫硫效率。

在煙氣進(jìn)脫硫塔前煙道內(nèi)增加事故噴淋降溫裝置，防止噴淋塔事故暫停時高溫?zé)煔鈸p壞塔內(nèi)構(gòu)件。

2.2 設(shè)置煙氣導(dǎo)流板

加入導(dǎo)流板后，本項目的脫硫效率得到明顯的提升，而且系統(tǒng)阻力并未增加，基本上與原塔相近?？梢?，通過在噴淋塔入口處設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流板，可以有利于解決脫硫塔內(nèi)煙氣偏流的現(xiàn)象，可以使得噴淋的漿液更好地與均勻的煙氣接觸，漿液與煙氣的充分接觸有利于增強脫硫效果，煙氣分布越均勻，噴淋塔阻力損失會越小[3]。

工程改造時在脫硫塔煙道進(jìn)口處設(shè)置兩塊導(dǎo)流板，用于提高液氣比均勻性，提高脫硫效率。

2.3 噴淋層改造

增加煙氣在塔內(nèi)停留時間、增大液氣比、選擇液滴顆粒尺寸適合的噴嘴、提高噴淋覆蓋率和覆蓋均勻性，有利于提高噴淋效果[4]。

雙堿法脫硫液氣比一般要求6～9 L/m3[5]。系統(tǒng)原有三層噴淋對應(yīng)的循環(huán)泵運行正常，原有噴淋泵流量Q=200 m3/h，液氣比為5 L/m3。新增1 臺循環(huán)泵流量Q=200 m3/h，新增噴淋層后液氣比為6.7 L/m3，滿足了脫硫液氣比要求，提高了脫硫效果。

原有噴淋層噴嘴老化，覆蓋率及覆蓋均勻性均較差，影響脫硫效率。本改造噴嘴布置形式采用矩陣型，采用90°實心噴嘴，液滴粒徑500～1000 μm，噴嘴角度小可以減少對塔壁的沖刷，實心錐可實現(xiàn)無死角覆蓋，充分鎖氣。4 層噴淋層上下錯開布置，每層進(jìn)口旋轉(zhuǎn)25°，噴淋層布置如圖3。相鄰噴淋層間距2.0 m。最底層噴淋層中心線在吸收塔煙氣入口頂端上方2.5 m。

脫硫塔整體高度增加，煙氣在塔內(nèi)的停留時間也會隨著增加，能夠進(jìn)一步提高脫硫效率。

2.4 新增加濕層及管束除霧器

新增管束除霧器可以對凈煙氣攜帶的霧滴和粉塵進(jìn)一步凈化脫除。為了除塵效果得到保證，裝置內(nèi)安裝多級加速器、分離器、集塵環(huán)，能夠進(jìn)一步增強氣流運動，氣體停留時間也能得到進(jìn)一步延長，粉塵顆粒的分離效果可以得到較大的提高。

通過增加的煙氣加濕層可以形成大量的細(xì)小霧滴，粉煤灰顆粒在大量細(xì)小霧滴高速運動的空間下，能夠增加與霧滴接觸碰撞的概率，微小的粉煤灰與霧滴接觸凝聚后能夠得到去除，管束除霧器的除塵除霧效果能夠得到進(jìn)一步提高。加濕層布置如圖4。

圖4 加濕層布置圖

3 脫硝系統(tǒng)改造

根據(jù)現(xiàn)場實際情況分析：SNCR 及SCR 脫硝工藝均需要對鍋爐進(jìn)行施工改造，因為現(xiàn)有2 臺鍋爐爐齡較老，業(yè)主考慮近兩年更換新鍋爐；如更換鍋爐SNCR 及SCR 脫硝設(shè)備需要重新設(shè)計施工，增加了人力物力的投資，不適合該項目。

臭氧脫硝工藝投加位置在布袋除塵器后煙道內(nèi)，安裝施工與鍋爐無關(guān)，業(yè)主更換同等負(fù)荷新鍋爐后，脫硝裝置不受影響，可以繼續(xù)使用，減少以后的進(jìn)一步投資，脫硝采用臭氧氧化脫硝系統(tǒng)。

臭氧脫硝的原理是通過臭氧作為一種強氧化劑來實現(xiàn)脫硝的目的。NO 是煙氣中NOx的主要組成部分，NO 的特點是反應(yīng)活性差且難容于水。通過臭氧氧化可以將NO 氧化成NO2，再通過臭氧氧化作用把NO2氧化成高價態(tài)的N2O3、N2O5等。臭氧氧化后的高價氮氧化物可以溶于水生成溶解能力更強的HNO2和HNO3，進(jìn)而在噴淋塔內(nèi)可以通過漿液噴淋與SO2同時被吸收去除，實現(xiàn)同步脫硫脫硝的效果[6]。

目前標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下原始排放NOx的濃度為250 mg/m3，單臺爐工況煙氣量60 000 m3/h，2 臺爐工況煙氣量120 000 m3/h。達(dá)標(biāo)排放要求：NOx濃度≤50 mg/m3，保險運行數(shù)據(jù)：NOx濃度≤40 mg/m3。鍋爐煙氣排放的NOx質(zhì)量濃度為200 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干煙氣，O2濃度9%，以NO2計），則折算的鍋爐煙氣排放的NO 質(zhì)量濃度為（250/2.05×0.95）×1.34=155.24 mg/m3，折算的鍋爐煙氣排放的NO2質(zhì)量濃度為（250/2.05×0.05）×2.05=12.50 mg/m3，兩者之和為167.74 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干煙氣，O2濃度為9%，分別以NO 和NO2計）。公式中2.05 g/L、1.34 g/L 分別為NO2和NO 的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，0.05、0.95 分別為NO2和NO 在NOx中的體積濃度[7]。

O3與NO 之間摩爾數(shù)的比值稱為摩爾比[M（O3）/M（NO）]，[M（O3）/M（NO）] 的比值體現(xiàn)了O3量相對于NO 量的數(shù)值。NO 的氧化率隨摩爾比的升高而呈現(xiàn)直線上升的趨勢?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)[M（O3）/M（NO）]在0.9～1 之間時，脫硝效率可達(dá)到85%～100%[8]。

則需要脫除的NO 質(zhì)量：

（167.74-40）×120 000=15.33 kg/h。

設(shè)需要臭氧量為X，則X/15.33= [M（O3）/M（NO）]，即X/15.33=48/30，臭氧量X=24.53 kg/h。

考慮冬季供暖2 臺鍋爐要同時運行，按照最大工況選用30 kg 臭氧發(fā)生器，考慮使用維護(hù)方便，建議配置兩臺15 kg 臭氧機。因此，選擇2 臺臭氧產(chǎn)量15 kg/h 的臭氧發(fā)生器[9]。

每產(chǎn)生1 kg 臭氧需要氣態(tài)氧氣量為8 m3；每1 m3的液氧大約產(chǎn)生氣態(tài)氧800 m3。4 天時間3 臺鍋爐全負(fù)荷運行液氧需求量：30×8÷800×24×4=28.8 m3。液氧儲罐容積選擇30 m3。

4 其他系統(tǒng)改造

4.1 除塵系統(tǒng)改造

現(xiàn)有布袋除塵器型號為LCM226-2x3，布袋型號Φ160 mm×6000 mm，材質(zhì)為PPS+PTFE 濾袋，總過濾面積為1350 m2，采用離線清灰方式，過濾風(fēng)速約為0.96 m/min。經(jīng)除塵后顆粒物排放濃度只能達(dá)到≤30 mg/m3。

將現(xiàn)有除塵器上蓋板拆除后將上部凈氣室加高一米，原花板位置提高一米，濾袋更換為規(guī)格Φ160 mm×7000 mm，材質(zhì)為PPS+PTFE 覆膜濾袋。將原有離線清灰通過調(diào)整控制方式改為在線清灰方式，改造后布袋除塵器過濾面積為1575 m2，過濾風(fēng)速0.68 m/min。除塵器外部改造不需要更換配套風(fēng)炮、脈沖閥、壓風(fēng)管路等配套設(shè)施，只需要對原有設(shè)備進(jìn)行檢修。除塵器布袋加高后，相應(yīng)增加少量設(shè)備荷載及一定的積灰荷載。經(jīng)過核算，原設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)承載力能夠滿足改造后的相應(yīng)質(zhì)量。

對除塵器進(jìn)行整體檢修，對漏風(fēng)點進(jìn)行修補，確保除塵器性能達(dá)標(biāo)，出口顆粒物排放濃度達(dá)到≤10 mg/m3。

4.2 除霧器沖洗系統(tǒng)

增加管束除霧器等增加了對原有除霧器沖洗泵流量的要求，更換原有除霧器沖洗泵，通過設(shè)置氣動閥門遠(yuǎn)程控制除霧器沖洗及沖洗水泵啟停。配置兩臺除霧器沖洗水泵（1 用1 備）參數(shù)為H=68 m，Q=50 m3/h。

4.3 煙氣加濕降溫系統(tǒng)

煙氣進(jìn)噴淋塔前煙道內(nèi)增加事故噴淋降溫裝置，防止事故時高溫?zé)煔鈸p壞塔內(nèi)構(gòu)件。入口前煙道段向噴淋塔傾斜，事故噴淋后的噴淋水可以流入噴淋塔內(nèi)。事故噴淋裝置由除霧器沖洗泵供水。

4.4 煙道除霧器系統(tǒng)

煙氣出噴淋塔進(jìn)入水平煙道后，增加煙氣加濕裝置，然后在水平煙道布置2 層煙道除霧器及沖洗裝置，煙道下部設(shè)集水槽，收集除霧器沖洗水排入噴淋塔內(nèi)。煙道除霧器沖洗由除霧器沖洗泵供水，煙道加濕裝置由高壓霧化噴嘴及管道組成，設(shè)置單獨的加濕泵，加濕泵流量為1 m3/h。

5 工程運行效果

改造后實際運行效果表明指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求（干基O2濃度為9%）：NOx濃度≤50 mg/m3，SO2濃度≤35 mg/m3，粉塵濃度≤10 mg/m3。每年可比原有系統(tǒng)減少SO2排放量15.12 t，減少煙塵排放量9.07 t，減少NOx排放量120.96 t，減排效果明顯。