生物质锅炉烟气尘硝一体化技术经济综合分析
本文分析了生物质锅炉的烟气特性，以 75 t/h 生物质锅炉为例，对传统的超低排放改造技术路线和“尘硝一体化（催化滤袋）工艺”进行论证，并对其经济性进行比较。结果表明，“尘硝一体化（催化滤袋）工艺”路线的投资成本与运行成本较低，可作为生物质锅炉烟气超低排放改造的优先选项。
关键词：生物质锅炉；超低排放；尘硝一体化；催化滤袋；经济性
引 言
人类的生存和发展离不开能源，随着石油、天然气、煤炭等化石能源趋于枯竭，人们环境保护意识的增强和对能源结构的转型需求，迫切需要加大对可再生能源的开发利用。生物质能是指绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量，是一种清洁的、可持续发展的、且资源丰富的可再生能源，其主要来源为：农林废弃物、工业废水和废渣、城市生活垃圾以及人畜粪便等。我国是农业大国，拥有丰富的生物质资源，单就农林废弃物、能源林业和其他能源作物的储量就相当于每年9亿吨标准煤。可替代石油的生物质原料，如薯类、甜高粱、甘蔗、木本油料、秸秆和各种植物纤维素原料的储量可相当于年产2.7亿吨石油[1]。因此生物质能在我国受到了广泛关注和应用。
生物质锅炉作为生物质能利用的重要设备，是将生物质直接作为燃料燃烧的锅炉，被广泛应用于供暖、工业生产和发电等领域，其常见的燃烧方式有：层状燃烧、悬浮燃烧、流化床燃烧[2]。生物质锅炉的燃烧过程伴随着烟气中SO2、NOx、HCl、颗粒物等污染物的排放，对环境和人体健康带来潜在影响。随着各地排放标准日趋严格，越来越多的生物质锅炉项目被纳入烟气污染物超低排放改造范围，而传统的烟气超低排放处理技术存在设备复杂、能耗高以及运行成本高的问题。尘硝一体化技术作为一种综合处理方案被积极推广和应用，旨在降低烟气污染物排放，节能降耗，减少投资和运行成本。
本文以江苏省一台75t/h高温高压生物质燃料循环流化床锅炉为例，原烟气处理采用炉内SNCR脱硝+干法脱硫设备+旋风除尘器+布袋式除尘器的处理工艺，不能达到烟气污染物超低排放，故根据烟气特点及现有环保设施情况，提出“尘硝一体化（催化滤袋）工艺”进行改造，并与传统的超低排放改造工艺进行技术经济综合对比分析，深入探讨烟气尘硝一体化技术在生物质锅炉超低排放的应用前景和经济效益。
1、生物质锅炉烟气特性
生物质锅炉燃烧的生物质燃料是可再生能源的一种，与有限的化石燃料相比，生物质燃料具有更加可持续和环保的特点。利用生物质作为燃料可以减少对传统化石燃料的依赖，降低碳排放，对环境更加友好。由于生物质锅炉采用的燃料种类多，包括木材、秸秆、木屑、农作物废弃物等，其成分复杂，且受季节、堆料场面积限制等因素影响，使生物质锅炉燃料在燃烧时的成分和热值往往存在波动，生物质锅炉烟气主要具有以下特点：
（1）颗粒物：生物质锅炉燃烧产生的颗粒物主要来源于燃料的不完全燃烧和燃烧产物的二次合成。研究表明生物质燃烧排放颗粒物的主要成分是K2SO4、KCl和K2CO3，其排放量要比煤粉燃烧颗粒物排放量减少70%以上，但生物质燃烧排放的颗粒物主要是PM2.5，且其比重要明显高于燃煤[3]。生物质锅炉烟气的烟尘初始浓度一般不超过30g/Nm3。农林类生物质在生长过程中会从大气、水体、土壤中吸收富集金属元素，包括K、Ca、Mg及其他微量重金属元素（如Hg、As等），因此生物质烟气颗粒物中均含有一定量的碱金属和重金属。
（2）酸性气体（SO2、HF、HCl）：生物质燃烧会产生一定量的酸性气体，主要包括SO2、HF、HCl等，其排放量与燃料中S、F、Cl元素含量直接相关。其中SO2主要来源于燃料中有机硫的氧化和硫酸盐的热分解，但由于生物质燃料普遍S含量低（一般在0.1%左右或更低），同时生物质中含有的碱土金属的固硫作用，使得生物质燃烧排放的SO2浓度低。一般农林类生物质中氯、氟主要以无机盐形式存在，其燃烧主要产物是HCl、HF，因此生物质燃烧烟气中HCl、HF主要来源于燃料中氯和氟的无机物[3]。相比于燃煤锅炉，生物质锅炉烟气SO2浓度较低，通常不超过300mg/Nm3。
（3）氮氧化物：一般燃料燃烧排放的NOx类型可分为快速型NOx、热力型NOx及燃料型NOx。生物质锅炉燃烧温度一般在800~1000℃，其燃烧产生的NOx类型主要是燃料型NOx。研究表明生物质中的氮元素主要以蛋白质、游离氨基酸等有机氮的形式存在，同时还有部分无机氮，因此生物质燃烧产生的NOx主要来源于有机氮的氧化反应[3]。生物质燃料热值不高，飞灰熔点较低，锅炉负荷波动较大，燃烧不稳定，炉内温差大，初始氮氧化物排放浓度高、波动较大[4]。
（4）挥发性有机化合物：一般生物质挥发分的含量超过60%，当不完全燃烧时会生成VOCs。研究表明生物质燃烧是我国人为源VOCs排放的主要来源。此外，生物质燃烧也是二噁英的重要来源之一。
（5）烟气含湿量高，一般介于15%～30%。
2、生物质锅炉传统超低排放工艺路线
图1 传统超低排放工艺流程
如图1所示，生物质锅炉传统超低排放工艺流程：炉内SNCR—省煤器—SDS干法脱硫—旋风除尘器—布袋除尘器—中低温SCR反应器—烟冷器—引风机—烟囱。
该工艺路线的主要问题：
1）因增加了SCR反应器及其烟道等，与改造前相比，使系统总阻力增加约700Pa，导致引风机功耗增大。
2）因烟冷器后移、增加了SCR反应器及其烟道等，占地面积较大。
3）系统复杂，中低温催化剂寿命有限，更换成本较大。
4）中低温催化剂需配套再生系统或催化剂返厂再生，运行维护成本较大。
5）为满足中低温催化剂运行要求，需提高除尘器入口烟温，布袋存在烧袋的风险。
3、远致环保尘硝一体化（催化滤袋）超低排放工艺
如图2所示，生物质锅炉除尘脱硝一体净化技术工艺流程：炉内SNCR—省煤器—SDS干法脱硫—旋风除尘—尘硝一体化设备（催化滤袋）—烟冷器—引风机—烟囱。
3.2.1 选择性非催化还原（SNCR）技术原理
选择性非催化还原技术（SNCR）是指在无催化剂作用下，将10%～25%的氨水或10%～40%的尿素溶液均匀喷入炉膛800~1100℃的区域，并在炉中迅速分解出NH3，使其与烟气中的NOx进行选择性非催化还原反应，生成N2和H2O。
化学反应方程式为[5]:
2NO+CO(NH2)2+½O2=2N2+CO2+2H2O（尿素为还原剂）
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O（氨或氨水为还原剂）
本例生物质锅炉原配备有SNCR系统，但脱硝效率不高，不能满足超低排放要求。
3.2.2 钠基干法脱硫（SDS）技术[6]原理
钠基干法脱硫是利用NaHCO3作为脱硫剂，研磨成超细粉喷入烟气中，与烟气充分混合发生气—固相反应，从而脱除SO2的一种技术。
NaHCO3超细粉被喷入反应器后，在高温烟气的作用下发生化学反应，分解出高活性的Na2CO3和CO2，迅速由粉末状变成蓬松的爆米花状，增加了表面积。活性强的Na2CO3与烟道内的SO2及其他酸性介质充分接触发生化学反应、被吸收净化。
化学反应方程式为[7]:
2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O
Na2CO3+SO2+½O2=Na2SO4+CO2
Na2CO3+SO3=Na2SO4+CO2
HCl+NaHCO3=NaCl+CO2+H2O
HF+NaHCO3=NaF+CO2+H2O
本例生物质锅炉原配备有相应SDS干法脱硫设备，其脱硫效率能满足超低排放要求。
3.2.3 尘硝一体化工作原理
本技术通过将锅炉烟冷器后移，进行温控连锁，使进入尘硝一体化烟气温度能够稳定在210～230℃。含尘烟气由进风口进入灰斗，部分较大的尘粒由于惯性碰撞、自然沉降等作用直接落入灰斗，其它尘粒随气流上升进入各个袋室。尘粒经滤袋过滤后，被阻留在滤袋外侧，净化后的气体由滤袋内部进入净气室。由于烟气中含有一定量的未反应完全的脱硫剂，经滤袋的拦截在表面形成一定厚度的粉饼层，SO2与粉饼层内的脱硫剂进一步发生脱硫反应，使烟气得到进一步净化。除尘器收集的脱硫灰从下部灰斗排出，通过输灰系统输送至灰库。
尘硝一体化的核心为催化滤袋，催化剂附着在滤袋内部，采用滤袋+SCR催化剂一体结构形式。烟气经滤袋表面过滤除尘后进入内部催化剂层，烟气中的NOx与预先喷入的氨气在催化剂层进行SCR反应，生成对N2和水，从而完成对脱硝反应。反应原理如图3所示。
催化滤袋使用钒钛系催化剂，主要为钒、钨和钼等物质，主要反应式如下：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O
8NH3+6NO2=7N2+12H2O
4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O
本例生物质锅炉经尘硝一体化改造后，其除尘、脱硫、脱硝效率均能满足超低排放要求。
4、尘硝一体化（催化滤袋）超低排放工艺优势
采用尘硝一体化（催化滤袋）超低排放工艺主要具有以下优势：
1）中低温无尘
表面过滤高效除尘使得进入内部催化剂层粉尘浓度不高于10mg/Nm3，同时杜绝了烟气中碱金属的不利影响，是提高脱硝效率、防止催化剂中毒、保证使用寿命的关键。
2）高效、低阻
采用高通量覆膜滤袋+催化剂“两步法”原纤化负载技术，保证了催化滤袋整体的透气性能，改造后尘硝一体化系统整体阻力不大于1200Pa，与原系统保持一致。
3）工艺流程短、更节能
相比传统采用中低温SCR反应器的改造路线，以催化滤袋为核心的尘硝一体化工艺可大幅缩短烟气净化工艺流程，从而提高系统稳定性和可靠性、降低烟气阻力，达到节能降耗的效果 。
5、工艺技术路线分析对比
表1 工艺技术路线对比
从表1可以看出，采用尘硝一体化技术方案，协同脱除烟气污染物，达到超低排放，在整体布局、工艺流程、节能减排、运行维护上比较有优势。传统中低温SCR与尘硝一体化技术路线改造内容主要清单对比分析见表2。
表2 改造内容主要清单对比
6、两种技术路线的经济性对比
表3 技术路线经济性对比
从表3可以看出，尘硝一体化技术路线因其工艺流程较简单，运行维护要求较低，年均综合新增费用较低。而中低温SCR技术路线因工艺较复杂，对催化剂运行要求较高，系统总能耗增大，故年均综合新增费用较高。从经济性方面对比，尘硝一体化技术路线更优。
7、结 论
生物质锅炉烟气较为复杂，具有含水率高、碱金属含量高、有机物含量高等特点。为避免碱金属对脱硝催化剂造成催化剂中毒失活，催化剂通常采用低尘布置方案。尘硝一体化技术采用先除尘后脱硝的方案，能够大幅度改善催化剂的运行环境，充分发挥催化剂的反应活性，有效保证催化剂的化学寿命。得益于功能性复合滤料的技术发展，粉尘和氮氧化物可同时在催化滤袋上脱除，真正做到尘硝一体净化。
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