摘要：隨著國家新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)與環(huán)保法的陸續(xù)頒布執(zhí)行，我國大部分燃煤熱電廠都面臨著鍋爐煙氣脫硫脫硝裝置為達到節(jié)能減排目的而進行升級改造的問題。以山西省某熱電廠的2臺410t/h燃煤鍋爐（8#、9#鍋爐）為研究對象，從石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)、布袋除塵器、低氮燃燒器、SCR脫硝工藝等方面，對其煙氣脫硫脫硝裝置進行節(jié)能減排改造。改造后實際運行效果顯著，排煙溫度降低了10～15℃，鍋爐熱效率提高0.2%，煙氣主要污染物全部實現(xiàn)達標(biāo)排放，取得了較好的環(huán)境保護效果。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；脫硫；脫硝；節(jié)能減排；環(huán)境保護

引言

隨著環(huán)保意識的整體提升和對可持續(xù)發(fā)展的追求，減少工業(yè)排放、尤其是減少燃煤熱電廠的有害氣體排放，已成為全球性的緊迫挑戰(zhàn)。我國由于依賴大量煤炭作為能源，使得熱電廠成為了大氣污染的主要來源之一。國家新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的實施，要求熱電廠采取有效措施，以達到更嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)。本研究以山西省某熱電廠的2臺410t/h燃煤鍋爐（8#、9#鍋爐）為例，進行了煙氣脫硫脫硝的節(jié)能減排改造實踐。改造后節(jié)能減排效果理想，該熱電廠成功實現(xiàn)了煙氣中主要污染物的達標(biāo)排放，顯著降低了排煙溫度，提高了鍋爐熱效率。同時，在全年的運行中還實現(xiàn)了大量氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和粉塵的減排，在環(huán)境保護方面取得了明顯成效。

1 工程概況

山西省某熱電廠有8#、9#共2臺410t/h

燃煤鍋爐（WGZ410/9.8-16型），每臺鍋爐

的煙氣排放裝置處理煙氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀況）為42×104m/h，鍋爐年運行時間為6000h。根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中NOx（以NO2計）、SO2、煙塵排放

標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)狀況）執(zhí)行100mg/m3、100mg/m3、

30mg/m3的規(guī)定，該熱電廠燃煤鍋爐煙氣排放時的NOx、SO2、煙塵均超標(biāo)，不符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)相關(guān)要求，對該熱電廠燃煤鍋爐煙氣排放裝置進行節(jié)能減排改造，脫硫系統(tǒng)主要設(shè)計采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置，脫硝系統(tǒng)主要設(shè)計采用低氮燃燒器+選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝[1]。

2方案選擇與流程制訂

2.1 方案選擇原則

針對某熱電廠鍋爐煙氣脫硫脫硝改造工程確定3條設(shè)計原則，即①確保煙氣（NOx、SO2、煙塵）達標(biāo)排放并滿足當(dāng)?shù)乜偭靠刂埔螅虎诖_保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行；③利用現(xiàn)有空間，減少一次性投資。

2.2 總體流程

石灰石-石膏煙氣脫硫系統(tǒng)→布袋除塵器→低氮燃燒器→SCR脫硝工藝→蜂窩式催化劑→省煤器→回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

3改造實踐

3.1 石灰石-石膏煙氣脫硫系統(tǒng)

根據(jù)項目可研報告中對脫硫工藝的對比分析，結(jié)合某熱電廠燃煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)及鍋爐煙氣排放SO2濃度數(shù)據(jù)[設(shè)計煤質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)狀況）2492.609mg/m3，校核煤質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)狀況）3476.489mg/m3]，可知干法或半干法脫硫技術(shù)無法滿足熱電廠老機組煙氣脫硫效率需達到97%以上的排放要求。因此，本項目選擇濕法煙氣脫硫技術(shù)，脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏煙氣脫硫裝置，脫硫效率按不小于97.12%設(shè)計。

濕法脫硫技術(shù)的特點是將整個脫硫系統(tǒng)置于煙道末端除塵器之后，脫硫過程在溶液中進行，反應(yīng)溫度低于露點，脫硫后煙氣經(jīng)過再加熱從煙囪排出。該技術(shù)具有反應(yīng)速度快、脫硫效率高、鈣利用率高等優(yōu)點。

脫硫系統(tǒng)包括石灰石漿液制備系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、石膏排空系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水及廢水系統(tǒng)等子系統(tǒng)，主要洗滌 SO2、SO3、HF、HCl等有害氣體。

本工程設(shè)置4層沖洗。在吸收塔液面上部加入新石灰石漿液，由吸收塔循環(huán)泵將漿液向上輸送至噴淋層，與石膏漿液混合；從高效霧化噴嘴噴出漿液形成很細的霧狀液滴，在塔內(nèi)達到高效充分的氣-液-固接觸，凈化煙氣流經(jīng)兩級屋脊式除霧器除去漿液微滴。

脫硫煙氣和漿液腐蝕易使設(shè)備產(chǎn)生磨損，還可導(dǎo)致除霧器局部塌陷、模塊脫落，因此在選擇脫硫設(shè)備材料時要考慮防腐耐磨性。鑒于此，本工程循環(huán)泵進口濾網(wǎng)、塔內(nèi)氧化空氣管道采用耐蝕合金，原煙道采用高溫玻璃鱗片，凈煙道采用低溫玻璃鱗片，吸收塔入口段煙道四周采用6mm碳鋼加貼附C276合金制作，吸收塔采用玻璃鱗片防腐工藝，漿液管線為丁基橡膠襯里。

本工程的脫硫系統(tǒng)中沒有設(shè)置GGH，杜絕了因GGH結(jié)垢堵塞而影響系統(tǒng)可靠性的情況。沒有設(shè)置增壓風(fēng)機，而是采用增壓風(fēng)機和引風(fēng)機合二為一的方案，既減少了故障點，又節(jié)省了成本[2]。

3.2 布袋除塵器

濕法脫硫塔雖有一定的除塵能力，但某熱電廠目前使用的靜電除塵器不能滿足30mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）排放，再結(jié)合本工程場地的實際情況，決定拆除現(xiàn)有的靜電除塵器，新建布袋除塵器。

布袋除塵器采用低壓在線脈沖清灰，多室組合形式，布置在鍋爐空氣預(yù)熱器與鍋爐引風(fēng)機之間，用于去除鍋爐煙氣中的粉塵。

脫硫系統(tǒng)入口SO2濃度為設(shè)計煤質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)狀況）2468mg/m3，校核煤質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)狀況）3466mg/m3。為確保任何煤質(zhì)條件下都能使SO2濃度在達標(biāo)范圍內(nèi)，本工程將校核煤質(zhì)作為脫硫系統(tǒng)的設(shè)計煤質(zhì)進行計算。整體參數(shù)設(shè)計中，除塵器出入口煙氣流速不大于8m/s，上升氣流速度小于1m/s，過濾風(fēng)速為0.85m/min，除塵器內(nèi)較低的煙氣風(fēng)速不僅降低了煙氣流速，還使得除塵器的過濾面積有了更大裕量，減少了噴吹的頻次，降低了煙氣對布袋的沖刷。系統(tǒng)最佳除塵效率≥99.97%，阻力≤1500Pa。

3.3 低氮燃燒器+SCR脫硝工藝

3.3.1 低氮燃燒器

基于對技術(shù)成熟、應(yīng)用較多、易于控制、靈活可靠、投資相對較低的考慮，某熱電廠8#、9#鍋爐的低氮燃燒改造采用復(fù)合型空氣分級技術(shù)（SOFA+CFS）進行。

SOFA技術(shù)通過優(yōu)化過量空氣系數(shù)，從源頭減少NOx的生成，使NOx排放濃度降低15%～30%。鍋爐飛灰含碳量與改造前持平，鍋爐汽溫汽壓和出力全部達到額定值。主燃區(qū)的二次風(fēng)系統(tǒng)采用復(fù)合型直流燃燒器，避免鍋爐水冷壁發(fā)生結(jié)渣和高溫腐蝕現(xiàn)象，使水冷壁得到有效保護，大大減少了由于熱負荷不均導(dǎo)致的超溫爆管事故[3]。

CFS是一種先進的燃燒技術(shù)，通過使部分二次風(fēng)氣流在水平方向分級，實現(xiàn)延遲空氣與煤粉混合的效果，從而有效減少NOx生成。一次風(fēng)帶煤粉的氣流被CFS技術(shù)下的二次風(fēng)氣流偏轉(zhuǎn)，在爐膛中央包圍起來形成富燃料區(qū)，燃燒區(qū)域及上部四周水冷壁附近形成富空氣區(qū)，這種空氣動力場的配置有助于優(yōu)化燃燒過程。由于空氣動力場的結(jié)構(gòu)影響，灰渣在水冷壁上的沉積減少，從而變得更加疏松，降低了墻式吹灰器的使用頻率，使維護成本和操作成本得以減少。上述裝置結(jié)構(gòu)減少了灰渣沉積，提高了下部爐膛吸熱量，有助于提升燃燒效率、降低水冷壁的高溫腐蝕率，有利于延長設(shè)備的使用壽命[4]。

某熱電廠8#、9#鍋爐采用SOFA+CFS技術(shù)在低氮燃燒改造中取得了顯著的節(jié)能減排效果，實現(xiàn)了NOx的大幅度降低，提升了鍋爐的運行效率和安全性。

3.3.2 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝是一種用于降低煙氣中NOx排放的環(huán)保技術(shù)，主要有2個步驟，即①在特定條件下，將還原劑（氨）注入到含有NOx的煙氣中；②使用特定的催化劑來促進氨與NOx的化學(xué)反應(yīng)，將有害的NOx轉(zhuǎn)化為無害的氮氣和水蒸氣。由于催化劑可有效降低反應(yīng)所需的活化能，因此該技術(shù)過程中的化學(xué)反應(yīng)可在較低溫度范圍內(nèi)（320～400℃）進行。實踐中將SCR反應(yīng)器安裝在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間（此區(qū)間的煙氣溫度剛好適合SCR脫硝還原反應(yīng)），再將氨噴射于省煤器與SCR反應(yīng)器間煙道內(nèi)的適當(dāng)位置，待氨與煙氣充分混合后在反應(yīng)器內(nèi)與NOx反應(yīng)，達到的脫硝效率為80%～90%。

本工程分別針對選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法和SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)進行了實踐。發(fā)現(xiàn)SNCR技術(shù)的脫硝效率僅為25%～35%，且運行中有許多不可控因素，可靠性和靈活性較差，氨逃逸率高，如果應(yīng)用于本工程中也只能將NOx濃度由510mg/m3降至約300mg/m3，不能滿足環(huán)保要求；SNCR+SCR聯(lián)合技術(shù)的脫硝效率約為65%，如果應(yīng)用于本工程中將無法滿足100mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的排放標(biāo)準(zhǔn)。

SCR脫硝工藝的應(yīng)用，再結(jié)合低氮燃燒器，為降低煙氣中NOx排放提供了可靠的技術(shù)路線，滿足了環(huán)保要求。因此，通過技術(shù)對比，本工程確定了“低氮燃燒器+SCR脫硝工藝”技術(shù)路線。

3.4 蜂窩式催化劑

某熱電廠8#、9#鍋爐煙氣的粉塵（標(biāo)準(zhǔn)狀況）約為54g/m3，符合中等灰分特點，在催化劑的使用上可選擇蜂窩式或板式。但考慮到8#、9#鍋爐為改造項目，場地狹小，選用板式催化劑占地較大，無法布置，因此選用蜂窩式催化劑。每臺鍋爐配置1套SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，采用高塵布置方式，SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器之間。從省煤器出口煙道處（320～400℃）引出的煙氣經(jīng)過噴氨格柵、靜態(tài)混合器后進入SCR裝置。SCR反應(yīng)器催化劑的布置采用2+1形式，避免因催化劑失效而影響脫硝效率。

3.5 省煤器

為使催化劑達到高效反應(yīng)，SCR脫硝設(shè)備需布置在320～400℃區(qū)域，而某熱電廠8#、9#鍋爐滿足該溫度的窗口區(qū)域布置了高溫段省煤器，且高溫段省煤器之前的溫度高達450℃，之后的溫度則低于300℃，因此只有減少省煤器占用空間，才能滿足SCR反應(yīng)器的布置和溫度要求。

3.6 回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器

由于鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，因此催化劑中的活性成分（釩）在催化降解NOx的同時，也會對SO2氧化起到一定的催化作用，將SO2氧化為三氧化硫（SO3），SO3則會與逃逸的氨生成硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種黏性很強的物質(zhì)，易沉淀在管式預(yù)熱器內(nèi)壁，促使煙氣中大量飛灰黏附在預(yù)熱器上，影響預(yù)熱器換熱效果，并增加阻力，影響鍋爐正常運行。管式空氣預(yù)熱器很難通過有效的工藝手段來改善低溫腐蝕，而且現(xiàn)有的管式空氣預(yù)熱器不能滿足與SCR反應(yīng)器出口煙道對接的空間要求。為了設(shè)置SCR反應(yīng)器，必須將管式空氣預(yù)熱器改為回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，煙氣出口溫度控制在135～140℃。改造后既可滿足SCR運行要求，又可降低排煙溫度，減少熱損失，提高鍋爐熱效率。

4 改造效果分析

某熱電廠8#、9#鍋爐煙氣脫硫脫硝改造后一次點火成功，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，裝置用能安全。鍋爐排煙溫度比改造前降低了10～15℃，熱效率提高了0.2%。鍋爐煙氣主要污染物全部實現(xiàn)達標(biāo)排放，NOx平均排放濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀況）70mg/m3，SO2平均排放濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀況）30mg/m3，煙塵平均排放濃度（標(biāo)準(zhǔn)狀況）18mg/m3。脫硝效率81%以上，脫硫效率97%以上，除塵效率99.95%以上。全年運行可減少NOx排放約3134t/a，減少SO2排放約10706t/a，減少粉塵排放約3742t/a。

結(jié)論

山西省某熱電廠對8#、9#鍋爐煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)的改造，經(jīng)過6個月實際運行檢驗，證明“脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)、脫硝裝置采用低氮燃燒器+SCR脫硝工藝”路線正確，設(shè)備運行狀態(tài)良好，煙氣中的主要污染物全部實現(xiàn)達標(biāo)排放，創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益和社會效益，為燃煤鍋爐的節(jié)能減排改造提供了有益借鑒。

參考文獻

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作者簡介

任志宏（1971—），男，漢族，山西孝義人，工程師，大學(xué)本科，主要從事環(huán)境工程與污染防治技術(shù)研究工作。