王海苗，王建瑩，劉忠攀，司 碩，宋令坡

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100；3.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273599)

鏈條排爐技術(shù)成熟，造價(jià)低，燃燒穩(wěn)定，運(yùn)行操作簡單，封火和啟爐性能好。因此，燃煤鏈條排爐作為小型燃煤工業(yè)鍋爐的主力爐型在我國廣泛應(yīng)用于煤炭、化工、冶金、建材、供熱等行業(yè)，在供熱、供氣等領(lǐng)域起著特別重要的作用。然而，由于燃煤鏈條排爐容量小，點(diǎn)多面廣，熱效率低，污染物排放強(qiáng)度大，已有脫硫脫硝除塵設(shè)施技術(shù)落后，已成為造成大氣污染的重要因素之一[1]。針對鏈條排爐煙氣凈化，因其熱負(fù)荷變化大、溫度區(qū)間不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的煙氣脫硝技術(shù)(包括SNCR和SCR)受制于溫度區(qū)間和安裝空間，均難以在燃煤鏈條排爐應(yīng)用。臭氧法脫硝單體投資和運(yùn)行成本高，需要和半干法脫硫裝置配套使用。傳統(tǒng)雙堿法、氨法、石灰石石膏法等濕法脫硫技術(shù)存在占地面積大、易造成管道腐蝕或堵塞、操作復(fù)雜、投資和運(yùn)行維修成本高、二次污染嚴(yán)重等問題[2]。如此，應(yīng)用于大型燃煤電廠的煙氣脫硫脫硝技術(shù)，由于投資和運(yùn)行成本高，一般鏈條排爐用戶難于承受。

為解決燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能減排問題，一些地方推廣使用天然氣、電、生物質(zhì)等清潔燃料替代燃煤。由于受基礎(chǔ)設(shè)施、資源、價(jià)格等因素限制，全部取代燃煤不現(xiàn)實(shí)，難以實(shí)施。在我國缺油、少氣的資源條件下，以煤為主是我國資源稟賦的不可變化的事實(shí)，其它替代能源只能是輔助能源，而不能成為主力。中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，將必然建立在我國資源豐富、安全可靠的煤炭資源的高效和清潔利用的基礎(chǔ)上。

近年國內(nèi)眾多學(xué)者和技術(shù)團(tuán)隊(duì)對燃煤工業(yè)鍋爐低溫干法脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，其中以活性炭聯(lián)合脫硫、脫硝工藝及固定床鈣基吸收劑同時(shí)脫硫、脫硝工業(yè)為主，其協(xié)同脫除、治理效率高、占地面積小、改造投資較低、不需改造鍋爐本體等優(yōu)點(diǎn)備受行業(yè)青睞，為工業(yè)鏈條爐煙氣多污染物協(xié)同治理提供一條很好的出路[3-6]。天津?yàn)I環(huán)化學(xué)工程技術(shù)研究院有限公司研制的低溫干法高效復(fù)合氧化催化劑，實(shí)現(xiàn)較寬和較低溫度范圍內(nèi)(室溫至300 ℃以下)將NO氧化為NO2，利用煙氣中CO反應(yīng)生成無害的氮?dú)夂投趸迹瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)NOx和CO高效去除。煙氣脫硫使用石灰顆粒及氧化催化劑，其中催化劑氧化SO2成為SO3，后者與石灰顆粒反應(yīng)成為硫酸鈣。通過固體吸收劑，同時(shí)實(shí)現(xiàn)重金屬的協(xié)同脫除[7]。

本文以兗礦某單位20 t鏈條排爐超低排放改造工程示范為例，探討煙氣不同溫度、不同停留時(shí)間、不同SO2的排放量等條件下，尾部低溫靜置式脫硫脫硝一體化裝置脫硫脫硝效率，并分析其影響因素，為小型燃煤工業(yè)鍋爐煙氣超低排放工程應(yīng)用提供技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1是20 t/h燃煤鏈條排爐煙氣凈化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程。實(shí)驗(yàn)用20 t/h燃煤鏈條排爐為無錫某鍋爐廠生產(chǎn)的SZL20-1.6-AII鏈條排爐。該鍋爐為兗礦集團(tuán)某煤礦提供礦井口用蒸汽和礦區(qū)生活區(qū)的供暖等。鍋爐額定蒸發(fā)量20 t/h，額定工作壓力1.6 MPa，額定蒸汽溫度204 ℃，標(biāo)況煙氣量40 000 m3/h，排煙溫度120～135 ℃。鍋爐煙氣經(jīng)省煤器、空預(yù)器、高精布袋除塵器、低溫?zé)煔鈨艋b置后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入煙囪中。爐前配備爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)。

圖1 20 t/h鏈條排爐煙氣凈化裝置工藝流程

1.2 低溫?zé)煔鈨艋惑w化裝置

尾部煙氣靜置式脫硫脫硝裝置為6m×2.5m×1.25m的矩形裝置，煙氣擴(kuò)散后與脫硫脫硝劑接觸。煙氣在凈化塔內(nèi)部依次經(jīng)過脫硫?qū)雍兔撓鯇?，凈化處理后的煙氣送往鍋爐原管道排往煙囪，圖2為低溫?zé)煔鈨艋惑w化裝置。靜置式低溫?zé)煔鈨艋b置內(nèi)復(fù)合化學(xué)添加劑為直徑 6 mm 條狀顆粒，堆積密度 500～600 kg/m3，由天津?yàn)I環(huán)化學(xué)工程技術(shù)研究院有限公司提供。

圖2 低溫?zé)煔鈨艋惑w化裝置

在低溫?zé)煔鈨艋b置前后各設(shè)置一處煙氣測點(diǎn)，分別檢測靜置式煙氣凈化裝置前后的排放濃度。污染物脫除效率按下式計(jì)算：

ηi=((Cin-Cout)/Cin)×100%

式中，ηi是污染物的脫除效率，i是污染物種類；Cin是任意污染物原始排放濃度；Cout是任意污染物經(jīng)過靜置式脫硫脫硝裝置后的排放濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同煙氣溫度對低溫脫硫脫硝的影響

圖3為不同煙氣溫度對脫硫脫硝效率的影響。由圖3可以看出，隨著煙氣溫度的提高，脫硫和脫硝效率呈升高趨勢。在60 ℃左右的煙氣溫度下，脫硫效率90%以上，脫硝效率38.3%，說明在低溫下脫硫脫硝劑也有較高的反應(yīng)活性。隨著煙氣溫度的升高，其對脫硫效率的影響不大，脫硝效率明顯提高。在60～130 ℃的煙氣溫度范圍內(nèi)，脫硫劑效率均在90%以上，與文獻(xiàn)[11]報(bào)道結(jié)果一致。在入口煙氣溫度達(dá)到128 ℃時(shí)，脫硝效率達(dá)到約65%。

圖3 不同煙氣溫度對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響

2.2 不同SO2排放量對低溫脫硫脫硝的影響

圖4是在煙氣溫度為120 ℃時(shí)，不同SO2排放量對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響，由圖4可知，隨著SO2排放量從0.2 kg/h提高到0.45 kg/h，脫硫和脫硝效率呈下降趨勢，脫硫效率從88%下降至81%，脫硝效率自71%下降至46%，脫硝效率下降趨勢更為明顯。煙氣量或煙氣SO2濃度的提高均會造成SO2排放量的增大，對應(yīng)脫硫劑的反應(yīng)時(shí)間減小，需要更多的脫硫劑活性點(diǎn)參與固硫反應(yīng)[8]。提高煙氣SO2排放量，在一定量的脫硫劑條件下，受反應(yīng)時(shí)間和脫硫劑活性點(diǎn)的限制，脫硫效率下降，出口煙氣SO2濃度增大。說明脫硫劑的脫硫效率受煙氣SO2排放量影響大。對定量脫硫劑，保證高脫硫率的前提是煙氣SO2排放量不超過一定范圍，SO2排放量是制約脫硫劑脫硫效率的主要因素之一。脫硝效率受煙氣SO2排放量的影響更為明顯，提高SO2排放量，脫硫效率雖保持在80%以上，但SO2實(shí)際排放量是增大的，對應(yīng)脫硝效率降低，說明經(jīng)過脫硫劑后的煙氣SO2排放量對脫硝劑的反應(yīng)活性影響大，進(jìn)入脫硝劑層的煙氣SO2排放量越大，脫硝效率越低。在煙氣量一定的條件下，控制脫硫劑后的煙氣SO2濃度是保證脫硝效率的重要措施。

圖4 不同SO2排放量對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響

2.3 煙氣停留時(shí)間對低溫脫硫脫硝的影響

圖5是不同煙氣停留時(shí)間對脫硫脫硝劑效率的影響。由圖可知，煙氣停留時(shí)間在3 s的條件下，脫硫效率、脫硝效率分別為61.2%和34.3%，均較低，不能滿足煙氣排放要求。煙氣停留時(shí)間達(dá)到20 s以上時(shí)，脫硫效率、脫硝效率分別達(dá)到88%和65%以上。說明煙氣停留時(shí)間是影響脫硫效率和脫硝效率的重要因素。煙氣停留時(shí)間短，煙氣和脫硫脫硝劑接觸時(shí)間少，氣固反應(yīng)少，脫除效率下降。反之，煙氣停留時(shí)間長，氣固接觸充分，脫除效率高[9-10]。實(shí)驗(yàn)表明，煙氣停留時(shí)間在10 s以上，才能保證脫硫脫硝劑的脫除效率。

圖5 不同停留時(shí)間對脫硫脫硝劑效率的影響

2.4 脫硫劑滯留時(shí)間對其利用率的影響

圖6是脫硫劑在裝置內(nèi)滯留時(shí)間對其利用率的影響。由圖可知，隨著低溫?zé)煔鈨艋b置運(yùn)行時(shí)間的延長，固定床底部排出的脫硫劑有效成分越低，對應(yīng)脫硫劑的利用率越高。連續(xù)運(yùn)行7 d后排出脫硫劑利用率為74%，連續(xù)運(yùn)行14 d后排出脫硫劑利用率達(dá)到80%以上。說明脫硫劑在固定床內(nèi)停留的時(shí)間越長，利用率越高。如果停留時(shí)間短，排料頻繁，脫硫劑內(nèi)層有效成分參與反應(yīng)少，利用率受較大影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脫硫劑在固定床的使用時(shí)間不低于7 d，方可在保證脫硫脫硝效率的同時(shí)，最大限度地提高脫硫劑利用率。

圖6 脫硫劑滯留時(shí)間對其利用率的影響

3 結(jié) 論

(1)煙氣溫度、停留時(shí)間、煙氣SO2原始排放量、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)均是影響靜置式固定床脫硫脫硝效率的因素。試驗(yàn)表明，煙氣溫度對脫硫效率無明顯影響，煙氣溫度和脫硝效率呈正相關(guān)，煙氣溫度高于100 ℃，脫硝效率達(dá)到60%以上；停留時(shí)間對脫硫脫硝效率影響大，呈負(fù)相關(guān)，且停留時(shí)間超過10 s，脫硫效率達(dá)到90%以上，脫硝效率達(dá)到60%以上；煙氣SO2原始排放量對脫硫脫硝效率呈負(fù)相關(guān)，對于特定的脫硫脫硝系統(tǒng)，控制煙氣SO2原始排放量在一定范圍，才能保證其脫除率。脫硫劑的停留時(shí)間對其利用率呈正相關(guān)。

(2)試驗(yàn)表明，根據(jù)煙氣性質(zhì)和工況條件，選擇合適的煙氣溫度區(qū)間，根據(jù)煙氣停留時(shí)間及煙氣SO2原始排放量等參數(shù)設(shè)計(jì)合適的低溫?zé)煔鈨艋惑w化裝置，脫硫效率和脫硝效率分別可達(dá)到90%和60%以上，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)鍋爐煙氣超低排放要求，是適用于20 t/h及以下的中小型燃煤鍋爐實(shí)現(xiàn)煤炭清潔利用和煙氣超低排放的技術(shù)選擇之一。