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浅谈采用超低排放技术治理工业燃煤锅炉系统烟气
摘要：基于当前严峻的环保形势，以洛阳某单位35t工业蒸汽燃煤锅炉脱除系统改造项目为研究对象，对采用超低排放技术治理工业燃煤锅炉系统烟气的精准性及可行性进行了探讨。
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工业燃煤锅炉是重要的热能动力设备，是工业发展的基础。随着人们环保意识的逐渐增强，环保形势的日益严峻，工业燃煤锅炉的烟气排放指标也日益严苛。本文以洛阳某单位35t工业蒸汽燃煤锅炉脱除系统改造项目为研究对象，论述超低排放技术在工业燃煤锅炉系统烟气治理中运用的正确性和可靠性。
1、建设方案
1.1 改造的总体目标
1.1.1 总体要求
系统改造后满足烟尘排放浓度小于5mg/Nm3,二氧化硫排放浓度小于35mg/Nm3，氮氧化物小于50mg/Nm³环保指标要求。
1.1.2 设计参数
处理烟气量：75000～100000m3/h(35t锅炉)。锅炉排烟温度：130～180℃。烟尘初始浓度：小于等于1600mg/Nm3；排放浓度：小于5mg/Nm3。二氧化硫初始浓度：小于等于800mg/Nm3；排放浓度：小于35mg/Nm3。氮氧化物初始浓度：小于等于300mg/Nm3；排放浓度：小于50mg/Nm3。煤质：产地榆林；灰份≤9%；硫份≤0.4%；低位发热量约5700kcal/kg。
1.2 改造的总体规划方案
脱除系统工艺流程如图1所示。
锅炉烟气首先经过陶瓷多管旋风除尘器除掉5μm以上的灰尘，然后烟气经过臭氧脱硝、预除尘、脱硫、除尘、湿电除尘后通过烟囱排入大气，经过陶瓷多管旋风除尘器除下的灰尘经湿式刮板出灰机直接运送至渣场，以降低除尘循环水中灰尘浓度，提高湿法除尘效率。
图1脱除系统工艺流程图
1.3 系统说明
1.3.1 陶瓷多管旋风除尘器
陶瓷多管旋风除尘器是在重力离心力作用下去除锅炉烟气中5μm以上的大颗粒灰尘，减轻后部湿法除尘器压力，同时减少大沉淀池灰尘量，提高沉淀效果。
1.3.2 臭氧脱硝系统
臭氧脱硝技术，就是在锅炉出口和脱硫洗涤塔前适合位置，根据气相混合的动力学原理，在烟气适应处利用臭氧投加装置在烟道中均匀喷入臭氧，保证喷入后臭氧与烟气中氮氧化物充分接触混合，氧化剂在烟道中迅速分解，与烟气中的NOx反应生成NO2、N2O5和O2，而基本不与烟气中的二氧化硫发生作用的技术。被氧化后的氮氧化物利用脱硫吸收塔，通过调整吸收液的喷淋量及浓度在塔内被吸收剂同时吸收去除。
臭氧脱硝技术具有以下优点：臭氧脱硝系统的建设为一次性投资，在脱硝过程中不使用催化剂，不存在增加系统的压力损失等其他烟气脱硝技术引起的弊端；臭氧脱硝系统的设备占地面积小；臭氧脱硝工艺的整个氧化过程都在烟道内部进行，不需要另外设立反应器；臭氧脱硝工艺简单，施工时间短；臭氧脱硝技术不需要对锅炉燃烧设备和受热面进行改动，不需要改变锅炉的常规运行方式，对锅炉的主要运行参数影响很小。此工艺系统主要由臭氧制备区、臭氧投加均布区、接触氧化区、喷淋吸收区(利用脱硫系统)组成。
1.3.3 湿法除尘器
湿法除尘是使烟气与水密切接触，将污染物从烟气中分离出来。它既能净化烟气中的固体颗粒污染物，也能脱除气态污染物，同时还能起到降温作用。湿法除尘器下部为喷淋除尘区，上部为脱水区，底部设置均气格栅，除尘水以液雾的形式自上而下喷出，与由下而上进入塔内的烟气逆向接触，气流与除尘水充分混合、接触，含水烟尘在重力的作用下沉降到塔底，脱水区必须有一定高度，确保除尘后烟气含水量小，除尘器除尘效率≥95%。预除尘器和除尘器分别布置在脱硫塔前后，互为补充，确保湿式静电除尘器进口烟尘浓度小于50mg/Nm3，从而保证系统最终烟尘排放浓度小于5mg/Nm3。
1.3.4 湿法脱硫系统
系统运行时，脱硫循环泵从循环池向脱硫塔内输送脱硫液Ca(OH)2，通过数层喷淋层喷嘴，碱液以液雾的形式自上而下喷出，与由下而上进入塔内的烟气逆向接触，烟气经过塔内棒栅水膜层，以3～5m/s的速度旋转向上运动，与上部喷淋管喷淋的碱液充分接触，烟气中的SO2被吸收生成亚硫酸盐、硫酸盐等，完成对烟气的脱硫，洁净后的烟气经过数级旋流板脱水后进入湿式静电除雾器后经烟囱对外排放。脱硫洗涤液进入循环池循环使用。脱硫塔设喷淋区和脱水区。脱硫塔循环水量满足系统需求。为确保脱硫效率达到设计要求，塔内布置数层喷头，采用进口碳化硅涡旋型喷头，在脱硫泵的压力下，使碱液迅速雾化充分与烟气进行反应，中和了烟气中的二氧化硫等酸性成分。为防止硫酸盐沉积堵塞，一般管道设计流速大于2m/s，喷头采用涡旋型喷头，喷头设有反洗装置，确保系统运行正常，同时需要定期对系统进行清理和维护。脱硫处理后SO2≤35mg/Nm³。
1.3.5 湿式电除尘器
将直流电通过恒流高压电源引入电晕极线产生电晕放电，在阴阳极之间保持一个足以使气体电离的静电场，把电极间部分气体电离成正负离子；尘、雾颗粒碰到离子而带电，按照同性相斥、异性相吸的原理，荷电后的尘、雾颗粒向电极性相反的电极移动，正离子向电晕极移动，而电子和负离子则移向沉淀电极，在电场的作用下，带电的尘雾颗粒(尘)移向沉淀管内壁，靠自重落入下壳体，使烟气得到净化。为保证湿式静电除尘器出口烟尘排放浓度≤5mg/Nm3，一般要求湿式静电除尘器进口烟尘浓度≤50mg/Nm3，同时为了防止湿式静电除尘器沉淀管表面结垢，定时对沉淀管表面进行清洗。湿式静电除尘器内壁与液膜接触，沉淀极采用了导电碳纤维强化复合材料。设备整体以耐腐蚀乙烯基树脂为基体，以碳纤维、玻璃纤维为增强材料，通过模压、缠绕成型工艺制成的一种高效除雾设备。静电除尘器由上气室、下气室、进气室、阳极管束组、阴极装置、气体导流板、气体分布装置、冲洗装置、绝缘箱、高压电源、控制柜组成。配套辅机为：智能恒流电源、高压整流变压器、高压控制柜、高压开关、绝缘箱热风正压保护加热器及温度自动控制系统等。
2、设计要点
2.1 液气混合均匀性的结构实现
喷淋层又称液体分布器，由喷淋管与喷嘴组成，将碱性浆液通过喷淋管的分配作用达到均匀分布到每个喷嘴，由喷嘴喷出，在空塔喷淋中与逆向流动的烟气充分接触，二氧化硫在此吸收区吸收。单层喷淋覆盖率为200%～300%,即一层喷淋的覆盖面积是脱硫塔截面积的2～3倍。喷嘴喷出的形状一般是个圆锥体，截面是个圆形，为了防止烟气短路，每个喷嘴喷出的圆形要互相交叉，算上交叉的面积，喷嘴的覆盖面积是脱硫塔截面积的2～3倍。脱硫塔吸收段设计多层喷淋，增加气液混合均匀性和反应时间。此外，脱硫效率还取决于液滴大小和数量，喷嘴形成的颗粒越小，越有利于增加气液混合接触面积，有利于加快传质的过程，理想液滴一般在500～1000μm，直径小于500μm的液滴会被烟气夹带进入除雾器，通常直径小于500μm的液滴数量不应超过总量的5%。脱硫塔喷头选型为碳化硅材质、空心锥切线型喷嘴，喷射角度为90°，每级喷淋层喷头采用矩形阵布置。
2.2 液气比及反应时间(塔体高度)的计算[1]
液气比指在吸收塔中液体与气体的流量之比，单位是L/m3。35t/h锅炉设计烟气量为55000Nm3/h(干烟气)，系统总进口SO2浓度为800mg/Nm3，出口浓度小于35mg/Nm3，系统设计总液气比为11.6，因此，预除尘器、脱硫塔和除尘器总循环水量为640m³/h。反应时间也称烟气停留时间，即烟气进入吸收塔后在内部与浆液混合、反应和停留的时间。锅炉烟气进入预除尘器，经脱硫塔和除尘器到达顶部除雾器下端，总长度为22.5m，流速3～3.5m/s，则综合反应时间为6.5～7.5s。
2.3 湿式电除尘的选型计算
湿式电除尘器选用蜂窝管式，玻璃钢阳极管+钛合金芒刺型阴极线。结合前段两级湿法除尘和最终烟尘≤5mg/Nm3的要求，阳极管内烟气流速设计1～1.1m/s，烟气停留时间大于5s。最终设计：阳极管数：222根，阳极管正六边形管(内切圆Φ360，单根截面积0.11m2)，长度6m。
3、臭氧发生器的选型计算
3.1 关于O3/NOx氧化反应摩尔比的说明
3.1.1 臭氧氧化NOx的脱硝原理[2]
O3+NO=NO2+O2O3+NO2=O2+NO3NO2+NO2=N2O4N2O4+O3=N2O5NO2+NO3=N2O53NO2+H2O=2HNO3+NON2O5+H2O=2HNO3
锅炉烟气中95%以上的NOx为不溶于水的NO，从以上的反应可以看出，臭氧将NO氧化为易溶于水生成HNO3的高价态的NO2、NO3、N2O5，从而可通过碱液喷淋移除。
3.1.2 O3/NOx摩尔比对NOx脱除率的影响
O3/NOx摩尔比对NOx脱除率的影响如图2所示。本项目锅炉烟气初始CNOxin为350mg/Nm3,为保证超低排放稳定，拟使CNOxout为5mg/Nm3即脱除效率为：(CNOxin-CNOxout)/CNOxin×100=98.57。
3.1.3 烟气含氧量对NOX脱除率的影响
烟气含氧量在一定范围内可以促进NOx的去除，但当含氧量太高时不利于NOx的去除。图2O3/NOx对NOx脱除率的影响随着烟气含氧量的增加，氧气在液相中的浓度升高促进以下的吸收反应向右移动，使NOx的去除率升高；烟气中的氧气可与SO32-在液相边界反应，从而使它们的表面浓度降低导致NO2的吸收率降低，NOx的去除率降低，如图3所示。
图3烟气含氧量对SO2和NOx脱除率的影响
3.1.4 臭氧分解率
表1为T=150℃时O3与NOx的反应动力学时间与O3分解的特性对比。
表1O3与NOx的反应动力学时间与O3分解的特性对比
综合以上因素结合类似工程经验，O3/NOx氧化反应摩尔比取值n=1.6。
3.2 臭氧发生器选型
计算：按要超低排放需求，每标方烟气需要处理NOx含量为：W=CNOxin-CNOxout=350-5=345mg/Nm3(CNOxout取值为5mg/Nm3)。
处理烟气中NO摩尔浓度为:W1=(345/2.05×0.95)×1.34/30=7.14mmol/Nm3；
处理烟气中的NO2摩尔浓度为：W2=345×0.05/46=0.38mmol/Nm3；
两者之和为7.52mmol/Nm3，公式中的2.05/1.34分别为NO2、NO在标准状态下的密度。按要超低排放需求处理烟气中NOx物质量为：W0=(W1+W2)×V=7.52×55000=0.414kmol。
按要超低排放需求处理烧烟气中NOx臭氧耗量OL为：OL=W0×48×n=0.066×48×1.6=31.8kg。n为O3/NOx氧化反应摩尔比，取值1.6。
综合设备选型，臭氧发生器选用产量为：35kg/h。
4、改造后烟气排放数据分析
该项目2017年12月份完成各项调试工作并投入使用，至今脱除系统的运行效果良好，可以从以下两个方面进行数据分析说明。
4.1 委托第三方的监测结果
2017年11月11日委托洛阳黎明检测服务有限公司按照超低排放标准对锅炉烟气进行检测，共两个周期六组数据，每组数据检测时长大约30min，检测结果如表2所示。
4.2 在线监测系统的监测结果
随机抽取2019年3月13日，烟气连续监测小时平均日报表见表3。由表2和表3可知改造后各项数据指标均满足超低排放的要求，证明了超低排放技术在工业燃煤锅炉系统烟气治理中的运用是正确和可靠的，值得在同行业中推广应用。
表2洛阳黎明检测服务有限公司的检测数据；表3烟气连续监测小时平均日报表
参考文献：
[1]蒋文举,赵君科.烟气脱硫脱硝技术手册[M].北京:化学工业出版社.
[2]周立新,诸毅,陈朝东.工业脱硫脱硝技术问答[M].北京:化学工业出版社.
王中本,武隋新,符亚丽,王紫东.超低排放技术在工业燃煤锅炉系统烟气治理中的应用[J].化工管理,2019(28):36-39.
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2020-02-25
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