热电CFB锅炉烟气深度治理半干法技术路线的探讨

Posted 2023-01-12 烟气

篇首语：大道之行，天下为公。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了热电CFB锅炉烟气深度治理半干法技术路线的探讨相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

本文梳理了热电联产企业在选择应用湿法技术路线实施烟气深度治理时面临的困难和限制因素，分析了采用半干法路线实现热电CFB锅炉烟气特别限额排放的技术合理性，并进一步探讨了通过N+1模式实现烟气深度治理目标的可行性。
由于一些大型火力发电锅炉的超净排放\近零排放工程的投运示范效应，部分地区的环保部门对当地的热电联产企业的锅炉烟气污染物排放也提出了50355（NOx<50mg/Nm3,SO2<35mg/Nm3,尘<5mg/Nm3）或503510的烟气深度治理要求。针对热电企业的实际情况，如何选择合理、经济的技术路线是一个值得慎重评估的问题。
1、热电联产企业选择湿法技术路线实施烟气深度治理面临的困难和限制因素
1.1湿法技术路线是大型火电锅炉进行烟气深度治理的主流技术路线
本文所提及的湿法技术路线是特指：低氮燃烧+SCR+ESP\电袋\布袋+WFGD+WESP。其中WFGD（石灰石-石膏法烟气脱硫），在大型火电锅炉达到常规排放标准的脱硫工程中得到非常广泛的应用，在中小型热电锅炉也有众多应用，技术成熟，脱硫性能总体可靠。SCR（选择性催化还原脱硝）技术较为成熟，近几年已在大型火电锅炉中得到广泛的应用。脱硝性能总体可靠。WESP(湿式电除尘)是近1年多，伴随近零排放的提出，被迅速评估为能实现粉尘超低排放（<5mg/m3）的首选技术路线。
1.2热电锅炉无法简单复制大型火电烟气深度治理技术路线
首先，即使是对已投运的大型火力发电锅炉所选择的湿法烟气深度治理路线（低氮燃烧+SCR+ESP\电袋\布袋+WFGD+WESP），目前也还远远没有获得权威的专业的认可，相对较为集中的质疑有以下：投运案例运行时间大部分不足一年，污染物脱除效率、运行可靠性及潜在的运行风险有待持续验证；在线监测仪表的准确性从其采用的测试方式上尚未形成规范；湿法脱硫及湿电除尘废水处理面临更为严格的规范要求；湿式电除尘流派纷呈，流派的多样性实际上也说明该技术在应用上仍处于摸索完善的阶段。
其次，低氮燃烧+SCR+ESP\电袋\布袋+WFGD+WESP的技术路线绝大部分应用于大容量的煤粉锅炉，如果复制到热电锅炉存在以下不确定性：热电锅炉较为集中在75～220t/h容量等级，炉型也较大比例采用CFB炉型，热电锅炉的煤种质量的波动以及受到热电联产负荷的波动而导致烟气特性（烟气参数、飞灰特性）的变化频繁等，使得大火电锅炉的烟气深度治理路线应用在热电锅炉运行时，能否确保污染物脱除效率、可靠运行，以及是否会衍生特定的运行风险成为必须充分评估的因素。
1.3热电锅炉烟气深度治理改造实施条件相对苛刻
首先是场地条件，很多热电企业面临的实际情况是，建设初期根据当时的规划设定了锅炉台数及相应的场地范围的划定，但实际上随着多年的运营，因热负荷大都远超十多年前的预测，锅炉台数往往超过最初的设计，但新增锅炉也只能在已有的场地内紧凑布置。因此再需要进行烟气深度治理，对于需要较大场地占用的湿法路线难以具备实施条件。
其次，烟气深度治理技术路线能否与与现有的锅炉生产工艺、锅炉风机、烟囱等设备相匹配，也是热电企业有别于单元制配置的大型火电锅炉，例如热电企业通常是多台炉共用烟囱，如果选择的深度治理技术路线需要停用烟囱进行防腐施工，涉及多台锅炉的停运，是不具备实施条件的。
另外，热电企业承担了连续供热的任务，必须确保几十家甚至上百家热用户的正常生产、生活，涉及重大经济效益和社会稳定。因此，可能影响到供热可靠性比如需要长时间停炉进行改造的技术路线将很难被选择。
1.4投资和增量运行成本将显著增加热电企业运营的压力
热电企业与大型火电另外一个显著的差异是两者的总投资是最少十多倍的差距，而由于热电锅炉数量多，因此其烟气深度治理装置也必须配置多套，从而两者进行烟气深度治理所增加的投入的差距远小于主设备投资差距，工程实施后，热电企业的环保设施投入可能会占到总投资的30%以上（大型火电锅炉环保投入占比<10%)，将极大地增加热电企业的财务成本。另外，新增的深度治理设施的运行成本包括原物料的增加及能耗的增加，又将消耗热电企业正常经营利润的20%以上。
2、可以实现CFB锅炉烟气特别限额排放的半干法技术路线
2.1基于CFB锅炉的烟气治理半干法技术路线
本文所指半干法技术路线为：CFB锅炉+炉内喷钙脱硫+SNCR+烟气半干法脱硫+电袋\布袋除尘。该技术路线是适用于采用CFB炉型为前提条件的热电联产企业在实施烟气治理时的较优选择，该技术路线相对适应热电企业锅炉容量较小的实际情况和各种限制因素（场地、投资、工程实施）的实际情况，并具备实现烟气特别排放限额的性能。
以下对该技术路线进行简要说明：
CFB锅炉（循环流化床锅炉）：是公认的环保型锅炉，该炉型能燃烧劣质煤外，其最突出的是优势是污染物初始排放浓度远低于其他炉型。
SNCR脱硝：选择性非催化还原脱硝法，在旋风分离器入口烟道喷入氨水，将NOx还原为N2,从而实现烟气脱硝。
炉内喷钙脱硫+烟气半干法脱硫：炉内喷入石灰石粉，石灰石被煅烧为CaO，与烟气中SO2反应，脱除部分SO2。烟气进入炉后脱硫塔，在增湿降温的环境内与加入的消石灰反应，进一步脱除SO2。
电袋\布袋除尘：脱硫塔出来的干态烟气，通过电袋\布袋进行除尘。
2.2半干法技术路线的特点
①能够实现锅炉烟气特别限额排放：NOx<100mg/Nm3,SO2<50mg/Nm3,尘<20mg/Nm3。
②不存在湿法技术路线需要进一步处理的问题：烟囱“冒白汽”的视觉污染和“石膏雨”的二次污染，废水的二次污染，气溶胶排放等。
③该技术路线副产品为干燥粉状物，便于气力输送处理及利用。
④无须防腐，烟气温度控制高于露点20℃左右，烟道、烟囱均不会发生腐蚀问题。
⑤占地空间小，尤其适用于空间紧凑的已运行中的热电锅炉现场布置及改造实施。
⑥操作调节简单，运行工况稳定。脱硫、脱硝、除尘均能实现可靠的自动运行。
⑦新增或改造的成本低。
⑧运行成本低。
2.3基于CFB锅炉的半干法技术路线合理性分析
①半干法技术路线能够实现烟气特别排放限额的前置条件是基于CFB锅炉，在其他炉型上是无法做到的。
②脱硝：首先，由于CFB锅炉采用低温燃烧的方式，NOx初始浓度一般能够控制在300mg/Nm3，极大的降低了后续烟气脱硝的难度。据最新的信息，采用清华大学“流态重构”的CFB炉已实现初始NOx浓度<100mg/Nm3的案例。其次，CFB独特的旋风分离装置使得SNCR可以达到80%以上的脱硝效率：稳定的SNCR反应温度窗口、充分的烟气和脱硝剂混合流场、足够的反应时间，这在其他炉型上是无法具备的条件。
③脱硫：CFB锅炉的炉内燃烧温度被认为是炉内石灰石脱硫的最佳反应温度，温度过低或过高都将大大降低脱硫效率；循环返料装置可以实现脱硫剂的多次循环从而得到较为充分的利用。逃逸的脱硫剂在炉后脱硫塔内在增湿的条件下得到利用。半干法脱硫塔工艺经过多年的改进完善，事实上已具备90%以上的脱硫效率。另有实际数据证实，附着在布袋表面灰层中由于掺杂有前段工艺逃逸的脱硫剂，使得布袋除尘器也具备一定的脱硫效率。
④除尘：已有较多案例证实，电袋\布袋除尘在选择了合理的过滤烟速设计和适当的滤料的情况下，完全可以确保烟尘特别限额排放。有研究认为：半干法脱硫装置由于增湿、强烈的物料紊流及有效的烟气导流设置，实现细微颗粒的凝并，从而有助于通过布袋实现烟尘的特别限额排放。
3、通过N+1模式的半干法技术路线实现烟气深度治理目标的可行性探讨
3.1N+1模式的定义
N+1模式的定义：充分利用已有的环保设施(N）所具备的特别限额排放性能为基础（NOx<100mg/Nm3,SO2<50mg/Nm3,尘<20mg/Nm3），采取一些改造措施或新增设施（统称为+1），提升相关污染物的脱除效率，进而达到烟气深度治理目标（NOx<50mg/Nm3,SO2<35mg/Nm3,尘<5mg/Nm3）。
3.2N+1模式的合理性
①保留已有的环保设施，是对前期的环保投入的节约，减少采取推到重来的巨大再投入。
②特别排放限额升级到烟气深度治理目标限额，三个主要污染物的指标差距已经不大，进一步挖掘现有设施的潜力、提升效率显然比推到重来采用其他技术路线更为合理，即使需新增设施，其所需的绝对处理能力压力也要低很多。
③可以充分保留干法处理路线的优点（但+1途径中增加湿电除外）。
④新增场地占用较少。
⑤施工难度相对较小。
⑥施工周期较短。
⑦新增运行成本较低。
3.3+1的几种可行性方法
①CFB锅炉的低氮燃烧改造，实现初始NOx生成浓度的降低，以下2种方法均已有实际案例，取得了良好效果：引风机出口净烟气回送一次风机入口；燃烧系统改造（包括返料、布风板风帽、二次风），可将初始NOx浓度由300mg/Nm3降至200mg/Nm3以下甚至150mg/Nm3。
②SNCR系统的性能提升：增加喷枪的点数，优化布点位置的调整，确保SNCR的效率能稳定在80%以上。
③增加单层SCR，实现SNCR+SCR耦合高温脱硝。
④在半干法脱硫塔内添加某种强氧化剂进行低温脱硝。
⑤炉内脱硫性能的提升：优化炉内石灰石喷射方式及加入点，自设石灰石制粉系统以保证最佳的脱硫剂粒径控制等。
⑥半干法脱硫塔的增效改造，实现更稳定的塔差压控制、更低的出口烟温控制、更长的反应时间及更高的气固相对滑落速度等等，提升脱硫塔的脱硫效率。
⑦布袋除尘增效改造：增大过滤面积、取消烟气旁路、采用更优过滤性能的滤料包括超细纤维PPS\PTFE、PPS\PTFE覆膜滤料、P84玻纤覆膜滤料等。
⑧新增锅炉脉冲等离子烟气净化一体化系统，对已达到特别限额排放的烟气进行SO2、NOx、尘的深度脱除，并具备PM2.5、汞的脱除能力。
⑨新增湿式电除尘，对SO2、粉尘进行深度脱除。
以上所列+1的几种可行性方法，可根据具体情况选择实施。其中，选择①～⑧方法的，将保持原半干法技术路线的全部优点。如选择方法⑨，亦可保留前段半干法系统所具备的优点，但需新增烟道及烟囱的防腐。
4、小结
热电联产企业选择湿法技术路线实施烟气深度治理时存在其特殊的困难、限制因素及其他不确定性风险。基于CFB锅炉应用的前提条件下，选择半干法技术路线实现烟气特别限额排放及烟气深度治理排放是合理的和可行的。