技術論壇

燃煤鍋爐煙氣脫硫除塵環保設施改造及應用

2019/09/16

燃煤鍋爐煙氣脫硫除塵環保設施改造及應用

時間:2019-09-06 11:09

來源:價值工程

作者:倪少軍 陳明輝 李雙良

煤礦遠離城區,多數以燃煤鍋爐為供熱熱源。為響應國家和寧夏的環保政策,20蒸噸及以上建成在用燃煤鍋爐必須完成脫硫脫硝除塵改造。礦區供熱鍋爐環保設施技術改造多采用高效低壓脈沖布袋除塵器、濕法氧化鎂脫硫工藝以及爐內選擇性非催化劑(SNCR)脫硝工藝,并安裝DCS分散集中自控系統,實現燃煤鍋爐達標排放。

1 概述

我國是當今世界工業鍋爐、窯爐生產和使用最多的國家。目前,燃煤工業鍋爐分布廣、數量大,單臺規模和煙氣排放量普遍比火電廠鍋爐小。我國工業鍋爐大部分建在城區或城郊工業園區,排放的重金屬以及大氣污染物對人類健康和居住環境的危害更加嚴重。

目前,我國空氣最主要的污染物是粉塵、二氧化硫和氮氧化物。SO2主要危害就是導致多種呼吸器官疾病和誘發心血管疾病、引起酸雨、江河湖泊的酸化,損害植物和農作物生長。同時對建筑物及金屬物的腐蝕性較強。電站鍋爐和工業鍋爐以煤炭為主要燃料,燃燒產生的氮氧化物與碳氫化合物發生光化學污染,也是形成酸雨的主要原因。因此,控制氮氧化物是今后環保關注的焦點。

根據國家環保部及國家“十三五”生態環保規劃的相關要求,全國地級及以上城市建成區基本淘汰20蒸噸以下燃煤鍋爐,完成燃煤鍋爐脫硫脫硝除塵改造。同時結合寧東化工園區要求燃煤工業鍋爐2018年完成除塵、脫硫、脫硝改造任務,排放標準滿足《工業鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2014)表3特別排放限值排放濃度煙塵<30mg/Nm3、SO2<200mg/Nm3和NOx<200mg/Nm3的要求。

2 鍋爐原有脫硫除塵設施運行狀況

神華寧煤麥垛山煤礦現有2臺20t/hDZL20-1.25-A型燃煤鏈條式蒸汽鍋爐,主要供給礦區采暖使用。原有環保設施為脫硫除塵一體化的麻石水脫硫除塵塔,塔內加設一層噴淋噴嘴,采用NaOH作為脫硫劑。

采用一體化的麻石水膜除塵器,除塵效率只有90%~95%,煙塵排放濃度經常在100mg/Nm3左右,無法滿足新的排放標準要求≦30mg/Nm3;

采用NaOH為脫硫劑,1mol的SO2需要消耗2mol以上的NaOH,且燒堿的價格高,運行成本高。同時,鈉堿長期運行會造成Na2SO4聚積,影響脫硫效果,還需要經常排放高鹽廢水。由于灰水和堿液混合運行,經常造成噴淋管磨損和堵塞,SO2不能穩定達標排放。

因此,鑒于原鍋爐也未安裝任何脫硝裝置,為了滿足當地環保部門提出的新的鍋爐煙氣排放標準,決定對麥垛山煤礦燃煤鍋爐原有環保設施進行技術改造。

3 鍋爐除塵、脫硫、脫硝技術改造

3.1 除塵系統改造采用目前國內除塵技術成熟、廣泛使用的布袋除塵裝置,長袋低壓脈沖布袋除塵器。工作原理如下:

長袋低壓脈沖布袋除塵器采用外濾式的氣體凈化方式。氣體除塵流程:含塵氣體→中部進風口→阻火裝置(去除未燃盡的火星顆粒物及大顆粒物通過自然沉降及阻火裝置分離后直接落入灰斗)→氣流分散區→導流型氣流分布裝置→過濾室底部→中箱體(過濾室)→潔凈氣體→透過濾袋→上箱、排風管排出→除塵器灰斗收集粉煤灰由氣力輸送裝置輸送至灰庫集中綜合利用。

在除塵流程中,過濾室內氣流均勻分布,經阻燃沉降除塵后的粉塵經導流裝置后進入過濾區附著在濾袋外表面。為了杜絕二次揚塵,袋室內氣流必須保持低速流動,同時濾袋底部與進風口必須保持一定的高度差。

3.2 脫硫系統改造:采用濕法脫硫技術進行脫硫,即濕法氧化鎂脫硫工藝。氧化鎂法脫硫的主要化學反應原理如下:

①氧化鎂漿液制備:MgO(固)+2H2O=Mg(OH)2(漿液)+H2O

Mg(OH)2(漿液)=Mg2++2OH-

②SO2的吸收:SO2(氣)+H2O=H2SO3

Mg2++SO32-+3H2O→MgSO3·3H2O

Mg(OH)2+SO2→MgSO3+H2O

MgSO3+H2O+SO2→Mg(HSO3)2

Mg(HSO3)2+Mg(OH)2+10H2O→2MgSO3·6H2O

③脫硫產物氧化:MgSO3+1/2O2+7H2O→MgSO4·7H2O

MgSO3+1/2O2→MgSO4

循環吸收漿液的pH值必須控制在5.5~7.5之間,為了控制PH值,可以通過加入Mg(OH)2漿液的量來調節。

鎂法脫硫的工藝特點:

①脫硫效率高:由于鈣離子半徑比鎂離子大,CaO比MgO的反應活性低。輕燒鎂具有多孔性、活性強、反應度高的特點,MgO+SO2→MgSO3或MgSO4,生成的亞硫酸鎂和硫酸鎂易溶解于水(循環漿液),這樣MgO顆粒與SO2能夠持續、快速、徹底的產生化學反應。因此用MgO作吸收劑時吸收效率要遠遠優于CaCO3。實踐證明,MgO濕法脫硫效率可高達90%~98%。

②鎂法脫硫所需脫硫劑量少,且脫硫劑供貨簡單可靠。脫除單位量的SO2所需脫硫劑(CaCO3)的量是脫硫劑(MgO)的2.5倍。目前,以商品輕燒鎂粉中MgO含量≥85%,商品碳酸鈣粉中CaO(分子量56)的含量≥50%計算,則脫除單位量的SO2消耗的碳酸鈣粉量約為輕燒鎂粉的2.4倍。

③運行成本低,運行可靠。要實現90%以上的脫硫效率,氧化鎂脫硫液氣比(L/G)約為2.5~3.5L/Nm3,碳酸鈣脫硫液氣比約為11.8~15L/Nm3。由此可見,脫除單位量的SO2所產生的循環漿液量氧化鎂工藝是碳酸鈣工藝的1/4,因此在循環泵、循環管路的管徑以及用電設備的耗電量上,氧化鎂工藝脫硫成本要比碳酸鈣工藝脫硫節省約2/3。

同時氧化鎂工藝脫硫生產的MgSO4易溶于水且的溶解度大,在脫硫塔內不易結垢、不易成渣,不會造成閥組和管路堵塞,并且脫硫塔內不需設攪拌設備,既減少了設備成本,又提高了設備的可靠性和安全性。

兩臺鍋爐煙氣經煙道進入各自布袋除塵器,凈化后的煙氣經引風機加壓匯集到總水平煙道由塔底進入脫硫塔,在塔內煙氣上升,并將吸收液粉碎為細霧滴,使氣液間接觸面積急劇增大,塔內布置三層噴淋裝置,預留一層噴淋位置(為以后提標準備),使煙氣充分與脫硫液接觸,提高脫硫效率。由于塔內提供了良好的氣液接觸條件,氣體中的SO2被堿性液體吸收效果好。

脫硫吸收液在吸收SO2后,由吸收塔塔底排放口自流至混合沉淀池。沉淀下來的含水率較低的MgSO3、少量MgSO4及其它雜質(主要來源于煙氣中的煙塵及氧化鎂脫硫劑中的雜質)的物料體系,經羅茨風機充分曝氣,將MgSO3轉化為MgSO4溶液后排出,沉積下的不容雜質通過渣漿泵打入板框壓濾機脫水(見圖1)。

3.3 脫硝系統改造

脫硝改造是常用的脫硝工藝有:選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。麥垛山煤礦鍋爐改造經專家研究討論后,最終采用選擇性非催化還原法(SNCR尿素法)爐內脫硝技術。

SNCR尿素法脫除氮氧化物(NOx)是利用管路噴嘴把含有NHx基的還原劑(如氨氣、氨水或者尿素等)直接噴射到爐膛800℃-1100℃的區域內,使其受熱分解,生成氨氣(NH3)和其它化合物。產生的氨氣(NH3)與煙氣中的NOx混合,經過SNCR一系列的化學反應,最終生成N2,從而實現煙氣達標排放。

主要化學反應為:

(NH4)2CO—2NH2+CO

NH2+NO—N2+H2O

CO+2NO—N2+CO2

在SNCR還原NO的反應中,溫度的控制和爐膛的噴入點選擇是關鍵,直接影響SNCR還原NO效率。因此溫度必須控制在800℃至1100℃之間,并隨反應器類型的變化而有所不同。由于還原劑在爐膛內停留時間的限制,若反應溫度過低,化學反應不徹底,造成NO的還原率較低。同時噴入的氨氣(NH3)反應不完全容易造成氨氣泄漏。

若反應溫度過高,NH3的氧化反應開始起主導作用:4NH3+6O2—4NO+6H2O,NH3被氧化成NO,而不是氮氣(N2),反而增加了對大氣的污染。因此,SNCR還原NO的過程溫度選取和控制還原劑的泄漏成為SNCR技術改造能否達標排放的核心,必須嚴格控制溫度,防止溫度過高氨氣(NH3)被氧化成NO。

SNCR脫硝工藝流程:SNCR脫硝系統簡單、投資少,催化劑便宜。只需在原鍋爐系統上增加氨或尿素儲槽、噴射裝置和噴射口,不改變鍋爐現有設備。整套SNCR脫硝裝置主要包括;還原劑儲存及供應系統、稀釋水系統、計量混合系統,噴射系統和自動控制系統。

具體流程:尿素→儲存及供應系統溶解儲存→稀釋水系統(根據鍋爐運行情況和NOx排放情況)稀釋成所需的濃度(10%~15%)→分配系統實現各噴槍的尿素溶液分配、霧化噴射和計量。還原劑(尿素)的供應量根據鍋爐負荷量可以靈活、可靠的調節,從而實現脫硝達標排放(見圖2)。

4 改造實施及運行情況

2018年7月15日麥垛山煤礦兩臺20t鍋爐開始脫硫、除塵和脫硝系統技術改造,拆除原有麻石水膜脫硫除塵設備,新安裝兩臺套低壓長袋脈沖布袋除塵器裝置配套氣力輸灰和灰庫系統;一套氧化鎂濕法脫硫裝置及脫硫渣脫水系統“兩爐一塔,煙塔合一”;兩套選擇性非催化還原法(SNCR尿素法)爐內脫硝裝置(公用系統一套)和一套煙氣在線監測系統。將原鍋爐半自動化儀表操作系統改造成DCS分散集中自動化控制系統。

2018年10月10日改造完進入試運行。11月20日以后鍋爐系統達到設計負荷運行,除塵、脫硫和脫硝系統設備及系統平穩運行,各項工藝指標和煙氣排放濃度達標排放,并通過第三方環保檢測機構的現場比對檢測和當地環保部門驗收。

改造后運行效果:

除塵系統:采用長袋低壓脈沖布袋除塵器,除塵器前鍋爐原煙氣粉塵濃度最大檢測值為3562.8mg/Nm3,除塵器后最大檢測值為13.3mg/Nm3,除塵效率可達到99.6%,滿足排放限值要求。

脫硫系統:鍋爐燃料煤含硫量為0.67%,脫硫前原煙氣SO2濃度實測值為863.5mg/Nm3。采用氧化鎂作脫硫劑,控制循環漿液pH值在5.5~7.5之間運行,煙囪煙氣排放檢測SO2濃度實測值為54.2mg/Nm3,脫硫效率可達到93.7%,滿足排放限值要求。

脫硝系統:采用爐內噴尿素溶液,尿素溶液濃度控制在10%~15%,根據鍋爐負荷調整所開噴槍數量和噴槍流量。在鍋爐運行負荷(爐溫740左右)相對穩定情況下,未投加尿素溶液時檢測NOx濃度最大為289.7mg/Nm3,投加尿素溶液后檢測NOx濃度最大為79.6mg/Nm3,脫硝效率可達到72.5%,滿足排放限值要求。

總之,本次環保設施改造取得圓滿成功,并一次通過神華寧煤集團組織的驗收。目前,整套系統設備運行正常,工藝運行各項控制參數相對穩定,運行煙氣在線監測系統檢測數據已上傳至國能神華集團監測平臺和當地環保檢測平臺,鍋爐煙氣粉塵、SO2和NOx濃度均達標排放。

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