生物质电厂脱硝超低排放工艺研究

杨玖林，王思明，谭方良，王坤

（中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

生物质能作为分布广、可存储运输、零碳排放的可再生能源，在世界能源格局中扮演着十分重要的角色，生物质电厂也是我国实现“碳达峰”“碳中和”的重要发力点。随着环保要求的提高，选择合适的烟气净化路线对于环境保护以及生物质电厂的经济运行具有重要意义。本文针对国内多家生物质电厂的烟气净化工艺进行了对比研究，探讨烟气净化工艺的最佳路线。

2 氨氧化物生成及排放标准

生物质锅炉与常规燃煤锅炉燃烧机理基本一致，但生物质锅炉炉膛燃烧温度在1 300℃以下，产生的氮氧化物（NOx）主要为燃料型NOx，约占总量的60%～90%[1]。

目前，大多地区要求生物质锅炉烟气排放标准按GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》或GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》 执行，即氮氧化物的排放标准200 mg/m3，部分重点地区按100 mg/m3[2]。随着国家对环境治理力度的不断加大，生物质锅炉排放限值愈加严格，环保脱硝需求也愈加强烈，多个省市相继出台地方污染物排放标准，要求氮氧化物排放达到超低排放标准，即排放限值为50 mg/m3，甚者已要求按超超低标准排放，即排放限值为30 mg/m3。国内部分地区生物质锅炉氮氧化物排放限值汇总见表1。

表1 国内部分地区生物质锅炉氮氧化物排放限值汇总表

3 氮氧化物治理方案

生物质电厂锅炉脱硝方式除燃烧控制外主要有：SNCR脱硝、SCR 脱硝、低温脱硝和高温复合滤筒工艺等[3]。

3.1 选择性非催化还原技术（SNCR/PNCR）

SNCR 脱硝技术的特点是设备简单、无须催化剂、运营投资成本比SCR 低。对于炉排炉，脱硝效率可以达到50%左右。对于流化床锅炉，脱硝效率可以超过50%[4]。

高分子选择性脱硝（PNCR）是近年来发展的一项新脱硝技术，采用高分子脱硝剂与烟气NOx反应生成N2和H2O，其投资成本低，约占SNCR 脱硝的70%；脱硝效率比SNCR 高，正常情况下可达80%～90%[5]。

3.2 选择性催化还原技术（SCR）

SCR 广泛应用于燃煤、燃气锅炉项目，但生物质锅炉烟气的低温、高湿，以及含有大量碱金属和飞灰的特点，容易造成催化剂中毒、堵塞、磨损等问题，导致脱硝效率降低[6]。

3.3 高温复合滤筒工艺

高温复合滤筒工艺是一种烟气协同处理技术，其原理与传统SCR 相同，但与传统SCR 的最大区别在于其催化剂分布在滤筒管壁中[7]。高温复合滤筒工艺亦有助于粉尘和SO2的脱除，烟气在滤筒外表面过滤掉粉尘和脱硫灰，在外表面形成滤饼层并进行二次脱硫，可提高烟气净化系统的整体脱硫效率[8]。

通过调研山东某生物质电厂，该厂最初采用“SNCR 炉内脱硝+炉后干法脱硫+布袋除尘”的烟气处理方案，后因环保要求提高，原烟气处理方案已经无法满足当地超净排放的要求，于2018 年11 月对烟气处理方案进行了改造，采用了高温复合滤筒技术，炉后烟气从省煤器后引出，直接进入高温复合滤筒烟气处理装置，处理后的烟气回到原位置，经空预器、引风机、烟囱，后排入大气，改造方案见图1。

图1 山东某生物质电厂高温复合滤筒工艺系统图

改造后整体系统运行稳定，污染物排放浓度（标准大气压下）可稳定在：SO2为34.2 mg/m3，NOx为16.8 mg/m3，颗粒物为2.8 mg/m3，满足超净排放标准。

3.4 常规烟气净化路线与硫尘硝一体化路线的比较

高温复合滤筒脱硝在整个工艺中是先过滤后催化脱硝，附着在滤筒表面的过滤层饼可有效避免催化剂受砷（As）、硒（Se）等重金属的毒化，催化剂活性可以达到与滤筒同寿命，甚至更长。常规烟气净化路线SCR 催化剂的寿命基本在1.5～2 年左右，而采用尘硝硫一体化脱硝，SCR 催化剂的寿命可达到5 年[9]。

高温复合滤筒尘硝一体化采用模块化分仓设计，每个仓室相互独立且设置有隔热层，其进出口管道由单独的阀门控制，清灰系统和输灰系统也相对独立。当某个仓室出现故障时，可将烟气隔开后单独检修，而不影响其他仓室正常工作。

高温复合滤筒尘硝一体化工艺中粉尘和酸性气体均已在高温段脱除，尾部受热面管子不受积灰、结垢、低温腐蚀的影响，可改善换热效果，提高全厂热效率。

常规烟气净化路线与硫尘硝一体化路线运行成本对比见表2，干法脱硫+复合陶瓷滤筒尘硝一体化路线初始投资约3 000 万元，常规烟气净化路线初始投资约1 800 万元，尘硝一体化工艺较常规工艺年运行成本可节约295 万元，在第一个5 年运行周期内可弥补初始投资的增加，5 年后理论上催化剂失去活性更换（再生），基建投资不发生变化，只有运行费用发生变化，所以运营周期越长，尘硝一体化路线运行费用较常规工艺路线越经济。

表2 烟气处理工艺方案主要运行成本差异

4 结论

1）生物质发电厂脱硝工艺的选择应综合考虑排放标准要求、生物质锅炉类型、脱硝效率和脱硝技术的发展，在燃烧控制、SNCR、SCR、高温复合滤筒等方案中进行单项或组合选择。近年来，受环保压力的影响，越来越多的生物质电厂在进行超低排放改造，已有较多生物质电厂采用干法脱硫+复合陶瓷滤筒尘硝一体化路线，实际运行效果显著。

2）对于高温复合滤筒技术，其原理属于催化还原反应，运行温度区间在300℃左右。催化剂以复合滤筒作为载体，安装完成后，需要对滤筒表面作“预喷涂”处理，以保护滤筒内的催化剂，并提高粉尘的过滤效率，满足超净排放标准。该技术初投资较低温SCR 技术偏高约20%，但其正常运行期维护成本可节省60%。