生物質(zhì)層燃鍋爐煙氣治理技術(shù)探討與應(yīng)用

  2024-04-17         0次

0  前言

我國目前的鍋爐主要以燒煤為主，隨著國家政策對(duì)節(jié)能環(huán)保要求不斷嚴(yán)格背景下，尤其是中大型城市開始限制燃煤鍋爐的建設(shè)，鍋爐的燃料往潔凈能源方面發(fā)展。我國有豐富的生物質(zhì)資源，特別農(nóng)村農(nóng)林剩余物未很好利用的比重很大，這些農(nóng)林剩余物成為鍋爐燃料使用對(duì)環(huán)境是很好保護(hù)，且現(xiàn)在農(nóng)林剩余物直接焚燒國家明令禁止的，生物質(zhì)作為可再生資源，它的生長時(shí)需要的二氧化碳相當(dāng)于它排放的量，對(duì)大氣的二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減輕溫室效應(yīng)^[1]。因此，研究開發(fā)生物質(zhì)層燃鍋爐燃燒技術(shù)，開發(fā)生物質(zhì)燃料層燃鍋爐，對(duì)節(jié)能減排、優(yōu)化我國能源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)境污染有積極意義。

1  生物質(zhì)燃料的特點(diǎn)

（1）燃料種類繁多

生物質(zhì)燃料一般有樹皮、木片、薪材、稻草、秸稈、玉米稈、麥稈、木屑、建筑模版等。由于它們所含的水分、各種元素成分不一樣，所以熱值也不一樣，且差距較大。各種生物質(zhì)燃料因其季節(jié)性因素的制約，單種生物質(zhì)燃料很難滿足鍋爐正常運(yùn)行的需求，所以大部分生物質(zhì)鍋爐均采取多種生物質(zhì)燃料混合燃燒的措施。

（2）雜質(zhì)較多

生物質(zhì)燃料在其收集的過程中，由于燃料來源廣泛且較為分散，燃料的品質(zhì)很難保證，因此燃料中會(huì)摻有泥土、細(xì)沙、工業(yè)膠水、油漆、鐵釘及鐵塊等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)進(jìn)入爐膛燃燒會(huì)造成爐排和爐膛的局部結(jié)焦以及尾部堵塞等現(xiàn)象。

（3）燃料水分高

生物質(zhì)燃料因原料來源不穩(wěn)定且燃料種類繁多，燃料混合后水分在25-45%范圍，燃料中的水分偏大，熱值不高。生物質(zhì)燃料入爐后因水分高不易著火，需一定時(shí)間的預(yù)熱，降低了爐膛的溫度和增加了尾部排煙損失，降低鍋爐效率。    

（4）堿金屬含量高，燃料尺寸多樣化

生物質(zhì)燃料因植物在生長過程攜帶鉀、鈉、氯等微量元素，灰分中堿金屬含量高，易導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣、積灰和腐蝕的現(xiàn)象出現(xiàn)。燃料的尺寸多樣，很難與給料系統(tǒng)匹配，易出現(xiàn)料倉搭橋、堵塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致給料系統(tǒng)無法正常使用。

2  層燃鍋爐特點(diǎn)

   燃料由給料設(shè)備從料倉輸送到爐膛的爐排上，形成一定厚度的燃料層，燃料燃燒過程中離不開燃料層，且燃燒所需的空氣大部分均由爐排下部送入，經(jīng)過爐排的間隙進(jìn)入燃料層，燃燒過程是沿著燃料層厚度自上而下依次經(jīng)歷熱力準(zhǔn)備層、干燥層、還原層、氧化層和灰渣層，上述燃燒方式的鍋爐稱為層燃鍋爐。層燃爐按照爐排形式的不同分為：固定爐排爐、鏈條爐排爐、振動(dòng)爐排爐及往復(fù)爐排爐等，每一種燃燒設(shè)備都有其特定的優(yōu)缺點(diǎn)且適合于不同的燃料屬性。層燃方式是生物質(zhì)直接燃燒中最為常用的方式，此燃燒方式的主要特點(diǎn)有：

（1）燃料粒徑要求低

流化床鍋爐、室燃鍋爐的燃燒要求對(duì)入爐燃料的粒徑均比層燃爐高很多，層燃爐基本上滿足給料設(shè)備情況下，均能入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。生物質(zhì)層燃爐燃料粒徑尺寸，主要是考慮燃料粒徑尺寸與輸送設(shè)備能吻合，只要物料輸送時(shí)不會(huì)出現(xiàn)料倉搭橋、堵塞及給料設(shè)備卡殼等現(xiàn)象，鍋爐即能正常運(yùn)行。

（2）建設(shè)成本與運(yùn)行成本低

層燃鍋爐結(jié)構(gòu)簡單，可組裝出廠，現(xiàn)場安裝工期短；輔機(jī)設(shè)備簡單且要求低，對(duì)鍋爐房的建造要求很低。另外由于對(duì)輔機(jī)設(shè)備的要求低，輔機(jī)數(shù)量少，因此整體運(yùn)行成本低于其他類型鍋爐。    

（3）層燃的燃燒方式燃料與空氣接觸不充分，燃燒速度相對(duì)較慢。鍋爐運(yùn)行的過量空氣系數(shù)、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失大于室燃、流化床的燃燒方式，層燃類的鍋爐熱效率會(huì)比室燃、流化床的鍋爐低一些^[2]。

由于生物質(zhì)本身低硫、低氮的特性，生物質(zhì)鍋爐煙氣中 SO₂、 NO_X原始濃度較低，一般都在 180~300mg/Nm³之間。鍋爐的脫硫、脫硝可根據(jù)各地區(qū)對(duì)排放要求不同來選取合適的工藝路線，綜合考慮項(xiàng)目投資、工程占地、系統(tǒng)復(fù)雜性、施工難易度、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等因素。

3  脫硫、脫硝技術(shù)工藝的選擇

3.1 脫硫技術(shù)工藝

（1）爐內(nèi)脫硫

爐內(nèi)脫硫技術(shù)是以鈣基為脫硫劑，投入爐內(nèi)與SO₂進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終生成硫酸鈣，化學(xué)反應(yīng)式為：

CaCO₃ - CaO+CO_２（煅燒反應(yīng)）

CaO＋SO₂＋1/2 O₂ - CaSO₄（固硫反應(yīng) ）

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫效率一般能達(dá)到60%-70%，生物質(zhì)層燃爐爐內(nèi)噴鈣（氧化鈣為脫硫劑）脫硫效率會(huì)比循環(huán)流化床更低，約在30%-40%左右。

（2）爐后干法脫硫

爐后干法脫硫可采用鈣基脫硫劑（熟石灰粉）或鈉基脫硫劑（碳酸氫鈉）噴射，在鍋爐尾部末級(jí)受熱面后和布袋除塵器入口煙氣管道增加噴射口，使脫硫劑粉末與煙氣中的 SO₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：

鈣基脫硫劑：Ca(OH)₂+SO₂→CaSO₃+H₂O，    

鈉基脫硫劑： 2NaHCO₃ = Na₂CO₃+H₂O(g)+CO₂

SO₂+Na₂CO₃+1/2 O₂ = Na₂SO₄+CO₂

爐后脫硫的效率不低于70%，爐后干法脫硫與爐內(nèi)脫硫的主體設(shè)備基本一致，因此投資和運(yùn)行費(fèi)用都較低。鈉基脫硫的效率整體比鈣基脫硫的效率高，但是運(yùn)行成本后者比前者更低。爐后干法脫硫?qū)γ摿騾^(qū)域的煙氣溫度有一定要求，特別是鈉基脫硫?qū)γ摿騾^(qū)域反應(yīng)溫度不能低于120℃，且這種類型飛灰因含有硫化物，對(duì)于想把尾部飛灰用于制作肥料，會(huì)對(duì)其品質(zhì)有一定的影響。

（3）爐后半干法脫硫

爐后半干法脫硫最常用的工藝為旋轉(zhuǎn)噴霧半干法，旋轉(zhuǎn)霧化反應(yīng)系統(tǒng)由噴霧反應(yīng)塔、石灰漿制備系統(tǒng)組成。石灰制備系統(tǒng)將生石灰（CaO）制備成一定濃度的 Ca(OH)₂ 漿液，該漿液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)霧化器噴入半干式反應(yīng)塔中，形成極小的霧滴。煙氣與石灰漿液霧滴充分接觸反應(yīng)去除 SO₂氣體。在反應(yīng)塔中高溫?zé)煔馐轨F滴的水份蒸發(fā)，迅速使煙氣溫度降至適合于石灰漿液與酸性氣體反應(yīng)的溫度，并最終使反應(yīng)生成物干燥成為固體粒狀物。部分粗顆粒在反應(yīng)塔中除下，大部分微粒和未完全反應(yīng)的吸收劑隨煙氣進(jìn)入下游的袋式除塵器。

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法的脫硫效率大于80%，同時(shí)反應(yīng)塔出口的煙氣溫度仍高于煙氣的露點(diǎn)溫度，布袋除塵器和煙囪無需做防腐。半干法脫硫工藝的缺點(diǎn)是：設(shè)備投資成本高、占地面積大、反應(yīng)副產(chǎn)物需另行處理。因此該方法適用于燃料特殊，外排煙氣中 SO₂ 濃度高且排煙要求嚴(yán)格的生物質(zhì)鍋爐區(qū)域。

（4）爐后濕法脫硫

爐后濕法脫硫采用石灰石漿液或者堿性溶液與煙氣接觸，去除煙氣中的酸性氣體，同時(shí)將反應(yīng)后的物質(zhì)通過物理和化學(xué)過程變成副產(chǎn)物，主要的設(shè)備有濕式反應(yīng)塔、循環(huán)漿液泵、副產(chǎn)物制備系統(tǒng)。    

濕法脫硫的脫硫效率大于85%，適用于較高濃度的煙氣脫硫場合。濕法脫硫工藝的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，幾乎所有設(shè)備都需防腐，投資成本高，占地面積大。排煙溫度低于煙氣露點(diǎn)溫度，煙囪需做防腐^[3]及有些區(qū)域需要對(duì)煙氣進(jìn)行脫白后才能排入大氣中。

3.2 脫硝技術(shù)工藝

（1）SNCR脫硝

在爐膛 800~1100℃這一溫度范圍內(nèi)、在無催化劑作用下，NH₃或尿素等氨基還原劑可在有氧的氣情況下、選擇性地還原煙氣中的NOx，據(jù)此發(fā)展了SNCR 法。主要反應(yīng)為：

2NO+CO(NH₂)₂+1/2 O₂→2N₂+CO₂+2H₂O（尿素為還原劑）

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O（氨或氨水為還原劑）

SNCR脫硝系統(tǒng)簡單，脫硝效率一般為 40%~60%^[4][5]，受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響大，技術(shù)成熟可靠。

優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟、投資和占地均較??；

缺點(diǎn)：反應(yīng)效率受爐內(nèi)溫度制約。

（2）SCR脫硝

SCR 脫硝技術(shù)是指在催化劑的存在下，還原劑（氨水或尿素）與煙氣中的 NOx 反應(yīng)生成無害的氮和水，從而去除煙氣中的NOx。SCR系統(tǒng)的脫硝效率在80%~90%之間，SCR催化劑選用根據(jù)布置區(qū)域溫度和含塵量進(jìn)行選配。特別對(duì)于堿金屬比較多生物質(zhì)鍋爐，需考慮催化劑中毒現(xiàn)象和使用周期。

3.3 脫硫脫硝技術(shù)工藝選擇    

生物質(zhì)本身的特點(diǎn)低硫、低氮的特性，對(duì)鍋爐的脫硝、脫硫的要求相對(duì)來說都不太高。因此對(duì)生物質(zhì)鍋爐項(xiàng)目的脫硫、脫硝方案，根據(jù)原始排放和當(dāng)?shù)氐呐欧乓筮M(jìn)行方案選擇，脫硫優(yōu)先考慮爐后干法脫硫工藝，脫硝方面優(yōu)先選用SNCR脫硝工藝。

4  項(xiàng)目案例分析

4.1 鍋爐概況

某生物質(zhì)電廠投建一臺(tái)鍋爐型號(hào)為SZL20-1.4/320-S的備用供熱鍋爐，鍋爐為水管組合循環(huán)爐，雙鍋筒縱置式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、鏈條爐排鍋爐。鍋爐由鍋爐主機(jī)、生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)、燃燒配風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣儀表及DCS電控系統(tǒng)、SNCR脫硝及尾部干法脫硫系統(tǒng)（鈉基脫硫劑）等主要系統(tǒng)所組成。爐膛采用二次風(fēng)燃燒技術(shù)并配備多個(gè)防爆門防止?fàn)t膛爆燃，進(jìn)料采用三點(diǎn)給料方式，確保平穩(wěn)正常連續(xù)給料。

4.2 燃料概況

鍋爐設(shè)計(jì)燃料為生物質(zhì)散料：薪材、邊角料、木塊、模板、樹皮、竹節(jié)、刨花、鋸末及園林廢棄物等為原料破碎后混合等。燃料粒度尺寸：粉末及片狀（最佳尺寸為50-100mm）。設(shè)計(jì)燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)表（收到基）如下：    

4.3 鍋爐脫硫、脫硝運(yùn)行工況

本工程的20t供熱鍋爐由于運(yùn)行負(fù)荷根據(jù)外網(wǎng)對(duì)供熱需要進(jìn)行調(diào)整，鍋爐負(fù)荷、生物質(zhì)燃料的波動(dòng)性，鍋爐運(yùn)行時(shí)煙氣量為20,000-40,000 Nm³/h范圍，NOx原始排放濃度為180-240 mg/Nm³、SO2原始排放濃度為80-200 mg/Nm³?，F(xiàn)該區(qū)域要求NOx、SO2的最終排放濃度必須小于等于150 mg/Nm³。

本工程采用爐內(nèi)干尿素進(jìn)行爐內(nèi)脫硝，爐后采用鈉基（碳酸氫鈉）干法脫硫工藝，設(shè)備在考慮運(yùn)行成本等因素NOx的最終排放濃度為100-130mg/Nm³，SO2的最終排放濃度為80-100 mg/Nm³。鍋爐選配的脫硝、脫硫技術(shù)工藝均能滿足企業(yè)環(huán)保排放的標(biāo)準(zhǔn)。

5  總結(jié)與改進(jìn)    

通過對(duì)生物質(zhì)燃料特點(diǎn)、層燃生物質(zhì)鍋爐的特點(diǎn)介紹，對(duì)脫硫、脫硝工藝的技術(shù)說明，再結(jié)合我司SZL20-1.4/320-S的備用供熱鍋爐的工程案例及運(yùn)行的情況，總結(jié)生物質(zhì)層燃鍋爐的脫硫、脫硝工藝和運(yùn)行方面的經(jīng)驗(yàn)，供以后該類型鍋爐的同行參考。

（1）生物質(zhì)層燃鍋爐爐膛溫度一般在800-850℃范圍，NOx原始排放濃度一般低于200 mg/Nm³情況下，脫硝選擇爐內(nèi)SNCR脫硝工藝，還原劑選擇干尿素或者尿素溶液。

（2）SO2原始排放濃度一般低于200 mg/Nm³情況下，脫硫根據(jù)環(huán)保排放要求，脫硫效率在不低于40%可滿足排放的情況下可選擇采用爐內(nèi)脫硫。脫硫劑采用氧化鈣，通過爐膛內(nèi)部噴射方式與煙氣SO2混合反應(yīng)達(dá)到脫硫效果。對(duì)環(huán)保要求脫硫效率高于50%的情況下脫硫工藝需采用爐后干法脫硫，鈣基和鈉基脫硫劑根據(jù)環(huán)保排放要求選取，在同等條件鈉基脫硫比鈣基脫硫的效率會(huì)更高。

（3）為了降低NOx原始排放濃度，建議層燃爐運(yùn)行時(shí)需把爐膛出口的氧含量控制在6%-8%范圍，這樣能有效降低NOx原始排放濃度，降低脫硝運(yùn)行成本。

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