我国燃煤工业锅炉大气污染物治理技术探讨

左朋莱，张 锋，陈文龙，井 鹏，岳兰秀，宋 华，王晨龙，高佳佳，岳 涛*

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.首钢技师学院，北京 100144；3.中国环境保护产业协会，北京 100037）

我国燃煤工业锅炉大气污染物治理技术探讨

左朋莱1，张 锋2，陈文龙2，井 鹏3，岳兰秀2，宋 华2，王晨龙1，高佳佳1，岳 涛1*

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.首钢技师学院，北京 100144；3.中国环境保护产业协会，北京 100037）

基于我国燃煤工业锅炉大气污染物治理发展现状，结合国家及地方锅炉大气污染物排放标准，从技术原理、优缺点、脱除效率等方面探讨了燃煤工业锅炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物的治理技术，在此基础上，提出了燃煤工业锅炉大气污染物治理技术选择的建议。

燃煤工业锅炉；大气污染物；治理技术

我国是目前世界上工业锅炉生产和使用最多的国家。截至2012年底，我国有各类工业锅炉62.4万台，总蒸发量达到290万蒸吨[1-2]。

我国的工业锅炉中绝大多数是燃煤锅炉，年消耗4.9亿吨标准煤，平均效率为65%～70%，比国际先进水平低10～20个百分点，污染物排放居高不下。2012年燃煤工业锅炉排放烟尘约410万吨、二氧化硫约570万吨、氮氧化物约200万吨，分别占全国排放总量的32%、26%、15%左右[1]。

燃煤工业锅炉大多分布在城市及其周边地区，又是低烟囱排放，运行热效率普遍低于设计热效率，加之燃用煤种与设计煤种差异大，是影响城市空气质量的重要原因之一，特别是在采暖期采暖锅炉大量投入运行，城市冬季大气污染指数较其他季节明显偏高，导致冬季城市空气质量进一步恶化。

1 我国燃煤工业锅炉大气污染治理现状

1.1 烟尘

我国燃煤工业锅炉烟尘的治理始于20世纪70年代，最初广泛使用的是机械式除尘器，包括惯性除尘器、旋风除尘器等，其中以旋风除尘器为主，特点是结构简单、造价低，能处理大流量、高浓度的含颗粒（固体和液体）气体，缺点是除尘效率不高[3]，该类除尘器作为一级预除尘现在锅炉烟气治理中仍有应用。随着环境保护要求的不断严格，又发展了湿式除尘器。湿式除尘器对细粒子的捕集很有效，除尘效率可达70%～95%[4]。目前，国内大于10 t/h的工业锅炉基本上都是采用湿式除尘器，对10 t/h以上的抛煤机锅炉、煤粉炉或沸腾炉，在原锅炉配套的干式旋风除尘器后部再加一级麻石离心水膜除尘器。近年来，由于受到严格的地方排放标准的约束，新建的小型热电联产、集中供热等用途的锅炉，配置了静电除尘器或袋式除尘器，或者将原有的机械式除尘或湿法除尘改造为静电或布袋除尘，且高效除尘器的发展很快。

1.2 二氧化硫

燃煤锅炉二氧化硫的治理按燃烧过程可分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三种。

燃烧前脱硫技术中的物理洗选煤技术得到了大规模推广应用，目前的煤炭洗选能力已达到15亿t/a[5]。

燃烧中脱硫技术包括燃用固硫型煤、炉内喷钙加尾

部增湿活化脱硫和循环流化床技术等。固硫型煤固硫率可达40%～60%，减少烟尘排放量60%，节约煤炭15%～27%，尤其适宜中小型燃用中低硫煤的锅炉应用[6]。炉内喷钙加尾部增湿活化脱硫技术曾在贵阳、上海等地的20t/h及以下工业锅炉中得到应用，在循环流化床钙硫比为1.2（摩尔比）时，脱硫率可达85%。

燃烧后脱硫是指对锅炉尾部烟气进行脱硫处理，净化烟气。这是目前世界上已实现大规模商业化应用的脱硫技术，从技术、成本等各个方面综合考虑，在今后相当长的时间内，锅炉烟气二氧化硫污染的治理仍会以烟气脱硫技术为主，常见的有石灰/石灰石法、氨法、氧化镁法等脱硫技术[7]。

1.3 氮氧化物

“十二五”期间，国家将“氮氧化物”作为新的考核指标纳入了总量减排体系。氮氧化物控制技术包括低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，低氮燃烧技术是根据燃料在燃烧过程中氮氧化物的生成机理，通过改进燃烧技术来降低氮氧化物生成和排放的技术，一般是指空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术和低氮燃烧器等。烟气脱硝技术分为选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）两种。

鉴于燃煤工业锅炉的炉膛结构和燃烧方式有别于发电锅炉，且锅炉容量较小，运行方式也不相同，燃煤工业锅炉氮氧化物的减排技术首先应在发展部分循环流化床锅炉的同时，针对燃煤工业锅炉以层燃炉为主的特点，借鉴发电锅炉低氮燃烧技术的原理进行拓展[8-9]；探索性开展锅炉烟气脱硝技术的应用。

选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SCR）和作为比较成熟的技术已在火力发电厂烟气脱硝中得到广泛应用，但由于锅炉运行不稳定等原因，在工业和采暖锅炉中的应用较少。近年来，大气污染形势严峻，一些地方政府为有效控制氮氧化物的排放量，积极推进燃煤锅炉烟气脱硝技术的应用。如北京市为继续控制煤烟型污染，在远郊区不具备清洁能源供应条件的城镇地区实施燃煤锅炉整合，昌平、顺义、怀柔等远郊区县已基本建成23个大型集中燃煤供热中心，并要求配套建设脱硝设施[10]。

2 燃煤工业锅炉烟气达标技术分析

2014年，环境保护部发布了新修订的《锅炉大气污染物排放标准》（GB 13271-2014），一些省市（如北京、山东等）发布了严于国家排放标准的地方锅炉大气污染物排放标准。因此为满足污染物稳定达标排放，合理的选择治理技术显得至关重要。

2.1 烟尘达标技术

燃煤工业锅炉相较电站锅炉而言，烟气量小，烟尘排放规模小。但当前的在用燃煤工业锅炉烟尘排放标准≤80mg/m3，重点地区燃煤工业锅炉烟尘排放标准≤30mg/m3，为实现烟尘治理设施的连续稳定运行，燃煤工业锅炉烟尘达标排放治理装置应优先选用电除尘器或袋式除尘器。

2.1.1 电除尘器

电除尘器是利用高压电场使颗粒荷电，在库仑力作用下使颗粒与气流分离而被捕集的装置。静电除尘器几乎可以捕集一切细微粉尘及雾状液滴，其捕集粒径范围在0.01～100μm，粉尘粒径＞0.2μm时，除尘效率可高达99%以上，烟尘排放浓度低于30mg/m3。电除尘器具有高效率、低能耗、使用简单、维护费用低且无二次污染等特点，除尘器阻力很小，可处理高温、高压的含尘气流，在国内外工业颗粒物治理领域一直占据主导地位。电除尘器的主要缺点是设备庞大、占地面积大、一次性投资费用高。我国的电除尘产品主要是卧式电除尘器，其典型结构如图1所示。

图1 卧式电除尘器结构示意图

杭州航民热电公司将7台35 t/h链条炉排热电联产锅炉的麻石水膜除尘器改为电除尘器，烟尘排放浓度可控制在30 mg/m3以下[11]。

2.1.2 袋式除尘器

袋式除尘器是一种干式高效除尘器，是利用纤维编织物制作的袋式过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物的除尘装置。作用原理是粉尘通过滤布时产生的筛分、

惯性、黏附、扩散和静电等作用而被捕集。典型的袋式除尘器由过滤室、净气室、滤袋、清灰装置、卸灰装置五部分组成。目前广泛应用的典型袋式除尘设备有长袋低压脉冲袋式除尘器，以圆袋、固定管行列喷吹区别于其他型式，例如直通均流袋式除尘器和回转喷吹脉冲袋式除尘器，以扁袋、喷吹管在回转过程中喷吹为显著特征。脉冲喷吹袋式除尘器结构及工作原理如图2所示。

图2 脉冲喷吹袋式除尘器结构及工作原理示意图

袋式除尘器不受煤种以及粉尘浓度、粒径、比电阻等粉尘特性的影响，可脱除PM2.5（细微颗粒物）和重金属等有毒、有害物质，除尘效率高，一般在99.5%以上，烟尘排放质量浓度可低于30mg/m3，对亚微米颗粒具有较高的分级除尘效率。但袋式除尘器的缺点也不可忽视，相对电除尘器而言，袋式除尘器阻力大；对烟温、湿度等烟气成分适应性差，需进行高温保护，低温防结露，防腐蚀；滤袋寿命短，不超过3万h，滤袋每3～4年需全部更新一次等。

北京市顺义区近年来新建的15台45.5MW的燃煤采暖锅炉已全部配用袋式除尘器，运行稳定，烟尘排放质量浓度可控制在20～30 mg/m3[11]。

2.2 二氧化硫达标技术

在用燃煤工业锅炉烟气二氧化硫排放标准≤400mg/m3，重点地区新建燃煤工业锅炉烟气二氧化硫排放标准≤200mg/m3。为使烟气二氧化硫达标，且连续稳定运行，二氧化硫达标排放治理也必须选用高效的湿法脱硫技术，主要有石灰/石灰石-石膏法、氧化镁法、氨法等脱硫工艺。

2.2.1 石灰石/石膏法

石灰石/石膏法烟气脱硫原理是以石灰石或石灰的水浆液做脱硫剂，在吸收塔内对SO2烟气喷淋洗涤，使烟气中的SO2反应生成CaSO3和CaSO4，从而除去烟气中的SO2。工艺流程如图3所示。

图3 石灰石/石膏法脱硫工艺流程

该技术的主要优点是适用的煤种范围广、脱硫效率高（有的装置Ca/S = 1时，脱硫效率大于90%）、吸收剂利用率高（可大于90%）、设备运转率高（可达90%以上）、工作的可靠性高、脱硫剂石灰石来源丰富且廉价。但是石灰石/石膏法的缺点也是比较明显的，初期投资费用很高、运行费用高、占地面积大、系统管理操作复杂、磨损腐蚀现象较为严重、副产物石膏很难处理、废水较难处理等[7，12]。浙江天蓝环保公司在3台75t/h燃煤工业锅炉上对烟气采用石灰石/石膏法脱硫技术，入口二氧化硫最大浓度为4900mg/Nm3时，二氧化硫排放浓度低于50mg/Nm3，脱硫效率达到98.5%以上[13]。

2.2.2 氨法

氨法烟气脱硫原理是采用氨水作为脱硫吸收剂，与进入吸收塔的烟气接触混合，烟气中SO2与氨水反应，生成亚硫酸铵，经与鼓入的强制氧化空气进行氧化反应，生成硫酸铵溶液，经结晶、离心机脱水、干燥器干燥后即制得化肥硫酸铵。氨法也是一种技术成熟的脱硫工艺，其主要技术优点是系统不结垢、不堵塞、SO2吸收效率高、投资低；缺点是吸收剂价格昂贵，运行费用高、系统腐蚀严重[7，14]。晋煤集团明水大化集团1×130t/h+ 1×75t/h生产用锅炉烟气采用氨法脱硫技术，在入口烟

气SO2浓度为2480Nmg/m3时，出口烟气二氧化硫浓度为100mg /Nm3，脱硫效率达到96%[15]。氨法烟气脱硫工艺流程如图4所示。

图4 氨法烟气脱硫工艺流程

2.2.3 氧化镁法

氧化镁法烟气脱硫原理是含SO2的烟气进入吸收塔后与循环吸收液逆流接触，气体中的SO2被脱除，净化后的气体经除雾器除湿后排放。由于MgSO4的溶解度是CaSO4的近百倍，因此工艺系统运行稳定，不易发生堵塞现象。北京大龙供热中心近几年新建了15台45.5MW的燃煤热水采暖锅炉，全部装配了镁法脱硫装置。脱硫系统自投运以来运行稳定，脱硫效率在95%以上，二氧化硫排放浓度可控制在20mg/Nm3以内[11]。氧化镁法烟气脱硫工艺流程如图5所示。

图5 氧化镁法烟气脱硫工艺流程

2.3 氮氧化物达标技术

在用燃煤工业锅炉烟气氮氧化物排放标准≤400mg/m3，重点地区新建燃煤工业锅炉烟气氮氧化物排放标准≤200mg/m3。燃煤工业锅炉采用低氮燃烧技术很难满足排放标准，适用于燃煤工业锅炉烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）。

2.3.1 选择性非催化还原法（SNCR）

SNCR是在不采用催化剂的条件下，将还原剂以800℃～1100℃烟气高温区喷入，还原烟气中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮），生成氮气和水，从而减少烟气中氮氧化物排放的一种脱硝工艺。SNCR工艺流程如图6所示。

图6 SNCR工艺流程示意图

SNCR还原NOx的反应对于温度条件较为敏感，一般炉膛内喷氨点位的温度选择在800℃～1100℃。该技术工艺简单，操作便捷，不需要催化剂床层，因而初始投资相对于SCR工艺来说要低得多，但脱硝效率较低，一般为25%～40%。该工艺目前应用的主要瓶颈为温度对SNCR的还原反应的影响较大。

2.3.2 选择性催化还原法（SCR）

SCR是利用还原剂在催化剂作用下有选择地与烟气中的氮氧化物发生化学反应，生成氮气和水，从而减少烟气中氮氧化物排放的一种脱硝工艺。SCR典型工艺如图7所示。

图7 SCR典型工艺流程图

选择性催化还原法（SCR）是目前世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。该技术脱硝效率一般可达80%～90%，氮氧化物排放浓度可降至100mg/m3左右；技术成熟，应用广泛，在我国已建成或拟建的烟气脱硝工程中大多采用SCR法。但该技术一次投资费用和运行成本高，主要表现在催化剂价格昂贵；失效的催化剂是一种重金属富集物，需作特殊处置；还原剂（液氨、氨水、尿素等）消耗费用大；液氨或氨水为危险化学品，在储运和使用过程的安全问题尤其应引起关注。

北京市通州区某供热厂58MW的燃煤锅炉热负荷在58.4%～101.5%时，NOx初始浓度为344～368 mg/m3，采用SCR脱硝装置，NOx排放浓度为53～83mg/m3，脱硝效率高达83.5%，氨逃逸量在1.11～4.67 mg/m3[10]。

3 燃煤工业锅炉烟气达标技术选择建议

选择何种烟气污染物治理工艺，其环境效益是明显的，但污染物脱除效率的高低并不是评价治理方法优劣的唯一标准，除了考虑其污染物脱除效率外，还要看该方法的综合技术经济情况。为此本文提出如下烟气达标技术选择建议。

（1）达标技术选择应因地制宜、因煤制宜、因炉制宜，依据技术上成熟、经济上合理及便于操作来确定。

（2）烟尘治理技术应依据燃煤的种类、烟气性质（比电阻、烟尘粒径）、锅炉的运行方式、经济性等方面进行选择。

（3）选用湿法脱硫技术，脱硫效率满足环保要求；根据燃煤含硫量来选择恰当的脱硫方法，选择技术成熟、投资省、运行可靠、费用低的工艺；吸收剂要有稳定的来源；要考虑脱硫副产物的处置和二次污染问题。

（4）供暖等锅炉负荷不连续稳定运行的燃煤工业锅炉，应选择使用SCR法；对于负荷稳定的生产用锅炉，依据初始烟气氮氧化物浓度及排放标准，选择SCR 或SNCR法；选择还原剂液氨、氨水、尿素时，应考虑对周边环境的影响。

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注：本文通讯作者为岳涛。

Discussion on Compliance Technology of Air Pollutants in Coal-fired Industrial Boiler

ZUO Peng-lai1, ZHANG Feng2, CHEN Wen-long2, JING Peng3, YUE Lan-xiu2, SONG Hua2, WANG Chen-long1, GAO Jia-jia1, YUE Tao1*

(1. Beijing Institute of Labor Protection Sciences, Beijing 100054; 2. College of Capital Iron and Steel Technician, Beijing 100144; 3.CAEPI. Beijing 100037, China)

Based on the development status of air pollutant control in China coal-fired industrial boilers, and in accordance with the emission standard of the air pollutants in the national and local boilers, and from the fields of the technical principle, excellent and imperfect points and removal efficiency, the paper discusses the compliance technologies of smoke dust, SO2, NOx in coal-fired industrial boilers, and in this base, the paper puts forward the suggestions on the control technology selection of air pollutants in coal-fired industrial boilers.

coal-fired industrial boiler; air pollutant; compliance technology

X51

A

1006-5377（2015）11-0028-05

注：环境保护部污染减排技术政策研究项目《工业锅炉烟尘及二氧化硫污染防治技术路线研究》（2015A008）资助。