煤炭高效清潔燃燒和煙氣環(huán)保技術在供熱行業(yè)的應用
天津市熱電設計院有限公司 柳穎
摘 要:本文結(jié)合天津市華苑供熱管理所續(xù)建的5臺58MW高效煤粉鍋爐試點項目，研究了煤炭的高效清潔燃燒技術和煙氣脫硝、脫硫和除塵技術在供熱行業(yè)的應用，煤粉制備工藝以及煤粉鍋爐設計中的主要安全保障措施。
關鍵詞:高效 環(huán)保 安全 煤粉濃度 含氧量
1 前言
本項目為華苑供熱所續(xù)建項目，廠區(qū)原設計預留了5臺58MW燃煤鍋爐的建設余地，位于現(xiàn)有4×58MW燃煤鍋爐房西側(cè)和2×46MW燃煤鍋爐房東側(cè)。本項目鍋爐采用高效煤粉鍋爐，煙氣采用SNCR+SCR脫硝、石灰石濕法脫硫、一級布袋除塵器和二級濕電除塵器的處理工藝。
2 高效煤粉鍋爐的技術特點
高效煤粉鍋爐符合國家的節(jié)能減排形勢和政策導向，是傳統(tǒng)高污染、高能耗燃煤工業(yè)鍋爐的升級換代產(chǎn)品，也是中小型燃油、燃氣鍋爐的理想替代品。
煤粉鍋爐屬于室燃爐，煤粉隨空氣進入爐中，迅速著火呈懸浮狀態(tài)燃燒。該種鍋爐采用集中精確供粉、點火迅速、低溫燃燒、變頻調(diào)速、PLC全自動控制等先進技術，達到高效、充分燃燒；鍋爐設計按煤粉燃燒特點，完成最大限度的熱交換，從而實現(xiàn)節(jié)能、高效的目的。
高效煤粉工業(yè)鍋爐技術系統(tǒng)具有以下特點：
①效率高：煤粉爐使用的煤粉粒徑約為0.02~0.10mm。在煤粉爐中，煤粉由熱空氣攜帶經(jīng)燃燒器進入爐膛懸浮燃燒，效率約為88%~93%，與同容量其他燃燒方式鍋爐相比，優(yōu)勢明顯。
②清潔環(huán)保：煤粉由加工配送中心集中磨制、統(tǒng)一供應，既可有效保證煤粉質(zhì)量的穩(wěn)定，又可取消分散的堆煤場，減少地面污染。
③污染物排放低：鍋爐成功實現(xiàn)了全系統(tǒng)密閉運行，自動上煤、集中排灰，無粉塵跑冒。煤粉燃燒器采用了低溫空氣分級燃燒設計，爐膛溫度場均勻，避免局部高溫，降低NOx生成。
④節(jié)能降耗：煤粉燃燒充分，鍋爐運行效率高，比傳統(tǒng)燃煤鍋爐節(jié)煤30%-50%。鍋爐房無堆煤場與渣場，占地面積小。
新型高效煤粉鍋爐相對于傳統(tǒng)燃煤供熱鍋爐，節(jié)省燃料消耗、運行方便、污染物排放少等優(yōu)勢，符合節(jié)能與環(huán)保政策。結(jié)合天津市地區(qū)大氣污染物排放指標，在鍋爐尾部再增加煙氣處理系統(tǒng)，可以達到燃氣鍋爐的排放標準，煙塵排放濃度不大于5mg/Nm3；SO2排放濃度不大于20mg/Nm3；NOX排放濃度不大于100mg/Nm3。
3 鍋爐房主要系統(tǒng)的技術特點
（1） 燃燒系統(tǒng)
鍋爐燃燒系統(tǒng)由煤粉塔、中間緩沖倉、供料器、燃燒器、爐膛、鼓、引風機等主要部分組成。
每臺鍋爐設有一座單體雙出口煤粉塔，每座煤粉塔容積為300m3。最大儲量180t，約供每臺爐17個小時的煤粉用量。大煤粉塔對兩個中間緩沖倉都可以單獨供料，互不影響，起到與單爐多倉同樣的效果，同時有利于運行管理，投資上也有所降低。
鍋爐采用鼓、引風機平衡的通風系統(tǒng)，冷空氣經(jīng)兩側(cè)風道進入爐膛，補充空氣、加強擾動與混合，使燃燒更充分。整個燃燒在較高溫度進行，燃燒溫度控制在800～1050℃之間，抑制NOx的生成。
爐膛內(nèi)煙氣經(jīng)爐膛底部進入鍋爐尾部煙道，在尾部煙道設置了SNCR和SCR脫硝裝置以及省煤器，出口煙溫降至129℃，由引風機抽出經(jīng)布袋除塵器凈化后，進入濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，再經(jīng)過濕式電除塵器凈化后的潔凈煙氣由煙囪排入大氣。
（2）熱水循環(huán)系統(tǒng)
鍋爐通過熱水循環(huán)泵進行熱水強制循環(huán)，使爐水按一定管路系統(tǒng)流動進行加熱，然后根據(jù)室外溫度變化，調(diào)節(jié)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)熱水流量，滿足采暖要求，節(jié)能降耗。
本項目中，鍋爐采用煤炭科學技術研究院有限公司QXS58-1.6型高效煤粉熱水鍋爐，鍋爐設計進水溫度70℃，出水溫度130℃，溫差60℃，循環(huán)水量840m3/h。本系統(tǒng)共5臺鍋爐，考慮熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行方便共選用4臺循環(huán)水泵，每臺泵循環(huán)水量為1700 m3/h，均設計變頻調(diào)速系統(tǒng)。
（3）補水定壓系統(tǒng)
本項目采用補水泵定壓補水。
（4）上煤系統(tǒng)
來煤采用汽車運輸，自卸至一煤氣原有儲煤場內(nèi)。來煤粒度小于30mm，不用設置碎煤設備。上煤為雙路系統(tǒng)，經(jīng)受煤斗、振動給料機、除鐵器再由大傾角擋邊皮帶送入兩座810t磨前倉，每倉可滿足磨機13小時制粉需要量。
（5）制粉送粉系統(tǒng)
制粉設有兩條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線出力60t/h，可單獨運行也可以兩條生產(chǎn)線一起運行。制粉采用惰性氣體（熱煙氣）為干燥劑的一步法制粉工藝，選用中速輥式磨煤機，在磨煤機內(nèi)實現(xiàn)烘干與制粉，由袋式煤粉收集器收粉。
熱煙氣取自5臺58MW鍋爐引風機后煙氣，經(jīng)熱風爐升溫后進入磨機制粉，乏氣經(jīng)袋式煤粉收集器除塵后再由制粉系統(tǒng)引風機送回爐后脫硫系統(tǒng)進行凈化處理。
送粉系統(tǒng)采用氮氣為氣源的濃相氣體送粉工藝，由煤粉收集器下的倉泵經(jīng)管道送到各個爐前煤粉塔。每條制粉生產(chǎn)線對應一路氣體送粉系統(tǒng)，保證制粉系統(tǒng)的出力與供粉穩(wěn)定。
送粉設有氮氣再收集凈化系統(tǒng)以便循環(huán)利用氮氣，建有氮氣制備系統(tǒng)以補充新氮氣，并設有氮氣儲存系統(tǒng)可作為氮氣消防用氣。
5臺58MW鍋爐每爐設置一座300m3的煤粉塔，共設置5座，煤粉塔在爐前露天布置。每座煤粉塔儲煤量約180噸，能滿足每臺爐17個小時的耗量。
煤粉正常情況由制粉系統(tǒng)的氮氣管道送粉供應，也可以由專用罐車輸送至爐前布置的煤粉塔；煤粉塔內(nèi)的煤粉通過兩個中間儲倉，經(jīng)過卸料閥和風粉混合器進入送粉管道送入鍋爐燃燒器，輸送煤粉的風機選用羅茨風機。
（6）脫硝系統(tǒng)
根據(jù)環(huán)境保護部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)的要求：自2012年1月1日起，新建燃煤鍋爐執(zhí)行氮氧化物污染物排放濃度限值為100mg/Nm3(以NO2計，含氧量6%折算值)。
為減少鍋爐煙氣中氮氧化物污染物(以下簡稱NOx)排放對大氣環(huán)境的污染，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，對5臺鍋爐建設煙氣脫硝裝置，使氮氧化物排放濃度滿足標準要求。設計采用SNCR+SCR煙氣脫硝工藝，氨水作為脫硝還原劑。
（7）脫硫系統(tǒng)
本項目采用石灰石-石膏法脫硫工藝，5臺鍋爐按“三爐一塔”設計，公用系統(tǒng)按一套設計，盡可能綜合布置。為方便運行及維護，吸收塔及附屬設備應按同型號設計，即
全部按“三爐一塔”設計，兩塔可以相互切換、聯(lián)絡煙道設置擋板門。不配置增壓風機，脫硫阻力由引風機克服。煙氣系統(tǒng)不設旁路煙道，不設GGH。
5臺鍋爐的煙氣自引風機進入聯(lián)合煙道，然后分別進入兩座吸收塔進行煙氣處理，兩座吸收塔處理后的煙氣再合并后進入濕式電除塵器進行處理，處理后的煙氣通過煙囪排入大氣。石灰石粉通過石灰石漿液箱制成漿液后由石灰石漿液泵打入吸收塔循環(huán)漿液管道，進行吸收反應。吸收塔反應后的漿液，由石膏排出泵送至兩級脫水系統(tǒng)進行脫水，脫水后的石膏進行綜合利用，脫硫廢水處理后進行排放。
5臺爐共配置2座吸收塔，吸收塔為碳鋼襯膠或玻璃鱗片。循環(huán)泵按照單元制設置，每座吸收塔配置4臺循環(huán)泵，配置攪拌器3臺。每座吸收塔配置2臺100%容量的氧化風機（其中一臺備用），提供無油氧化空氣，保證完全氧化。每座吸收塔配置三層除霧裝置。
本項目煙囪高度定為80m，由于本項目采用濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，排煙溫度只有45度，煙氣腐蝕比較嚴重，故煙囪采用鈦鋼復合板進行防腐。
（8）化學水處理
a) 鍋爐補給水處理
軟化水系統(tǒng)水源來自市政自來水，根據(jù)原水水質(zhì)和鍋爐對補給水水質(zhì)及水量要求，鍋爐補給水處理系統(tǒng)工藝流程如下：市政自來水?綜合水池?原水泵?鈉離子交換器?軟化水箱。
為控制給水中的溶解氧含量，防止鍋爐管道氧腐蝕，鍋爐給水處理采用海綿鐵除氧器除氧，滿足給水含氧量≤0.1mg/L。
b) 循環(huán)冷卻水處理
為了防止循環(huán)水在冷卻構(gòu)筑物及設備中產(chǎn)生藻類及結(jié)垢，采用加殺菌劑、阻垢劑處理。
4 鍋爐房總圖布局
新建鍋爐系統(tǒng)設于現(xiàn)狀兩座鍋爐房中間、主干道南側(cè)，脫硫系統(tǒng)設于主干道北側(cè)。連接鍋爐房和脫硫區(qū)域的煙道縱跨主干道上方架空布置，不影響主干道正常交通。
新建煤粉鍋爐鍋爐房單體建筑內(nèi)包含鍋爐間、配電間、除塵器等。煤粉塔室外露天布置在鍋爐房南側(cè)。脫硫區(qū)域布置的建（構(gòu)）筑物包括2座吸收塔、事故漿液箱、2個漿液循環(huán)泵及氧化風機房、空壓機房、脫硫工藝綜合樓、煙道、煙囪等，其中1#漿液循
環(huán)泵、氧化風機房與工藝綜合樓貼建。氨水儲存間布置在工藝樓西北西側(cè)。脫硫區(qū)域的東北角布置灰?guī)臁?o:p>
燃料制備區(qū)域用地范圍地處廠區(qū)西部，東側(cè)為擬建5×58MW高效煤粉鍋爐房，西側(cè)至廠區(qū)界，北側(cè)為現(xiàn)有鍋爐房，南側(cè)至圍墻。
燃料制備系統(tǒng)由燃料制備、氮氣制備系統(tǒng)和其他輔助設施組成。根據(jù)現(xiàn)場條件，場地西部布置氮氣制備車間及儲罐，向東布置磨制車間。因場地狹長，無儲煤場地，需租用廠外煤場。
5 制粉系統(tǒng)工藝特點
(1)煤粉產(chǎn)品要求
(1) 煤粉成品細度：R75≤10%；
(2) 煤粉含水分：≤5%。
(2)制粉工藝選擇
粉磨過程分“一步法”和“二步法”兩種制粉工藝。
“一步法”采用熱態(tài)粉磨工藝，主要設備為立式磨煤機，系統(tǒng)中的粉磨和干燥兩個過程集中由磨煤機單獨完成，即邊磨邊烘，熱風既是干燥劑，同時也是攜帶輸送煤粉的介質(zhì)。
“二步法”采用冷態(tài)粉磨，原煤從儲煤場經(jīng)輸煤皮帶送入烘干前倉，破碎后的煤粒通過皮帶秤計量進入轉(zhuǎn)窯烘干，烘干熱源為熱風爐產(chǎn)生的熱煙氣。烘干后的煤粒通過刮板機和提升機等輸送設備進入磨前倉。經(jīng)過磨粉工段制成合格的煤粉，后經(jīng)收塵器收集再倉泵送至煤粉成品儲倉。
兩種工藝具體對比如下：
(a)系統(tǒng)安全性、成品煤粉品質(zhì)對比
“一步法”工藝屬于熱態(tài)磨粉，無冷卻過程。由熱煙氣攜帶輸送出來的煤粉溫度約為60～70℃，高于煤粉安全溫度（40℃以下），此時的煤粉（40℃以上）的自氧化速度迅速增快，其氧化速度與溫度已非線性關系，若儲存較長時間則潛藏自燃、爆炸等危險，系統(tǒng)安全系數(shù)低，具有安全隱患。若在保證系統(tǒng)安全的前提下運行，只能以降低煤粉出口溫度，犧牲煤粉品質(zhì)作為代價，但是成品煤粉品質(zhì)得不到保證（即水含量高），將會為后端用粉系統(tǒng)（煤粉鍋爐系統(tǒng)）的穩(wěn)定運行帶來一系列阻礙。
“兩步法”工藝屬于冷態(tài)磨粉，干燥后的煤在磨制過程中，磨機進風口通入大量自然風即冷風，冷風作為攜帶輸送煤粉的介質(zhì)，最終不僅將合格細粉帶入收塵器進行收集，而且將成品煤粉溫度冷卻到安全范圍內(nèi)（40℃以下），該溫度的煤粉自氧化速度緩慢，同時配合監(jiān)測、安保等措施系統(tǒng)安全性很高。該工藝既保證了成品煤粉質(zhì)量又控制了溫度，巧妙解決了困擾業(yè)界煤粉的冷卻問題，可實現(xiàn)煤粉較長時間安全的存儲。
(b)占地、投資對比
“一步法”相比“兩步法”缺少烘干機、除塵器、引風機三個主要設備，以2×60t/h生產(chǎn)規(guī)模為例，“一步法”占地面積約小1000m2，同時，在設備費用和土建費用上偏低
總投資成本約低350萬元。
(c) 生產(chǎn)運營成本對比
生產(chǎn)運行成本中主要區(qū)別在電耗和人工兩方面，“一步法” 相比“兩步法”有所減少，約相差2元/t。
(3)推薦方案
兩種工藝各有優(yōu)缺點。
制粉系統(tǒng)兩步法雖然避開了在磨機中又磨粉又烘干的相對不安全環(huán)節(jié)，但一步法簡單兩步法復雜，復雜就帶來操作與管理上的不便，多一個環(huán)節(jié)就多一份出錯點，兩步法制粉也時有安全事故發(fā)生。
電站制粉基本上都是一步法，可借鑒的經(jīng)驗教訓比較多，一步法中大多用熱風制粉，風粉混合物中氧含量偏高，容易自燃帶來危險。采用鍋爐煙氣制粉，因煙氣屬于惰性氣體，降低了風粉混合物中氧含量，提高了制粉的安全度，減少了自燃風險，所以選擇煙氣為干燥劑的一步法制粉工藝，提高運行安全。
7 煤粉制備、輸送和儲存等系統(tǒng)的安全措施
1、運煤系統(tǒng)中設有一級除鐵設施，以除去燃料中的含鐵雜物，以免損傷設備，確 保后續(xù)設備的正常運轉(zhuǎn)。
2、在運煤系統(tǒng)中設置了膠帶機跑偏信號、速度信號、煤流信號、堵煤信號及振打 設施、煤斗的煤位信號，程控室可通過這些信號判斷故障采取必要措施。膠帶機的兩側(cè)設有雙向拉線開關。所有轉(zhuǎn)動機械的外露部分，均設有防護柵欄、護罩、欄桿等。
3、煤場地下受煤斗部分、煤倉間均設置了電動葫蘆，便于設備的檢修。
4、制粉采用“一步法”工藝，并采用惰性氣體（煙氣）作為干燥劑。制粉生產(chǎn)系統(tǒng)為負壓運行，負壓由系統(tǒng)尾部高壓引風機產(chǎn)生。制粉、輸送設備接口均為全密閉設計，采用氮氣置換和流化。
制粉系統(tǒng)設置多處溫度測點以及整套系統(tǒng)設置了 CO2滅火系統(tǒng)，輔以N2流化，減少煤粉著火、爆炸的可能性，確保人員和生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。
5、輸煤系統(tǒng)設置了布袋除塵系統(tǒng)。
6、在煙道、袋式收粉器上裝有防爆門，減少爆炸發(fā)生后的波及范圍，避免事態(tài)擴大。
7、在粉塵比較集中的地方，如：原煤斗及輸煤皮帶間均考慮了除塵裝置。
輸煤系統(tǒng)的輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運站及其它部分設有全套地面水力清掃地面系統(tǒng)，以防煤塵二次污染。
8、將產(chǎn)生較大噪聲和振動源的設備設消聲措施，包括要求磨機制造廠家對設備采用隔振減噪的內(nèi)襯。對強振設備基礎采取設置隔振基礎、加減振墊等措施，以吸收和減弱噪聲值及振動能量。
9、在安裝檢修孔、樓梯、通廊等處設保護欄桿，以保證通行人員安全。所有外露的機械轉(zhuǎn)動部件設防護罩。
10、煤粉倉設在鍋爐房的外面，爐前露天布置，每座煤粉倉按0.4MPa承壓設計，常壓運行使用，均配備流化裝置、除塵裝置、CO監(jiān)測、防爆門、氮氣輸送和二氧化碳惰性氣體保護等安全措施。
為了防止煤粉的板結(jié)壓實等情況，煤粉倉設置氮氣流化裝置；粉倉上有超過60度的超溫報警裝置，和CO超標監(jiān)測裝置，當溫度和CO超過允許值會開啟惰性氣體進行保護。惰性氣體保護選擇C〇2氣體進行保護，當粉倉溫度或者CO濃度超過允許值時，開啟惰性氣體保護裝置，惰性氣體進入粉倉，降低溫度，降低含氧量，消除爆炸以及自燃的危險。
CO2以液態(tài)存儲在惰性氣體氣瓶內(nèi)，需要時打開減壓閥減壓氣化后進入需要保護的系統(tǒng)進行保護。
11、粉倉在采暖季結(jié)束后進行清空，主粉倉、中間儲倉，以及給料器和送粉管道都清理干凈，避免安全隱患，倉頂?shù)某龎m器也清理干凈進行備用。
12、本項目長距離輸送煤粉用的是氮氣，其含氧量低于2%，以避免爆炸的危險。
鍋爐送粉的煤粉濃度的控制依靠給料機和風粉混合器完成，送粉管道內(nèi)的煤粉濃度控制在安全范圍內(nèi)，保證煤粉安全的送入燃燒器進行燃燒。
7 結(jié)論
本項目在采取各種技術措施后，“三廢”排放均可控制在國家允許的標準范圍內(nèi)。
工程實施后污染物排放減少量詳見下表（5臺58MW高效煤粉熱水鍋爐與5臺58MW鏈條熱水鍋爐在相同的脫硝、除塵、脫硫措施下相比較）。
年污染物排放減少量（5臺58MW）
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