生物質(zhì)電廠脫硝超低排放工藝研究

楊玖林，王思明，譚方良，王坤

（中機第一設(shè)計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

生物質(zhì)能作為分布廣、可存儲運輸、零碳排放的可再生能源，在世界能源格局中扮演著十分重要的角色，生物質(zhì)電廠也是我國實現(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的重要發(fā)力點。隨著環(huán)保要求的提高，選擇合適的煙氣凈化路線對于環(huán)境保護以及生物質(zhì)電廠的經(jīng)濟運行具有重要意義。本文針對國內(nèi)多家生物質(zhì)電廠的煙氣凈化工藝進行了對比研究，探討煙氣凈化工藝的最佳路線。

2 氨氧化物生成及排放標準

生物質(zhì)鍋爐與常規(guī)燃煤鍋爐燃燒機理基本一致，但生物質(zhì)鍋爐爐膛燃燒溫度在1 300℃以下，產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）主要為燃料型NOx，約占總量的60%～90%[1]。

目前，大多地區(qū)要求生物質(zhì)鍋爐煙氣排放標準按GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》或GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》 執(zhí)行，即氮氧化物的排放標準200 mg/m3，部分重點地區(qū)按100 mg/m3[2]。隨著國家對環(huán)境治理力度的不斷加大，生物質(zhì)鍋爐排放限值愈加嚴格，環(huán)保脫硝需求也愈加強烈，多個省市相繼出臺地方污染物排放標準，要求氮氧化物排放達到超低排放標準，即排放限值為50 mg/m3，甚者已要求按超超低標準排放，即排放限值為30 mg/m3。國內(nèi)部分地區(qū)生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放限值匯總見表1。

表1 國內(nèi)部分地區(qū)生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放限值匯總表

3 氮氧化物治理方案

生物質(zhì)電廠鍋爐脫硝方式除燃燒控制外主要有：SNCR脫硝、SCR 脫硝、低溫脫硝和高溫復(fù)合濾筒工藝等[3]。

3.1 選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR/PNCR）

SNCR 脫硝技術(shù)的特點是設(shè)備簡單、無須催化劑、運營投資成本比SCR 低。對于爐排爐，脫硝效率可以達到50%左右。對于流化床鍋爐，脫硝效率可以超過50%[4]。

高分子選擇性脫硝（PNCR）是近年來發(fā)展的一項新脫硝技術(shù)，采用高分子脫硝劑與煙氣NOx反應(yīng)生成N2和H2O，其投資成本低，約占SNCR 脫硝的70%；脫硝效率比SNCR 高，正常情況下可達80%～90%[5]。

3.2 選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

SCR 廣泛應(yīng)用于燃煤、燃氣鍋爐項目，但生物質(zhì)鍋爐煙氣的低溫、高濕，以及含有大量堿金屬和飛灰的特點，容易造成催化劑中毒、堵塞、磨損等問題，導(dǎo)致脫硝效率降低[6]。

3.3 高溫復(fù)合濾筒工藝

高溫復(fù)合濾筒工藝是一種煙氣協(xié)同處理技術(shù)，其原理與傳統(tǒng)SCR 相同，但與傳統(tǒng)SCR 的最大區(qū)別在于其催化劑分布在濾筒管壁中[7]。高溫復(fù)合濾筒工藝亦有助于粉塵和SO2的脫除，煙氣在濾筒外表面過濾掉粉塵和脫硫灰，在外表面形成濾餅層并進行二次脫硫，可提高煙氣凈化系統(tǒng)的整體脫硫效率[8]。

通過調(diào)研山東某生物質(zhì)電廠，該廠最初采用“SNCR 爐內(nèi)脫硝+爐后干法脫硫+布袋除塵”的煙氣處理方案，后因環(huán)保要求提高，原煙氣處理方案已經(jīng)無法滿足當?shù)爻瑑襞欧诺囊?，?018 年11 月對煙氣處理方案進行了改造，采用了高溫復(fù)合濾筒技術(shù)，爐后煙氣從省煤器后引出，直接進入高溫復(fù)合濾筒煙氣處理裝置，處理后的煙氣回到原位置，經(jīng)空預(yù)器、引風機、煙囪，后排入大氣，改造方案見圖1。

圖1 山東某生物質(zhì)電廠高溫復(fù)合濾筒工藝系統(tǒng)圖

改造后整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定，污染物排放濃度（標準大氣壓下）可穩(wěn)定在：SO2為34.2 mg/m3，NOx為16.8 mg/m3，顆粒物為2.8 mg/m3，滿足超凈排放標準。

3.4 常規(guī)煙氣凈化路線與硫塵硝一體化路線的比較

高溫復(fù)合濾筒脫硝在整個工藝中是先過濾后催化脫硝，附著在濾筒表面的過濾層餅可有效避免催化劑受砷（As）、硒（Se）等重金屬的毒化，催化劑活性可以達到與濾筒同壽命，甚至更長。常規(guī)煙氣凈化路線SCR 催化劑的壽命基本在1.5～2 年左右，而采用塵硝硫一體化脫硝，SCR 催化劑的壽命可達到5 年[9]。

高溫復(fù)合濾筒塵硝一體化采用模塊化分倉設(shè)計，每個倉室相互獨立且設(shè)置有隔熱層，其進出口管道由單獨的閥門控制，清灰系統(tǒng)和輸灰系統(tǒng)也相對獨立。當某個倉室出現(xiàn)故障時，可將煙氣隔開后單獨檢修，而不影響其他倉室正常工作。

高溫復(fù)合濾筒塵硝一體化工藝中粉塵和酸性氣體均已在高溫段脫除，尾部受熱面管子不受積灰、結(jié)垢、低溫腐蝕的影響，可改善換熱效果，提高全廠熱效率。

常規(guī)煙氣凈化路線與硫塵硝一體化路線運行成本對比見表2，干法脫硫+復(fù)合陶瓷濾筒塵硝一體化路線初始投資約3 000 萬元，常規(guī)煙氣凈化路線初始投資約1 800 萬元，塵硝一體化工藝較常規(guī)工藝年運行成本可節(jié)約295 萬元，在第一個5 年運行周期內(nèi)可彌補初始投資的增加，5 年后理論上催化劑失去活性更換（再生），基建投資不發(fā)生變化，只有運行費用發(fā)生變化，所以運營周期越長，塵硝一體化路線運行費用較常規(guī)工藝路線越經(jīng)濟。

表2 煙氣處理工藝方案主要運行成本差異

4 結(jié)論

1）生物質(zhì)發(fā)電廠脫硝工藝的選擇應(yīng)綜合考慮排放標準要求、生物質(zhì)鍋爐類型、脫硝效率和脫硝技術(shù)的發(fā)展，在燃燒控制、SNCR、SCR、高溫復(fù)合濾筒等方案中進行單項或組合選擇。近年來，受環(huán)保壓力的影響，越來越多的生物質(zhì)電廠在進行超低排放改造，已有較多生物質(zhì)電廠采用干法脫硫+復(fù)合陶瓷濾筒塵硝一體化路線，實際運行效果顯著。

2）對于高溫復(fù)合濾筒技術(shù)，其原理屬于催化還原反應(yīng)，運行溫度區(qū)間在300℃左右。催化劑以復(fù)合濾筒作為載體，安裝完成后，需要對濾筒表面作“預(yù)噴涂”處理，以保護濾筒內(nèi)的催化劑，并提高粉塵的過濾效率，滿足超凈排放標準。該技術(shù)初投資較低溫SCR 技術(shù)偏高約20%，但其正常運行期維護成本可節(jié)省60%。