生物质层燃锅炉烟气治理技术探讨与应用

  2024-04-17         0次

0  前言

我国目前的锅炉主要以烧煤为主，随着国家政策对节能环保要求不断严格背景下，尤其是中大型城市开始限制燃煤锅炉的建设，锅炉的燃料往洁净能源方面发展。我国有丰富的生物质资源，特别农村农林剩余物未很好利用的比重很大，这些农林剩余物成为锅炉燃料使用对环境是很好保护，且现在农林剩余物直接焚烧国家明令禁止的，生物质作为可再生资源，它的生长时需要的二氧化碳相当于它排放的量，对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效应^[1]。因此，研究开发生物质层燃锅炉燃烧技术，开发生物质燃料层燃锅炉，对节能减排、优化我国能源结构，减轻环境污染有积极意义。

1  生物质燃料的特点

（1）燃料种类繁多

生物质燃料一般有树皮、木片、薪材、稻草、秸秆、玉米秆、麦秆、木屑、建筑模版等。由于它们所含的水分、各种元素成分不一样，所以热值也不一样，且差距较大。各种生物质燃料因其季节性因素的制约，单种生物质燃料很难满足锅炉正常运行的需求，所以大部分生物质锅炉均采取多种生物质燃料混合燃烧的措施。

（2）杂质较多

生物质燃料在其收集的过程中，由于燃料来源广泛且较为分散，燃料的品质很难保证，因此燃料中会掺有泥土、细沙、工业胶水、油漆、铁钉及铁块等杂质，这些杂质进入炉膛燃烧会造成炉排和炉膛的局部结焦以及尾部堵塞等现象。

（3）燃料水分高

生物质燃料因原料来源不稳定且燃料种类繁多，燃料混合后水分在25-45%范围，燃料中的水分偏大，热值不高。生物质燃料入炉后因水分高不易着火，需一定时间的预热，降低了炉膛的温度和增加了尾部排烟损失，降低锅炉效率。    

（4）碱金属含量高，燃料尺寸多样化

生物质燃料因植物在生长过程携带钾、钠、氯等微量元素，灰分中碱金属含量高，易导致锅炉结渣、积灰和腐蚀的现象出现。燃料的尺寸多样，很难与给料系统匹配，易出现料仓搭桥、堵塞等现象，导致给料系统无法正常使用。

2  层燃锅炉特点

   燃料由给料设备从料仓输送到炉膛的炉排上，形成一定厚度的燃料层，燃料燃烧过程中离不开燃料层，且燃烧所需的空气大部分均由炉排下部送入，经过炉排的间隙进入燃料层，燃烧过程是沿着燃料层厚度自上而下依次经历热力准备层、干燥层、还原层、氧化层和灰渣层，上述燃烧方式的锅炉称为层燃锅炉。层燃炉按照炉排形式的不同分为：固定炉排炉、链条炉排炉、振动炉排炉及往复炉排炉等，每一种燃烧设备都有其特定的优缺点且适合于不同的燃料属性。层燃方式是生物质直接燃烧中最为常用的方式，此燃烧方式的主要特点有：

（1）燃料粒径要求低

流化床锅炉、室燃锅炉的燃烧要求对入炉燃料的粒径均比层燃炉高很多，层燃炉基本上满足给料设备情况下，均能入炉内进行燃烧。生物质层燃炉燃料粒径尺寸，主要是考虑燃料粒径尺寸与输送设备能吻合，只要物料输送时不会出现料仓搭桥、堵塞及给料设备卡壳等现象，锅炉即能正常运行。

（2）建设成本与运行成本低

层燃锅炉结构简单，可组装出厂，现场安装工期短；辅机设备简单且要求低，对锅炉房的建造要求很低。另外由于对辅机设备的要求低，辅机数量少，因此整体运行成本低于其他类型锅炉。    

（3）层燃的燃烧方式燃料与空气接触不充分，燃烧速度相对较慢。锅炉运行的过量空气系数、气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失大于室燃、流化床的燃烧方式，层燃类的锅炉热效率会比室燃、流化床的锅炉低一些^[2]。

由于生物质本身低硫、低氮的特性，生物质锅炉烟气中 SO₂、 NO_X原始浓度较低，一般都在 180~300mg/Nm³之间。锅炉的脱硫、脱硝可根据各地区对排放要求不同来选取合适的工艺路线，综合考虑项目投资、工程占地、系统复杂性、施工难易度、运行维护费用等因素。

3  脱硫、脱硝技术工艺的选择

3.1 脱硫技术工艺

（1）炉内脱硫

炉内脱硫技术是以钙基为脱硫剂，投入炉内与SO₂进行化学反应，最终生成硫酸钙，化学反应式为：

CaCO₃ - CaO+CO_２（煅烧反应）

CaO＋SO₂＋1/2 O₂ - CaSO₄（固硫反应 ）

循环流化床锅炉炉内脱硫效率一般能达到60%-70%，生物质层燃炉炉内喷钙（氧化钙为脱硫剂）脱硫效率会比循环流化床更低，约在30%-40%左右。

（2）炉后干法脱硫

炉后干法脱硫可采用钙基脱硫剂（熟石灰粉）或钠基脱硫剂（碳酸氢钠）喷射，在锅炉尾部末级受热面后和布袋除尘器入口烟气管道增加喷射口，使脱硫剂粉末与烟气中的 SO₂发生化学反应：

钙基脱硫剂：Ca(OH)₂+SO₂→CaSO₃+H₂O，    

钠基脱硫剂： 2NaHCO₃ = Na₂CO₃+H₂O(g)+CO₂

SO₂+Na₂CO₃+1/2 O₂ = Na₂SO₄+CO₂

炉后脱硫的效率不低于70%，炉后干法脱硫与炉内脱硫的主体设备基本一致，因此投资和运行费用都较低。钠基脱硫的效率整体比钙基脱硫的效率高，但是运行成本后者比前者更低。炉后干法脱硫对脱硫区域的烟气温度有一定要求，特别是钠基脱硫对脱硫区域反应温度不能低于120℃，且这种类型飞灰因含有硫化物，对于想把尾部飞灰用于制作肥料，会对其品质有一定的影响。

（3）炉后半干法脱硫

炉后半干法脱硫最常用的工艺为旋转喷雾半干法，旋转雾化反应系统由喷雾反应塔、石灰浆制备系统组成。石灰制备系统将生石灰（CaO）制备成一定浓度的 Ca(OH)₂ 浆液，该浆液经过旋转雾化器喷入半干式反应塔中，形成极小的雾滴。烟气与石灰浆液雾滴充分接触反应去除 SO₂气体。在反应塔中高温烟气使雾滴的水份蒸发，迅速使烟气温度降至适合于石灰浆液与酸性气体反应的温度，并最终使反应生成物干燥成为固体粒状物。部分粗颗粒在反应塔中除下，大部分微粒和未完全反应的吸收剂随烟气进入下游的袋式除尘器。

旋转喷雾半干法的脱硫效率大于80%，同时反应塔出口的烟气温度仍高于烟气的露点温度，布袋除尘器和烟囱无需做防腐。半干法脱硫工艺的缺点是：设备投资成本高、占地面积大、反应副产物需另行处理。因此该方法适用于燃料特殊，外排烟气中 SO₂ 浓度高且排烟要求严格的生物质锅炉区域。

（4）炉后湿法脱硫

炉后湿法脱硫采用石灰石浆液或者碱性溶液与烟气接触，去除烟气中的酸性气体，同时将反应后的物质通过物理和化学过程变成副产物，主要的设备有湿式反应塔、循环浆液泵、副产物制备系统。    

湿法脱硫的脱硫效率大于85%，适用于较高浓度的烟气脱硫场合。湿法脱硫工艺的缺点是系统复杂，几乎所有设备都需防腐，投资成本高，占地面积大。排烟温度低于烟气露点温度，烟囱需做防腐^[3]及有些区域需要对烟气进行脱白后才能排入大气中。

3.2 脱硝技术工艺

（1）SNCR脱硝

在炉膛 800~1100℃这一温度范围内、在无催化剂作用下，NH₃或尿素等氨基还原剂可在有氧的气情况下、选择性地还原烟气中的NOx，据此发展了SNCR 法。主要反应为：

2NO+CO(NH₂)₂+1/2 O₂→2N₂+CO₂+2H₂O（尿素为还原剂）

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O（氨或氨水为还原剂）

SNCR脱硝系统简单，脱硝效率一般为 40%~60%^[4][5]，受锅炉结构尺寸影响大，技术成熟可靠。

优点：技术成熟、投资和占地均较小；

缺点：反应效率受炉内温度制约。

（2）SCR脱硝

SCR 脱硝技术是指在催化剂的存在下，还原剂（氨水或尿素）与烟气中的 NOx 反应生成无害的氮和水，从而去除烟气中的NOx。SCR系统的脱硝效率在80%~90%之间，SCR催化剂选用根据布置区域温度和含尘量进行选配。特别对于碱金属比较多生物质锅炉，需考虑催化剂中毒现象和使用周期。

3.3 脱硫脱硝技术工艺选择    

生物质本身的特点低硫、低氮的特性，对锅炉的脱硝、脱硫的要求相对来说都不太高。因此对生物质锅炉项目的脱硫、脱硝方案，根据原始排放和当地的排放要求进行方案选择，脱硫优先考虑炉后干法脱硫工艺，脱硝方面优先选用SNCR脱硝工艺。

4  项目案例分析

4.1 锅炉概况

某生物质电厂投建一台锅炉型号为SZL20-1.4/320-S的备用供热锅炉，锅炉为水管组合循环炉，双锅筒纵置式、平衡通风、固态排渣、链条炉排锅炉。锅炉由锅炉主机、生物质燃料输送系统、燃烧配风系统、给水系统、除尘系统、电气仪表及DCS电控系统、SNCR脱硝及尾部干法脱硫系统（钠基脱硫剂）等主要系统所组成。炉膛采用二次风燃烧技术并配备多个防爆门防止炉膛爆燃，进料采用三点给料方式，确保平稳正常连续给料。

4.2 燃料概况

锅炉设计燃料为生物质散料：薪材、边角料、木块、模板、树皮、竹节、刨花、锯末及园林废弃物等为原料破碎后混合等。燃料粒度尺寸：粉末及片状（最佳尺寸为50-100mm）。设计燃料成分数据表（收到基）如下：    

4.3 锅炉脱硫、脱硝运行工况

本工程的20t供热锅炉由于运行负荷根据外网对供热需要进行调整，锅炉负荷、生物质燃料的波动性，锅炉运行时烟气量为20,000-40,000 Nm³/h范围，NOx原始排放浓度为180-240 mg/Nm³、SO2原始排放浓度为80-200 mg/Nm³。现该区域要求NOx、SO2的最终排放浓度必须小于等于150 mg/Nm³。

本工程采用炉内干尿素进行炉内脱硝，炉后采用钠基（碳酸氢钠）干法脱硫工艺，设备在考虑运行成本等因素NOx的最终排放浓度为100-130mg/Nm³，SO2的最终排放浓度为80-100 mg/Nm³。锅炉选配的脱硝、脱硫技术工艺均能满足企业环保排放的标准。

5  总结与改进    

通过对生物质燃料特点、层燃生物质锅炉的特点介绍，对脱硫、脱硝工艺的技术说明，再结合我司SZL20-1.4/320-S的备用供热锅炉的工程案例及运行的情况，总结生物质层燃锅炉的脱硫、脱硝工艺和运行方面的经验，供以后该类型锅炉的同行参考。

（1）生物质层燃锅炉炉膛温度一般在800-850℃范围，NOx原始排放浓度一般低于200 mg/Nm³情况下，脱硝选择炉内SNCR脱硝工艺，还原剂选择干尿素或者尿素溶液。

（2）SO2原始排放浓度一般低于200 mg/Nm³情况下，脱硫根据环保排放要求，脱硫效率在不低于40%可满足排放的情况下可选择采用炉内脱硫。脱硫剂采用氧化钙，通过炉膛内部喷射方式与烟气SO2混合反应达到脱硫效果。对环保要求脱硫效率高于50%的情况下脱硫工艺需采用炉后干法脱硫，钙基和钠基脱硫剂根据环保排放要求选取，在同等条件钠基脱硫比钙基脱硫的效率会更高。

（3）为了降低NOx原始排放浓度，建议层燃炉运行时需把炉膛出口的氧含量控制在6%-8%范围，这样能有效降低NOx原始排放浓度，降低脱硝运行成本。

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