生物质发电烟气超低排放系统研究.pdf

2023.7 下 EPEM 225节能减排Energy Saving生物质发电烟气超低排放系统研究上海电气电站环保工程有限公司 李 燕 赵 丹摘要：在火力发电行业大力推行烟气超低排放的大背景下，生物质直燃锅炉的烟气超低排放一直是大气环保领域内的一大难点，本文通过对生物质电厂烟气特点分析，采用了先脱硫除尘工艺，再中温脱硝的工艺，最终实现烟气超低排放目标。该工艺技术已在国内某生物质电厂案例中得到验证，获得优于超低排放标准的目标效果。关键词：生物质电厂；超低排放；脱硝；脱硫除尘随着国家工业化进程的加快，污染问题持续加剧，环保管控日趋严格。目前，国内火力发电厂已着力推行烟气超低排放，但在生物质电厂中烟气超低排放受到较大阻力。主要原因在于生物质锅炉燃烧特点及燃料特性，导致烟气中存在的高钠、钾碱金属（高达8%以上）导致催化剂中毒1，脱硝系统难以正常运行。针对高温高尘脱硝系统受碱金属影响难以正常运行的情况，本文提出了针对生物质锅炉烟气采用先脱硫除尘，再中低温脱硝的工艺路线，除尘过程中钠钾类碱金属以固态形式被捕获收集，避开了对后续脱硝催化剂的影响。该工艺技术已在国内某1130t/h 生物质热电厂中进行示范建设和投运，获得极大成功，为生物质发电厂的烟气超低排放系统设计提供了切实可行的指导和参考，具有重要意义。1 生物质电厂的烟气超低排放标准根据2015年12月11日，环保部、发改委和能源局联合制定了全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案，文件要求火力发电厂应分阶段全面实现烟气超低排放要求（即折算 O26%条件下，烟 尘、SO2、NOx 排 放 浓 度 分 别 不 高 于10、35、50mg/Nm)。我国部分地区现行生物质锅炉排放标准见表12。表1 部分地区现行生物质锅炉排放标准地区颗粒物mg/m3二氧化硫mg/m3氮氧化物mg/m3国家3080200550200550山东（2020年前）20200300山东（2020年后）5203510050200北京510102030150上海10201010050100天津2030150吉林3030250河北103580广东20303050150200陕西20601502 生物质发电烟气超低排放系统研究2.1 生物质烟气污染物特点及烟气参数生物质锅炉烟气污染物特点：水分含量高，季节性波动大；烟尘中钠、钾类碱金属高；受燃料变化影响 SO2、NOx 浓度相对较低但波动很大；灰分质轻，易带火星3。表2 锅炉出口烟气组分烟气成分体积比（%）co211.06So20.0203n263.85ar0.75o24.15H2o20.17本文以国内某1130t/h 生物质热电厂的烟气净化系统为例，烟气量197320Nm/h（湿基），烟226 EPEM 2023.7 下节能减排Energy Saving气温度134，烟气成分见表2，污染物浓度见表3。表3 锅炉出口污染物浓度污染物名称标干态，6%o2（mg/nm）粉尘10000So2300nox300（Sncr 投运前）2.2 生物质电厂的烟气超低排放路线2.2.1工艺路线在工艺路线的选择上，针对生物质焚烧烟气中灰分质轻，易携带未燃尽火星，飞灰中钠、钾元素含量高易导致催化剂中毒等特点分析。案例项目采用了旋风一级除尘对大颗粒灰和未燃尽火星去除，再通过（半）干式脱酸工艺进行脱硫和布袋除尘。通过布袋除尘器对干法脱硫产物、烟气粉尘进行收集的同时，烟尘中的钠、钾碱金属（固态形式）也一并被脱除，从而保证了后续脱硝系统中催化剂长期稳定运行的条件。烟气经脱硫除尘后，SO2、粉尘达到超低排放标准，再经 GGH 进行升温，利用排烟余热一次加热烟气，再通过 SGH 蒸汽进一步加热达到烟气脱硝温度。经过脱硝系统后烟气中 NOx、SO2、粉尘含量均达到烟气超低排放限值规定，经烟囱排放。上述烟气工艺路线实际应用案例。国内某1130t/h 生物质热电联产电厂烟气净化工艺路线为：炉内 SNCR 炉后旋风除尘器（半）干法脱硫系统布袋除尘器 GGH SGH SCR 脱硝（中温）GGH 引风机烟囱。脱硫除尘系统。在脱硫除尘系统设计上，采用旋风除尘器+循环流化床半干法脱硫系统+高效袋式除尘器。通过前端的旋风除尘器，一方面脱除烟气中的大颗粒烟尘，同时避免将未完全燃烧的燃料火星带入后端布袋除尘器导致布袋受损。旋风除尘后设置半干法脱酸塔，采用下进上出形式，入口喷入脱硫吸收剂，通过塔下部的文丘里管对吸收剂形成加速，在塔的中上部位置形成反应床，在床层内吸收剂与烟气因剧烈碰撞从而击碎脱硫剂和反应产物颗粒，保证了吸收剂与烟气的接触面积，达到最佳的脱硫效果。在脱硫塔上部出口，脱硫反应产物随烟气流进入布袋除尘器，通过外滤式布袋收集烟气中的粉尘和脱硫产物。除尘器收集灰中仍含有一部分未充分反应的脱硫剂，为了能提高脱硫剂使用效率，降低物料运行成本，该项目设置了灰循环系统，通过灰槽将收集灰送入脱硫塔下部位置循环回用，提高了脱硫剂利用率。在完成脱硫除尘后，烟气中的硫氧化物和钠、钾等碱金属也被除尘器收集排除，避免了其对脱硝催化剂的中毒影响。脱硝系统设计。生物质燃料中含有大量的钠、钾类碱金属，燃烧时燃料碱金属可在炉膛内形成强还原性气氛，从而减少 NOx 的总生成量，也因此生物质锅炉尾部的 NOx 原始浓度通常会低于其他燃料燃烧时所产生的 NOx 浓度。但同时碱金属也会在烟气中以气固形态随烟气进入尾部烟气系统，当气固态的碱金属随烟气进入脱硝催化剂时，会迅速与催化剂中的 V2O5进行结合反应，导致催化剂不可逆转地中毒失活。因此对生物质烟气脱硝不宜采用锅炉尾部的高温高尘布置形式。在本项目系统研究中，笔者采用了 SNCR+中低温 SCR 的脱硝耦合系统。SNCR 采用向炉内喷尿素还原剂，在9501050条件下可使烟气中的 NOx分解为无害的 N2及 H2O，脱硝效率为50%60%，锅炉尾部排放 NOx 可达到小于150mg/Nm。如锅炉配合设计烟气再循环工艺，则锅炉尾部的 NOx 排放还可进一步降低至120mg/Nm 以下，满足部分地方标准要求。对于大气排放要求较高的地区，如要求达到超低排放限值50mg/Nm 以下的电厂，则需要在布袋除尘器后进一步设置中低温 SCR 系统，以满足氮氧化物的深度脱除要求。尾部的中低温SCR 脱硝需要设置烟气旁路，可保证脱硝催化剂的定期更换检修，同时也可在锅炉尾部 NOx 排放达标情况下停止 SCR 系统，从而优化图1 生物质电厂烟气超低排放工艺路线2023.7 下 EPEM 227节能减排Energy Saving整体运行，节省能源消耗量。在中低温 SCR 的选择上，根据催化剂的活性温度区间，通常有中温 SCR 和低温 SCR 的区别，中温催化剂最佳运行温度为230，低温催化剂的最佳运行温度则为1804，考虑系统整体工艺路线，SCR系统布置于布袋除尘器下游，除尘器出口正常运行烟气温度为90125，因此必须通过烟气升温加热来达到脱硝所需要的反应温度。本项目采用两段烟气升温：第一段通过烟气换热器（GGH）回收利用系统尾部烟气余热来加热入口烟气；第二段通过蒸汽烟气换热器（SGH）进一步升温达到 SCR 脱硝温度需求。针对中温和低温 SCR 的选择方面，本文结合案例项目的烟气数据、催化剂特点、性能和寿命、设备投资成本、设备尺寸安装等因素进行了综合分析研究，对比数据如下。小结：采用低温 SCR 工艺，设备投资成本低、蒸汽运行费用低，但是催化剂用量大，成本高，因硫酸氢氨（ABS）中毒导致脱硝可靠性较差；采用中温 SCR 工艺，设备投资略高，蒸汽运行费用高，但中温催化剂成本低，可靠性高，脱硝效率高；目前中、低温 SCR 工艺在市场应用中已较为成熟，技术各有优劣，用户可根据实际需求参考选择。表4 对比数据表名称低温 Scr中温 Scr备注脱硝温度，180230-GGH 冷侧入口温度，125125正常运行工况GGH 冷侧出口温度，150192-GGH 热侧进口温度，178228-GGH 热侧出口温度，152160-GGH 换热面积，m23179.48086-GGH 阻力，pa588828-SGH 进口（烟气）,150192-SGH 出口（烟气），180230-SGH 蒸汽温度，310317蒸汽压力：4mpaSGH 冷凝水温度，204.3250.0-SGH 换热面积，m2550792.6-SGH 烟气阻力，pa376241-蒸汽消耗量，t/h4.155.81-主要设备投资注1，万元251355注1蒸汽运行费用注2，万元/a631883运行8000h/a催化剂寿命周期成本，万元/a3825.5按寿命3年折算注1：含 GGH、SGH、国产一流品牌中、低温催化剂投资计注2：蒸汽折算运行费用，按照每吨蒸汽折价190元计2.2.2应用案例该生物质发电超低排放系统在本公司承接的某生物电厂中得以实际应用。脱硝系统采用了中温 SCR，使用国产某品牌催化剂，烟气污染物排放参数优于行业超低排放标准，达到 NOx 35mg/Nm，SOx 25mg/Nm，烟尘5mg/Nm 的优良标准，实现了“稳定超低排放”的烟气净化目标。图2 烟气超低排放系统 cemS 实时监测情况图3 脱硫除尘系统运行画面图4 Scr 系统运行画面本文通过对生物质电厂燃料及烟气特点分析研究，提出了先脱硫除尘再脱硝的烟气超低排放工艺，并通过系统分析论证，运行案例佐证的方式，证明了该烟气工艺路线在生物质电厂烟气超低排放治理中切实可行，为国内外生物质电厂的烟气超低排放治理提供了一套行之有效的烟气治理方案参考。本文提供了中低温 SCR 系统中主要设备投资、运行成本的相关数据，可供同业单位参考。参考文献1 孙洪波,工业脱硝催化剂的碱金属中毒和再生研究进展 J.广东化工.2016,19.2 喻兵,生物质锅炉尾气超低排放技术 J.价值工程.2019,10.3 高劲豪,张幼安,等,生物质锅炉烟气脱硫脱硝技术方案选择 J.硫酸工业,2017,8.4李萍,李长明,等.低温烟气脱硝催化剂适用条件与动力学J.化工学报,2019,8.