陳義豐，王占麗，楊春亮，劉曉成，張巧敏，陳繼亮

（1.寧波金發(fā)新材料有限公司，浙江 寧波 315800；2.諾安實(shí)力可商品檢驗(yàn)（寧波）有限公司，浙江 寧波 315040）

我國(guó)“富煤缺油少氣”的能源結(jié)構(gòu)推動(dòng)煤化工行業(yè)蓬勃發(fā)展。水煤漿是煤基清潔燃料，具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家節(jié)能減排要求和政策導(dǎo)向，作為鍋爐燃料具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

通過(guò)對(duì)燃燒產(chǎn)生的污染物進(jìn)行治理，水煤漿鍋爐的各類污染物能達(dá)標(biāo)排放（滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）要求），但相對(duì)于燃?xì)忮仩t，水煤漿鍋爐各污染物排放量仍相對(duì)較大，對(duì)環(huán)境造成一定影響。2014 年9 月12日，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020 年）》（以下簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》），對(duì)于燃煤煙氣排放的污染物，三部委要求中、東、西部地區(qū)新建和東部現(xiàn)役燃煤電廠通過(guò)改造后污染物排放濃度標(biāo)準(zhǔn)基本達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。2015 年12 月2 日，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，在2020 年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放。為響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，深入實(shí)施大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃，東部地區(qū)現(xiàn)役水煤漿鍋爐需要進(jìn)行超低排放改造。

1 水煤漿鍋爐概況

寧波某企業(yè)于2013 年5 月8 日開(kāi)工建設(shè)3臺(tái)240 t/h 水煤漿鍋爐產(chǎn)蒸汽供裝置使用，配套設(shè)施有供漿系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、脫硫脫硝系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)、化學(xué)水處理系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)及熱工控制系統(tǒng)等，于2014 年5 月5 日投入試生產(chǎn)。鍋爐2用1 備，最大蒸發(fā)量為480 t/h。

煙氣處理流程見(jiàn)圖1。水煤漿鍋爐通過(guò)優(yōu)化爐內(nèi)配風(fēng)和燃燒器噴口布置，實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒。之后將還原劑（20%的氨水）噴入鍋爐折焰角上方水平煙道（800 ℃～1100 ℃），在無(wú)催化劑存在條件下，通過(guò)選擇性非催化還原法（SNCR）將NOx還原為N2和H2O，脫硝效率約50%；在320 ℃～420 ℃區(qū)域設(shè)有選擇性催化還原法（SCR）反應(yīng)器，利用還原劑（20%氨水）在催化劑作用下選擇性地與煙氣中的NOx繼續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N2和H2O。

圖1 水煤漿鍋爐煙氣處理工藝流程圖

通過(guò)低氮燃燒器、SNCR 和SCR 組合使用，達(dá)到NOx的合格排放。采用布袋除塵器捕集細(xì)小、干燥、非纖維性粉塵，含有較細(xì)小粉塵的氣體通過(guò)濾袋時(shí)，粉塵被阻留，氣體得到凈化，積附在濾袋的粉塵不斷增加，最終落入灰門經(jīng)排灰閥排出機(jī)體。凈化的煙氣送入主煙道后分兩路進(jìn)入脫硫塔中，煙氣從脫硫塔中部進(jìn)入。來(lái)自氨水供應(yīng)系統(tǒng)的氨水進(jìn)入脫硫塔中，采用噴淋的方式使氨水與上行的煙氣進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硫的目的。除去二氧化硫的煙氣進(jìn)一步上升，進(jìn)行除霧。在氨水噴淋上方設(shè)置了兩層除霧器，自工藝水箱的工藝水通過(guò)管道送至除霧器中，用來(lái)補(bǔ)充脫硫所需水分和除霧所用。

2 水煤漿鍋爐超低排放改造

為全面達(dá)到超低排放要求，此次改造主要針對(duì)NOx、SO2、煙塵3 個(gè)污染物排放因子進(jìn)行升級(jí)改造。對(duì)于燃煤煙氣排放的污染物，三部委在《行動(dòng)計(jì)劃》中建議企業(yè)因廠制宜采用成熟適用的環(huán)保改造技術(shù)，除塵可采用低（低）溫靜電除塵器、電袋除塵器、布袋除塵器等裝置，鼓勵(lì)加裝濕式靜電除塵裝置；脫硫可實(shí)施脫硫裝置增容改造，必要時(shí)采用單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)等更高效率脫硫設(shè)施；脫硝可采用低氮燃燒、高效率SCR 脫硝裝置等技術(shù)。本次改造主要措施為：更換高效SCR 脫硝催化劑并在原基礎(chǔ)上加裝一層SCR 催化劑，脫硫裝置增容改造，脫硫后加裝除塵除霧裝置。

脫硝改造僅通過(guò)更換高效SCR 脫硝催化劑并加裝一層SCR 催化劑，實(shí)現(xiàn)煙氣NOx排放濃度小于50 mg/m3的目標(biāo)。脫硝改造原理簡(jiǎn)單，工藝成熟，改造方便，本文不再詳細(xì)介紹。對(duì)脫硫裝置進(jìn)行增容改造，部分地方進(jìn)行擴(kuò)徑，同時(shí)增加吸收塔高度來(lái)優(yōu)化脫硫噴淋系統(tǒng)、改造原洗滌噴淋系統(tǒng)及配套系統(tǒng)。此次改造與除塵裝置進(jìn)行配套，確保二氧化硫和煙塵的達(dá)標(biāo)排放。改造前后水煤漿鍋爐煙氣處理工藝流程總體上未發(fā)生變化，將原除霧器更換為管束式除塵除霧裝置（氨法專用）。更改后煙氣處理工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 改造后水煤漿鍋爐煙氣處理工藝流程圖

3 氨法脫硫技術(shù)與管束式除塵器協(xié)同作用在超低排放改造中的應(yīng)用

3.1 氨法脫硫工藝原理

氨法脫硫技術(shù)首先進(jìn)行煙氣吸收脫除SO2，接著進(jìn)行亞硫銨氧化，轉(zhuǎn)化為期望的副產(chǎn)品硫酸銨。煙氣吸收的工藝原理是用氨水作為脫硫劑，以水溶液中的NH3和煙氣中的SO2接觸反應(yīng)為基礎(chǔ)，得到中間產(chǎn)品(NH4)2SO3或NH4HSO3的水溶液，吸收反應(yīng)見(jiàn)式（1）～式（4）[3-4]。

上述反應(yīng)中，加氨量較少時(shí)，發(fā)生式（1）反應(yīng)；加氨量較多時(shí)，則發(fā)生式（2）反應(yīng)。式（3）才是真正的吸收過(guò)程，實(shí)際對(duì)SO2起脫除作用的是(NH4)2SO3溶液，因NH4HSO3不具有吸收SO2的能力，需經(jīng)補(bǔ)充氨后發(fā)生式（4）反應(yīng)，將NH4HSO3轉(zhuǎn)變?yōu)?NH4)2SO3，使吸收液恢復(fù)吸收能力，同時(shí)調(diào)節(jié)脫硫液pH。用循環(huán)泵不斷循環(huán)、吸收、補(bǔ)氨以維持漿液中(NH4)2SO3的比例，脫除煙氣中的SO2。

在煙氣吸收過(guò)程中形成的亞硫酸銨，轉(zhuǎn)化為硫酸銨才是期望的副產(chǎn)品。反應(yīng)在循環(huán)槽（氧化段）進(jìn)行，鼓入空氣進(jìn)行亞硫酸銨的強(qiáng)制氧化反應(yīng)，將亞硫酸銨直接氧化成硫酸銨溶液，見(jiàn)方程式（5）～式（6）。

硫酸銨溶液輸送到脫硫塔的濃縮段后，繼而利用高溫?zé)煔獾臒崃坎粩鄬⒘蛩徜@溶液蒸發(fā)濃縮，在塔內(nèi)飽和結(jié)晶，得到含有一定固含量的硫酸銨漿液，漿液經(jīng)濃縮、分離、干燥、包裝得到硫酸銨產(chǎn)品。

3.2 管束式除塵器除霧除塵原理

管束式除塵器是除霧除塵設(shè)備，應(yīng)用于濕法脫硫塔飽和凈煙氣攜帶的霧滴和塵的脫除凈化。

管束式除塵器針對(duì)吸收塔上部低溫飽和凈煙氣中含有大量細(xì)小霧滴的特點(diǎn)，利用大量細(xì)小霧滴高速運(yùn)動(dòng)條件下增加粉煤灰顆粒與霧滴碰撞的機(jī)率，霧滴與粉煤灰顆粒凝聚從而實(shí)現(xiàn)對(duì)此部分極微小粉煤灰塵和霧滴的捕悉脫除。

管束式除塵器的工作原理可表述為通過(guò)粉煤灰顆粒、霧滴的凝聚，捕悉和湮滅的三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在煙氣高速旋流、劇烈混合、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，將煙氣中攜帶的霧滴和粉塵顆粒脫除。

凝聚是指大量的細(xì)小液滴與顆粒在高速運(yùn)動(dòng)條件下碰撞機(jī)率大幅增加，易于凝聚、聚集成為大顆粒，從而實(shí)現(xiàn)從氣相中分離。

捕悉是指細(xì)小的液體顆粒跟隨氣體與分離器中的持液層充分接觸后，被液體捕悉實(shí)現(xiàn)分離；除塵器筒壁面的液膜會(huì)捕悉接觸到其表面的細(xì)小液滴，尤其是在增速器和分離器葉片的表面的過(guò)厚液膜，會(huì)在高速氣流的作用下發(fā)生“散水”現(xiàn)象，大量的大液滴從葉片表面被拋灑出來(lái)，在葉片上部形成了大液滴組成的液滴層，穿過(guò)液滴層的細(xì)小液滴被捕悉，大液滴變大后跌落回葉片表面，重新變成大液滴，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)小霧滴的捕悉。

湮滅是指細(xì)小的液體顆粒被拋灑至分離器的表面時(shí)，形成附著液膜從煙氣中脫離出來(lái)；經(jīng)過(guò)加速器加速后的氣流高速旋轉(zhuǎn)向上運(yùn)動(dòng)，氣流中的細(xì)小滴、塵粒在離心力作用下與氣體分離，向筒體表面方向運(yùn)動(dòng)。而高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣流迫使被截留的液滴在筒體壁面形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液膜層。從氣體分離的細(xì)小霧滴、微塵顆粒在與液膜層接觸后被捕悉，實(shí)現(xiàn)細(xì)小霧滴與微塵顆粒從煙氣中的脫除。湮滅過(guò)程中顆粒物與旋轉(zhuǎn)的液膜層相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較少，液膜層又有效地避免了細(xì)小霧滴和顆粒物直接撞擊筒壁形成更細(xì)小的二次霧滴或顆粒物。

3.3 改造內(nèi)容

此次脫硫增容改造主要與除塵裝置進(jìn)行配套，確保二氧化硫及煙塵的達(dá)標(biāo)排放。

脫硫吸收塔總高度增加9 m，凈煙道隨吸收塔進(jìn)行上移改造，擋板門利舊。同時(shí)凈煙氣的煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）測(cè)點(diǎn)和擋板門位置根據(jù)改造需要進(jìn)行調(diào)整，更換吸收塔入口原煙道膨脹節(jié)。改造部分?jǐn)U徑至13 m，優(yōu)化脫硫噴淋系統(tǒng)、改造原洗滌噴淋系統(tǒng)及配套系統(tǒng)。

脫硫噴淋系統(tǒng)：利用原第1 層（最下層）脫硫噴淋層、第2 層噴淋層、將原洗滌層移位作為第3層脫硫噴淋層，利用原3 臺(tái)脫硫循環(huán)泵，增加1臺(tái)一級(jí)循環(huán)泵（三用一備）。目的是增大脫硫液氣比，降低脫硫液pH，從而減少氨逃逸。

洗滌噴淋系統(tǒng)：設(shè)置洗滌段的作用是洗滌煙氣通過(guò)濃縮段、吸收段所夾帶的霧沫、銨鹽以及逃逸NH3等氣溶膠顆粒，回收煙氣中的氨及銨鹽。更換洗滌噴淋層集液器，更換原有的填料層，新增一層洗滌噴淋層。兩臺(tái)塔共新增2 只洗滌循環(huán)水箱及4 臺(tái)洗滌循環(huán)水泵。

在脫硫塔頂部，將原除霧器更換為管束式除塵除霧裝置（氨法專用）。吸收塔內(nèi)設(shè)置有管束式除塵器取代傳統(tǒng)的除霧器，布置于吸收塔頂部霧化噴淋層的上部。煙氣穿過(guò)噴淋層后，再連續(xù)流經(jīng)管束式除塵器除去塵和漿液霧滴。在管束式除塵器的上面布置一層沖洗噴嘴，通過(guò)沖洗除塵器元件，帶走管壁附著的塵粒。

該企業(yè)于2018 年5 月對(duì)脫硫塔進(jìn)行脫硫除塵提升改造，完成一臺(tái)脫硫塔的全部改造工程，并于2018 年12 月投入使用，另一臺(tái)改造于2019年完成。圖3 為脫硫塔改造現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖3 脫硫塔改造現(xiàn)場(chǎng)圖

4 水煤漿鍋爐超低排放改造效果

該企業(yè)3 臺(tái)水煤漿鍋爐共用一個(gè)煙囪，安裝在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2018 年5 月企業(yè)對(duì)3 臺(tái)240 蒸噸的水煤漿鍋爐逐步實(shí)施了超低排放改造，并于2018 年12 月正式投運(yùn)。故在水煤漿鍋爐正常運(yùn)行的情況下選取2018 年和2019 年在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖4。

圖4 污染物排放濃度變化趨勢(shì)

從上述數(shù)據(jù)分析可知，改造前，二氧化硫已達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，但濃度（約30 mg/m3）與排放標(biāo)準(zhǔn)（35 mg/m3）較接近，給操作帶來(lái)較大壓力，一旦出現(xiàn)工況波動(dòng)，操作上未及時(shí)調(diào)整到位，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)。改造后，排放濃度大幅下降（約11 mg/m3），與排放標(biāo)準(zhǔn)（35 mg/m3）相差較遠(yuǎn)，給工況波動(dòng)留有較大的調(diào)整空間。改造前，煙塵排放濃度不能滿足超低排放要求，通過(guò)更換管束式除塵器后，煙塵濃度極低（0.5 mg/m3），滿足超低排放要求（煙塵排放濃度小于10 mg/m3）。

5 存在的問(wèn)題及解決辦法

脫硫劑氨水由液氨汽化后與水稀釋而來(lái)，液氨具有易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性及刺激性等特點(diǎn)，導(dǎo)致該技術(shù)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)煙氣中的SO2分子具有較強(qiáng)腐蝕性，煙氣飛灰和脫硫固體懸浮物的磨損，以及氯離子腐蝕性，導(dǎo)致脫硫塔存在腐蝕問(wèn)題，最后尾氣存在氨逃逸和氣溶膠現(xiàn)象[3-5]。

5.1 氨的安全風(fēng)險(xiǎn)及管控措施

對(duì)涉及液氨的系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)上配備溫度、壓力、液位、流量、組分等信息的不間斷采集和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及液氨（氨氣）氣體泄漏檢測(cè)報(bào)警裝置，并具備信息遠(yuǎn)傳、連續(xù)記錄、事故預(yù)警、信息存儲(chǔ)等功能，對(duì)壓力表、液氨氣體檢測(cè)報(bào)警器進(jìn)行定期檢驗(yàn)。建立安全管理制度并落實(shí)到位，制定完善的崗位安全操作規(guī)程并定期安排培訓(xùn)。制定應(yīng)急救援預(yù)案，建立應(yīng)急指揮中心，配備應(yīng)急救援人員；制定演練計(jì)劃，并配備必要的防護(hù)裝備和應(yīng)急器材設(shè)備，指定專人負(fù)責(zé)維護(hù)保養(yǎng)，應(yīng)急器材設(shè)備類型和數(shù)量符合要求?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置安全警示牌、危險(xiǎn)物質(zhì)安全周知牌。

5.2 脫硫塔腐蝕問(wèn)題及管控措施

吸收塔增高部分制造所選用的材質(zhì)及內(nèi)部防腐涂料滿足脫硫工藝的運(yùn)行要求，內(nèi)部所有部件均可承受最大入口氣流及最高進(jìn)口煙氣溫度的沖擊，并可承受煙氣飛灰和脫硫固體懸浮物的磨損。塔體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)均考慮了合適的腐蝕余度。為防止塔內(nèi)液體泄漏，吸收塔本體為氣密性結(jié)構(gòu)，制造時(shí)盡可能使用焊接連接，以保證殼體結(jié)構(gòu)的完整性，法蘭和螺栓連接僅在必要時(shí)使用。塔體上的人孔、通道、連接管道等需要在殼體穿孔的地方均應(yīng)進(jìn)行密封，防止泄漏。塔體材質(zhì)選用碳鋼內(nèi)襯鱗片防腐。

脫硫系統(tǒng)循環(huán)漿液中的氯離子主要包括煙氣中的氯離子、補(bǔ)充水中的氯離子，高濃度低pH的氯離子腐蝕性很強(qiáng)。為了減少脫硫系統(tǒng)設(shè)備腐蝕，要求脫硫塔濃縮段中氯離子濃度不超過(guò)40000 mg/L，循環(huán)槽中不超過(guò)10000 mg/L，本次改造增設(shè)氯離子控制系統(tǒng)。

濃縮液中的氯離子主要包括煙氣中的氯離子、補(bǔ)充水中的氯離子。本次超低排放改造按煙氣中氯離子含量為50 mg/Nm3，水中氯離子含量為200 mg/L 考慮，配置一套處理量為1 m3/h 的蒸發(fā)處理系統(tǒng)。連續(xù)從脫硫塔濃縮段取出一定量的含氯離子的漿液進(jìn)行處理，使?jié)饪s段及吸收段液體的氯離子含量不再因吸收煙氣及水而累積增長(zhǎng)，保持在控制指標(biāo)范圍內(nèi)。采用高溫原煙氣對(duì)含有鹽類的水溶液進(jìn)行直接蒸發(fā)濃縮，最后使鹽類以結(jié)晶方式析出。

5.3 氨逃逸和氣溶膠現(xiàn)象及管控措施

通過(guò)濃縮段、吸收段所夾帶的霧沫、銨鹽以及逃逸NH3等氣溶膠顆粒，經(jīng)洗滌層后回收煙氣中的氨及銨鹽。具體為更換洗滌噴淋層集液器，更換原有的填料層，新增一層洗滌噴淋層。兩臺(tái)塔共新增2 只洗滌循環(huán)水箱及4 臺(tái)洗滌循環(huán)水泵。增加洗滌噴淋層的目的是洗除煙氣液膜夾帶的銨鹽及逃逸氨。

管束式除塵器主要針對(duì)吸收塔上部低溫飽和凈煙氣中含有大量細(xì)小霧滴，利用大量細(xì)小霧滴高速運(yùn)動(dòng)增加粉煤灰顆粒與霧滴碰撞的機(jī)率，霧滴與粉煤灰顆粒凝聚從而實(shí)現(xiàn)對(duì)此部分極微小粉煤灰塵和霧滴的捕悉脫除。煙氣中攜帶的霧滴和粉塵顆粒形成液膜從煙氣中分離出來(lái)，降低煙氣夾帶霧沫的銨鹽濃度，同時(shí)減少氣溶膠的排放量。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)脫硫塔的增容改造，實(shí)現(xiàn)了SO2的超低排放，使用管束式除塵除霧裝置對(duì)煙氣中攜帶的霧滴和粉塵進(jìn)行分離凈化，實(shí)現(xiàn)顆粒物的超低排放。該工藝具有脫硫效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、脫硫副產(chǎn)物抵扣部分運(yùn)行費(fèi)用、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)氨法脫硫工藝存在的安全風(fēng)險(xiǎn)、氨逃逸、氣溶膠等問(wèn)題，具有良好的應(yīng)用前景。