链条锅炉烟气净化系统升级改造及其减排效果

陈新虎 范冬琪

（1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250031；2.通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031）

为持续改善我国大气环境质量，2014 年9 月，国家发改委、环保部和能源局发布了发改能源〔2014〕2093 号文，制定了《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020 年）》。同时，环境保护部、发展改革委、能源局印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》[1]，提出了燃煤机组“超低排放”的要求和时间表。西部地区（含内蒙古等12 省区市及新疆生产建设兵团）在2020 年前完成。

在上述背景下，兖矿集团印发的《兖矿集团有限公司关于2020 年生态环境保护工作的意见》兖矿集团发〔2020〕5 号文件中要求：持续提升大气污染防治水平，推进烟气超低排放工程，落实《锅炉大气污染物排放标准》以及各省市区地方标准的要求，煤业公司要完成转龙湾煤矿锅炉烟气超低排放改造，实现锅炉烟气超低排放。受鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司委托，负责设计了鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司燃煤蒸汽链条锅炉烟气净化系统提标改造项目。

1 工程概述

1.1 烟气排放指标

鄂尔多斯市转龙湾煤炭有限公司有2 台SZL20-1.6-A Ⅲ燃煤蒸汽链条锅炉，共用一座高50 m、直径1.40 m 的烟囱。其中，2 台SZL20-1.6-A Ⅲ燃煤蒸汽链条锅炉配置2 套布袋除尘器和1 套对应总烟气量的单碱法脱硫喷淋塔，锅炉原有SNCR 脱硝设备基本停用。标准状态下两台锅炉烟气量约120 000 m3/h，年运行时间约210 d。改造前污染排放浓度及改造后排放要求见表1。

表1 改造前污染排放浓度及改造后排放要求

1.2 改造前烟气净化系统

改造前系统包括浆液制备系统、循环喷淋系统、除雾器冲洗系统、喷淋塔、布袋除尘器、烟道系统、废水处理系统等。主要设备如下：每台锅炉对应1 台引风机及1 套布袋除尘器，引风机风量68 000 m³/h，压力7000 Pa；除雾器冲洗泵1 台，流量30 m3/h，扬程60 m；浆液投加泵流量20 m3/h，扬程24 m；喷淋系统3 台循环喷淋泵，流量200 m3/h，扬程分别为26 m、28 m、32 m；废水处理系统1 套。

喷淋塔结构如图1 所示。1#、2#锅炉烟气经省煤器进入布袋除尘器除尘后，通过引风机、增压风机进入喷淋塔。塔内设置三层循环喷淋、两级平板除雾器及三层除雾器冲洗，烟气经喷淋塔脱硫后进入烟囱排放至大气。

图1 原喷淋塔结构图

1.3 改造后烟气净化系统

改造后各锅炉烟气经省煤器进入布袋除尘器除尘，除尘后的烟气进入引风机前烟道，在烟道中投加臭氧脱硝，然后通过引风机将烟气送入脱硫塔，经过脱硫塔4 层浆液喷淋脱硫，通过脱硫塔上部的一层加湿层、一层管束除雾器进行除尘除雾。脱硫塔脱硫完成的烟气通过垂直烟道进入水平净烟道，最终烟尘、SO2、NOx、雾滴都去除达标的烟气通过烟囱排入大气。

工程改造后，布袋除尘器过滤面积增大，阻力不会增大，臭氧投加增加阻力约300 Pa，脱硫系统增加一层喷淋，阻力增加约1500 Pa，整个烟风系统阻力增加约1800 Pa，原引风机全压余量满足此次改造的要求，引风机可不进行改造。

2 脱硫系统改造

通过对原有喷淋塔结构的检测，满足上部增高喷淋塔的基本条件，改造后喷淋塔整体高度增加5 m。主要改造涉及以下几点：

改造脱硫塔进烟口；塔内增设烟气导流板；将原全部喷淋层重新设计更换，新增了1 层喷淋层，新增1 台喷淋循环泵，喷嘴按9 个布置，每层喷嘴采用交叉的布置方式，交叉布置后需要达到浆液覆盖率200%的目的，从而保证浆液喷淋的效果，进一步提高脱硫的效率；塔内相应支撑等部件一起更换，腐蚀严重的区域重新做玻璃鳞片防腐处理；拆除原脱硫内除雾器及冲洗水管，脱硫塔上部新增1层加湿喷淋层，新增管束除雾器及冲洗装置；底部浆液区新增氧化曝气系统。如图2。

2.1 进烟口改造

原脱硫塔烟气单侧直流进入，烟气在塔内的流场分布会不均匀，在进口侧存在回流区、死滞区和涡流区。当气体以一定角度偏斜进入后，气体在回流区内的逆向流动速度会减小，同时也会随着气体流速减小而逐渐减小[2]。

因此需要对原水平烟气进口进行改造，将原脱硫塔烟气水平进口改为倾角15°的倾斜进口，同时将原来尺寸为（宽×高）1.7 m×1.1 m 进口改为更为扁平的进口形式，改造后尺寸为（宽×高）3.0 m×0.95 m。通过烟气进口的改造可以降低烟气进口流速，烟气进口流速由原来的约18 m/s 降低为约12 m/s。烟气流速的降低以及扁平入口可以进一步改善烟气进入脱硫塔后的流场，避免进口侧回流区、死滞区和涡流区的出现，使得烟气在塔体内分布更均匀，提高气液传质效率，进一步提高脱硫效率。

在烟气进脱硫塔前烟道内增加事故喷淋降温装置，防止喷淋塔事故暂停时高温烟气损坏塔内构件。

2.2 设置烟气导流板

加入导流板后，本项目的脱硫效率得到明显的提升，而且系统阻力并未增加，基本上与原塔相近。可见，通过在喷淋塔入口处设置适当的导流板，可以有利于解决脱硫塔内烟气偏流的现象，可以使得喷淋的浆液更好地与均匀的烟气接触，浆液与烟气的充分接触有利于增强脱硫效果，烟气分布越均匀，喷淋塔阻力损失会越小[3]。

工程改造时在脱硫塔烟道进口处设置两块导流板，用于提高液气比均匀性，提高脱硫效率。

2.3 喷淋层改造

增加烟气在塔内停留时间、增大液气比、选择液滴颗粒尺寸适合的喷嘴、提高喷淋覆盖率和覆盖均匀性，有利于提高喷淋效果[4]。

双碱法脱硫液气比一般要求6～9 L/m3[5]。系统原有三层喷淋对应的循环泵运行正常，原有喷淋泵流量Q=200 m3/h，液气比为5 L/m3。新增1 台循环泵流量Q=200 m3/h，新增喷淋层后液气比为6.7 L/m3，满足了脱硫液气比要求，提高了脱硫效果。

原有喷淋层喷嘴老化，覆盖率及覆盖均匀性均较差，影响脱硫效率。本改造喷嘴布置形式采用矩阵型，采用90°实心喷嘴，液滴粒径500～1000 μm，喷嘴角度小可以减少对塔壁的冲刷，实心锥可实现无死角覆盖，充分锁气。4 层喷淋层上下错开布置，每层进口旋转25°，喷淋层布置如图3。相邻喷淋层间距2.0 m。最底层喷淋层中心线在吸收塔烟气入口顶端上方2.5 m。

脱硫塔整体高度增加，烟气在塔内的停留时间也会随着增加，能够进一步提高脱硫效率。

2.4 新增加湿层及管束除雾器

新增管束除雾器可以对净烟气携带的雾滴和粉尘进一步净化脱除。为了除尘效果得到保证，装置内安装多级加速器、分离器、集尘环，能够进一步增强气流运动，气体停留时间也能得到进一步延长，粉尘颗粒的分离效果可以得到较大的提高。

通过增加的烟气加湿层可以形成大量的细小雾滴，粉煤灰颗粒在大量细小雾滴高速运动的空间下，能够增加与雾滴接触碰撞的概率，微小的粉煤灰与雾滴接触凝聚后能够得到去除，管束除雾器的除尘除雾效果能够得到进一步提高。加湿层布置如图4。

图4 加湿层布置图

3 脱硝系统改造

根据现场实际情况分析：SNCR 及SCR 脱硝工艺均需要对锅炉进行施工改造，因为现有2 台锅炉炉龄较老，业主考虑近两年更换新锅炉；如更换锅炉SNCR 及SCR 脱硝设备需要重新设计施工，增加了人力物力的投资，不适合该项目。

臭氧脱硝工艺投加位置在布袋除尘器后烟道内，安装施工与锅炉无关，业主更换同等负荷新锅炉后，脱硝装置不受影响，可以继续使用，减少以后的进一步投资，脱硝采用臭氧氧化脱硝系统。

臭氧脱硝的原理是通过臭氧作为一种强氧化剂来实现脱硝的目的。NO 是烟气中NOx的主要组成部分，NO 的特点是反应活性差且难容于水。通过臭氧氧化可以将NO 氧化成NO2，再通过臭氧氧化作用把NO2氧化成高价态的N2O3、N2O5等。臭氧氧化后的高价氮氧化物可以溶于水生成溶解能力更强的HNO2和HNO3，进而在喷淋塔内可以通过浆液喷淋与SO2同时被吸收去除，实现同步脱硫脱硝的效果[6]。

目前标准状态下原始排放NOx的浓度为250 mg/m3，单台炉工况烟气量60 000 m3/h，2 台炉工况烟气量120 000 m3/h。达标排放要求：NOx浓度≤50 mg/m3，保险运行数据：NOx浓度≤40 mg/m3。锅炉烟气排放的NOx质量浓度为200 mg/m3（标准状态，干烟气，O2浓度9%，以NO2计），则折算的锅炉烟气排放的NO 质量浓度为（250/2.05×0.95）×1.34=155.24 mg/m3，折算的锅炉烟气排放的NO2质量浓度为（250/2.05×0.05）×2.05=12.50 mg/m3，两者之和为167.74 mg/m3（标准状态，干烟气，O2浓度为9%，分别以NO 和NO2计）。公式中2.05 g/L、1.34 g/L 分别为NO2和NO 的标准状态下的密度，0.05、0.95 分别为NO2和NO 在NOx中的体积浓度[7]。

O3与NO 之间摩尔数的比值称为摩尔比[M（O3）/M（NO）]，[M（O3）/M（NO）] 的比值体现了O3量相对于NO 量的数值。NO 的氧化率随摩尔比的升高而呈现直线上升的趋势。现有研究发现，当[M（O3）/M（NO）]在0.9～1 之间时，脱硝效率可达到85%～100%[8]。

则需要脱除的NO 质量：

（167.74-40）×120 000=15.33 kg/h。

设需要臭氧量为X，则X/15.33= [M（O3）/M（NO）]，即X/15.33=48/30，臭氧量X=24.53 kg/h。

考虑冬季供暖2 台锅炉要同时运行，按照最大工况选用30 kg 臭氧发生器，考虑使用维护方便，建议配置两台15 kg 臭氧机。因此，选择2 台臭氧产量15 kg/h 的臭氧发生器[9]。

每产生1 kg 臭氧需要气态氧气量为8 m3；每1 m³的液氧大约产生气态氧800 m3。4 天时间3 台锅炉全负荷运行液氧需求量：30×8÷800×24×4=28.8 m3。液氧储罐容积选择30 m3。

4 其他系统改造

4.1 除尘系统改造

现有布袋除尘器型号为LCM226-2x3，布袋型号Φ160 mm×6000 mm，材质为PPS+PTFE 滤袋，总过滤面积为1350 m2，采用离线清灰方式，过滤风速约为0.96 m/min。经除尘后颗粒物排放浓度只能达到≤30 mg/m3。

将现有除尘器上盖板拆除后将上部净气室加高一米，原花板位置提高一米，滤袋更换为规格Φ160 mm×7000 mm，材质为PPS+PTFE 覆膜滤袋。将原有离线清灰通过调整控制方式改为在线清灰方式，改造后布袋除尘器过滤面积为1575 m2，过滤风速0.68 m/min。除尘器外部改造不需要更换配套风炮、脉冲阀、压风管路等配套设施，只需要对原有设备进行检修。除尘器布袋加高后，相应增加少量设备荷载及一定的积灰荷载。经过核算，原设备支撑结构承载力能够满足改造后的相应质量。

对除尘器进行整体检修，对漏风点进行修补，确保除尘器性能达标，出口颗粒物排放浓度达到≤10 mg/m3。

4.2 除雾器冲洗系统

增加管束除雾器等增加了对原有除雾器冲洗泵流量的要求，更换原有除雾器冲洗泵，通过设置气动阀门远程控制除雾器冲洗及冲洗水泵启停。配置两台除雾器冲洗水泵（1 用1 备）参数为H=68 m，Q=50 m3/h。

4.3 烟气加湿降温系统

烟气进喷淋塔前烟道内增加事故喷淋降温装置，防止事故时高温烟气损坏塔内构件。入口前烟道段向喷淋塔倾斜，事故喷淋后的喷淋水可以流入喷淋塔内。事故喷淋装置由除雾器冲洗泵供水。

4.4 烟道除雾器系统

烟气出喷淋塔进入水平烟道后，增加烟气加湿装置，然后在水平烟道布置2 层烟道除雾器及冲洗装置，烟道下部设集水槽，收集除雾器冲洗水排入喷淋塔内。烟道除雾器冲洗由除雾器冲洗泵供水，烟道加湿装置由高压雾化喷嘴及管道组成，设置单独的加湿泵，加湿泵流量为1 m3/h。

5 工程运行效果

改造后实际运行效果表明指标均达到设计要求（干基O2浓度为9%）：NOx浓度≤50 mg/m3，SO2浓度≤35 mg/m3，粉尘浓度≤10 mg/m3。每年可比原有系统减少SO2排放量15.12 t，减少烟尘排放量9.07 t，减少NOx排放量120.96 t，减排效果明显。