小型燃煤循环流化床锅炉除尘脱硫改造方案设计探讨

关键词：循环流化床；除尘；脱硫；布袋；烟气；排放

Keywords: circulating fluidized bed; Dust removal; The desulfurization; Bag; Smoke; emissions

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

1 概述

某公司2台35t/h循环流化床燃煤锅炉，配套有一体化麻石除尘脱硫装置。但因设备老化及原技术参数选取不合理及运行维护等原因，导致烟气不能达标排放。

为保护环境，减少环境污染，避免环境纠纷，同时确保锅炉正常运行，公司拟对2台锅炉烟气除尘脱硫设施进行改造，使锅炉烟气污染物达标排放。

遵循安全可靠、操作简单、最大限度利用原有设施、降低投资及运行费用的原则，对该工程治理方案设计进行探讨。

2 治理原则与目标

2.1治理原则

①选择的处理工艺流程、建（构）筑物型式、主要设备满足生产和使用的要求，严格执行有关环境保护法律、法规，确保经治理后的烟气排放浓度符合国家标准和地方要求。

②以安全性和可靠性为目标，遵守现有的设计规范，保证必要的安全系数。

③确保烟气达标排放的同时，合理确定设计参数，使工程投资省、运行维护费用低；同时，选择合理治理工艺，回收粉尘和脱硫渣（石膏）作为建材原料出售或利用，在获得环境保护效益的同时争创经济效益，力争实现环保效益与经济效益双赢。

④根据生产需要，在经济合理的原则下，采用实用、可靠的先进技术，确保系统投产后运行稳定，易于操作、管理和维护。

2.2治理目标

根据污染物排放标准和当地环保部门及业主的要求，治理后烟气中粉尘排放浓度≤50mg/Nm3，二氧化硫排放浓度≤800mg/Nm3。

3治理技术方案分析比较

3.1 除尘工艺选择

粉尘和二氧化硫分别属于颗粒和气态污染物，去除的机理不同。结合本工程实际和国内外同类工程的比较，针对这两种污染物的特点，考虑工程的可靠性、合理性，本方案拟对这两种污染物分别治理：先除尘再脱硫。

选择合适的除尘器，采用合理的工艺技术是能否取得成功的关键。除尘器的选型不当或工艺技术路线不佳，不仅会导致除尘器的稳定可靠运行，还会影响脱硫系统的正常运行。相反，若除尘器选择合理，不仅能保证系统长期运行稳定可靠，且能较大幅度地降低直接投资和综合成本，也能保证脱硫系统长期稳定高效运行，降低碱水消耗量，减少渣量，降低成本。

除尘器选型应在适合烟气流量、粉尘浓度和特性的基础上，充分考虑投资规模和投资回报率、运行成本、性价比。根据工程实际情况，既要便于安装，不影响人流物流，又不能影响生产。

迄今为止，除尘工艺主要有：重力沉降、旋风除尘、湿法除尘、电除尘、脉冲式和大布袋除尘（分正压和负压2种）。

(1)重力沉降及旋风除尘

重力沉降和旋风除尘的效率较低，单独使用无法达标排放，属于淘汰或转型应用产品，多用于新型除尘系统作预处理器使用。

(2)湿法除尘

湿法除尘直接投资较小，配套投资较大，综合运行成本很高，风机负荷很大，耗电量大，风机与系统容易腐蚀失效，不能直接回收产品，除尘效率低（很难达到85%），难以确保达标排放。同时，湿式除尘不仅不能回收干灰，而且将可再利用的生产资源变成废渣浪费，也带来了二次污染问题。

(3)电除尘

电除尘器有立式和卧式两种，可分为无动力电收尘器、水电复合收尘器、旋风电收尘器、电袋收尘器等几种形式。国内外资料表明，采用电除尘器有如下缺点：

首先，电除尘器的制造和运行成本太高，直接投资是布袋除尘器的2～3倍，综合投资高达3～5倍，运行成本高达3倍以上。根据国家袋式除尘器委员会的对比分析报告，既使导电能力良好的粉尘，要想满足新的排放标准要求（低于≤50mg/Nm3），电除尘器至少需要建设5～6电场，导致其总投资更大，而布袋除尘器的投资仅相当于它的2电场。

其次，西南地区煤的氧化铝、硅含量较高，煤灰的比电阻值很高，通常超过E12以上，不能被静电捕捉，电除尘器对其失效，这也是硅类、铝镁氧化物粉尘无法使用电除尘器的原因。

第三，易腐蚀、结露。电收尘器的壳体、极板、放电装置、管道等部位很容易受立窑烟气中酸性物质的腐蚀。烟气中大量水分又会导致电收尘器产生结露，从而降低收尘效率，缩短除尘器的使用寿命。

第四，运行费用高。如果执行新的环保标准排放值，在相同运营电费情况下，电除尘器可开2～3电场，布袋除尘器可开整个系统，其中，脉冲式除尘器用电量相当于3电场，而某些新型布袋除尘器的用电量不足2电场。

(4)布袋除尘器

迄今为止，布袋除尘器按清灰方式分为机械式、脉冲式和反吹式。

机械式是用机械振打、摇摆实现清灰，清灰强度不够，清灰不彻底，布袋损耗严重，多用于小型除尘器，运行成本很高，检修维护更换频繁。

本方案不推荐使用脉冲式除尘器，尽管市场有各种类型的脉冲式除尘器（例如，唐纳森滤芯除尘器、高压脉冲、中低压脉冲、低压回转反吹、行脉冲、KCS、LEEF等系列），包括当今世界最先进的德国鲁奇型长袋低压脉冲式产品。因为脉冲式除尘器有如下缺点：

①属于强制清灰，不仅能耗很高（压缩空气站容量30m3/min），而且强制清灰对布袋损伤严重，布袋更换频繁、成本高；

②属于布袋外过滤方式，室内墙板和袋子都很脏，布袋更换环境很差；

③使用针刺毡滤料提高过滤风速，但这种滤料抗结露能力很差，很容易板结，极易结露、板袋、糊袋、撕袋；

④布袋内必须安装钢质骨架，腐蚀后极易损坏布袋；

⑤脉冲式除尘器特别怕高温冲击（150℃以上）和低温结露，其长期耐温能力仅120℃，这与锅炉烟气温度150℃～190℃运行工况不符，会影响锅炉出力，故用于锅炉行业的脉冲式除尘器都必须装旁通管、直排于烟囱；

⑥另外，回转反吹式除尘器（包括LEEF和KSC系列）往往被误导为负压反吹式产品，其实质仍然是脉冲式，只不过是将脉冲清灰的高压空气代之以高压离心风机送风，以降低投资，其清灰还不如脉冲高压清灰可靠。该除尘器仍然是外滤式产品，需要内骨架支撑布袋，其结构设计完全沿用脉冲式的，主要用于低温、干燥、无腐蚀、无粘结性粉尘的场景，与某公司生产的负压反吹式产品在原理和设计结构上有本质的区别。

(5)新型干法负压反吹大布袋除尘器

秉着使用技术先进、成熟产品的原则，针对本工程，推荐使用ABXL300L-6新型干法负压反吹式、砖混结构大布袋除尘器。该除尘器具有以下特点：

①耐高温性能良好：在没有冷却器情况下，除尘系统的长期直接使用温度为250℃，抗短期冲击温度300℃；

②除尘系统非常稳定：能够长期可靠稳定运行，几乎终身无须检修；

③净化效果很好：粉尘排放浓度≤50mg/Nm3，提高产品回收率，减少污染；

④操作简单：用PCB板控制清灰，“一键式”操作，操作劳动强度低；

⑤布袋使用寿命长：进行在线柔性清灰，可极大地延长布袋使用寿命，布袋质保期1年，更换期2～3年，响应国家袋委会和电厂锅炉3万小时不停机的要求；

⑥运行费用较低：系统阻力低，风机的装机容量小，综合处理成本为5～6元/万m3气体，远低于同行和湿法除尘方式成本；

⑦除尘器的最大压力损失为600～900Pa，远低于同行或湿法产品，且高温运行，电机负荷轻，是实现电机半功率运行的最根本原因；

⑧砖混结构主体，抗强烈腐蚀能力强，可永久性使用而免检修，全部机械执行元件外置，检修与维护都无须停机；

⑨已获2项国家发明专利：CN200910265548.8和CN201010105154.9，完全避开了脉冲式除尘器的各种问题，实现了可靠运营，广泛应用于水泥建材、冶金、铁合金等行业，也非常适合于锅炉除尘。

(6)各种除尘方式对比

综合上述分析并结合现场情况，将各种除尘方式的对比结果总结如下：

(7)除尘设备选择

拟用2台ABXL300L-6负压反吹式除尘器与业主2台锅炉配套以实现本工程的设计目标，ABXL300L-6的工作原理是：利用布袋的滤过性原理进行除尘，过滤机理是重力、惯性力、碰撞、静电吸附、筛滤作用的综合结果，以筛滤作用为主。

含尘气体经安装在除尘器顶的进气管进入除尘器匀质室，在匀质室内无阻力损失的二次布风器作用下，确保各室各袋的负荷均衡。其中，较大的粉尘颗粒直接从大布袋的中间空心管道掉入灰斗，微细的扬尘在引风机的作用下，沿布袋内表面均匀分布，通过布袋的内表面过滤而除尘，清净空气从室内某位置进入引风管而被风机抽走。随着过滤的不断进行，滤袋内表面的粉尘越积越多，滤袋的透气性越来越低，阻力不断增加。

当阻力达到一定的限值时，或者过滤一段时间后，滤袋内表面沉积的粉尘需要及时清除。过滤后的洁净热空气被反吹风机吹入室内、抖动滤袋，将附在滤袋内表面的粉尘清下、掉入灰斗，使滤袋的透气性再生。周而复始，实现连续过滤，以保证设备长期稳定可靠运行。

由于过滤风速被严格设计控制，灰尘是轻微力量粘附在布袋内表面的，特别是当布袋内表面涂覆PTFE抗粘膜后，对粉尘的抗粘结能力、自清洁能力极大幅度地提高。因此，可以实现柔性反吹清灰，大幅度地提高布袋的使用寿命，不会出现结露、板结、机械、高温等损坏布袋的现象。

3.2 脱硫工艺选择

业主现有麻石旋流板烟气脱硫塔，脱硫原理是利用旋流板对酸性烟气布气，用碱液喷淋进行酸碱中和反应。是一种比较成熟的脱硫技术，广泛应用于锅炉、工业窑炉等行业的烟气脱硫，具有效率较高、阻力较低、投资较少和运行费用较低等特点。

现有麻石脱硫系统因塔内气体流速（空塔系数）过大、粉尘浓度很高，导致喷淋的脱硫剂消耗量很大，酸碱中和反应量不足且作用时间太短而脱硫效率低，加上设备老化，技术落后，因此，一直不能达标排放，其实质是台湿法除尘器。

针对以上情况，脱硫方案设计将业主现有的脱硫系统改造成“钠－钙双碱法”脱硫系统。

近30年来，烟气脱硫技术逐渐得到了广泛的应用。目前已安装的烟气脱硫装置中，有86.6％是湿式抛弃法，10.9％是干式抛弃法，只有2.3％采用了再生回收工艺。综合考虑技术成熟度和经济因素，本方案拟采用为克服传统的石灰石/石灰工艺中容易结垢的缺点而发展起来的钠－钙双碱法脱硫技术。

该技术是先用钠碱吸收液进行脱硫，然后再用石灰乳或者石灰石粉末再生吸收液。由于采用钠碱吸收，而钠的硫酸盐和亚硫酸盐均为可溶盐，从而可避免石灰/石灰石湿法脱硫所经常遇到的结垢问题，且可以得到纯度较高的石膏副产品，因而得到广泛应用。

(1)常规石灰湿法脱硫机理及存在问题

简单地说，烟气中SO2的脱除过程是分两部完成的：

第一步，气液传质和水合过程，即烟气中SO2分子与水接触时，溶解在水中，并与水分子水合为亚硫酸：

第二步，H2SO3与溶解在水中的碱性脱硫剂作用，生成亚硫酸盐。例如，若用石灰乳作脱硫剂时，它与H2SO3反应生成半水亚硫酸钙沉淀：

合并（1）、（2）式，得到石灰湿法脱硫的总反应式为：

此外，因烟气中含有氧气，少量CaSO3被氧化为CaSO4。

石灰乳脱硫过程生成的亚硫酸钙和硫酸钙在水中的溶解度很小，极易达到过饱和而结晶出来，在器壁和构件上形成垢层，严重时将使设备、管道堵塞而无法运行下去。这是石灰法脱硫存在的最大问题，因此本方案不采用石灰乳直接脱硫。

(2)钠－钙双碱法脱硫及防垢机理

为解决石灰湿法脱硫中存在的结垢问题，我们采用钠－钙双碱脱硫法，其脱硫及防垢机理如下：

当脱硫循环池内的氢氧化钠溶液用循环泵输送到脱硫塔内与烟气接触时，烟气中的SO2与氢氧化钠发生脱硫反应：

2NaOH+ SO2=Na2SO3+H2O

Na2SO3+H2O+ SO2=2 NaHSO3

少量的亚硫酸钠会氧化生成硫酸钠。反应中生成的钠盐，在水中的溶解度很大，因而不在塔内结垢。

当脱硫液从脱硫塔返回脱硫再生池后，脱硫塔中生成的Na2SO3、NaHSO3与加入的石灰乳Ca(OH)2发生反应，再生出NaOH供循环脱硫使用，池内反应为：

2NaHSO3+ Ca(OH)2= Na2SO3+CaSO3•1/2H2O+3/2H2O

Na2SO3+Ca(OH)2+1/2H2O=2NaOH+CaSO3•1/2H2O

存在氧的情况下还会发生下列反应:Na2SO3+Ca(OH)2+H2O+1/2O2=2NaOH+CaSO4•H2O

综上所述，钠－钙双碱法脱硫是用氢氧化钠溶液在脱硫塔内脱除SO2并生成可溶的钠盐，因而在脱硫塔内不结垢；塔外再生池内用石灰乳与亚硫酸氢钠和亚硫酸钠反应，再生出塔内脱硫所需的氢氧化钠。

本脱硫方案是在原脱硫塔的基础上进行改造，烟气经过布袋除尘器除尘后，由引风机正压送入改造后的脱硫塔，当烟气通过塔内塔板时，与来自脱硫循环池的NaOH溶液进行充分的逆流接触，从而得以脱除烟气中的SO2。

3.3 工艺流程

本除尘、脱硫工程的系统工艺流程图如下：

3.3.1 除尘经济技术指标

3.3.2 脱硫经济技术指标

4运行费用分析

本工程的除尘系统和脱硫系统的运行费用主要包括动力消耗费、布袋更换费用、脱硫吸收剂费用、工业水费用以及人员工资。运行费用不包含设备维修保养费及石膏销售收入等。

已投运除尘器的实际运行数据：实际运营费用按综合财务指标，即含拆旧等10余项费用，按5～6元/万m3烟气/h/每台锅炉计算，每小时除尘综合成本为50～60元/台；即2台锅炉的除尘费用每年约90万元，直接费用约72万元/年。

5处理效果分析

本项目建成投产后，预计可大幅度减少粉煤灰的流失，消除环境污染，同时确保各项污染指标全面达到国家排放标准。

6结束语

随着环保要求的日益严格，排放标准的不断提高。布袋除尘应用已越来越多，即使在国外先进国家也有这样的趋势。我国在一些环保要求高的地区，如北京、上海、广州及各个风景区，已有将电收尘器改为袋收尘器（保留电收尘器壳体，内部结构换成袋收尘器的结构）的事实。随着技术的进步，优质国产滤料的成功应用，类似本方案推荐的先进布袋除尘器将有更广泛的前景。

合理选择除尘脱硫工艺，改造现有不合理除尘脱硫系统，小型燃煤锅炉烟气治理达标排放不再是难题。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。