CFB污染物原始超低排放现状与展望

CFB污染物原始超低排放现状与展望

王克尔

准能集团公司生产服务中心内蒙古鄂尔多斯010300

摘要：循环流化床（ＣＦＢ）锅炉技术是目前应用较广的洁净煤燃烧技术。本文如何深入挖掘cFB优良的环保性能，以实现cFB污染物原始超低排放，进而减低cFB脱硫脱硝系统的原始投入成本和运行成本，既满足了国家严格的环保标准又实现了煤炭的清洁燃烧。

关键词：循环流化床；超低排放；脱硫脱硝

近年来，我国大部分城市持续不断的严重雾霾深深的在人们的心里产生了挥之不去的阴影，也加深了人们对环保问题的广泛关注，环保部门出台了针对火力发电厂对大气污染物排放标准。近两年，“超低排放”、“近零排放”等概念在燃煤火力发电行业被提出并迅速推广。我国循环流化床锅炉（简称CFB锅炉）作为一种洁净煤燃烧技术，较强的燃料适应性和较低的运行成本极大的推动了该项技术的使用，目前我国CFB锅炉机组装机容量接近1.2亿千瓦时，约占火力发电机组的13%。由于CFB锅炉设计本身和燃煤煤质的制约，需要合理选用适合的技术措施，在达到环保要求的同时，充分发挥CFB锅炉低温燃烧优势，突出洁净煤燃烧优势，节约运行成本。

一、循环流化床概述

循环流化床锅炉(cFB)燃烧技术具有氮氧化物原始排放低、可实现在燃烧过程中直接脱硫、燃料适应性广、燃烧效率高和负荷调节范围宽等优势，已成为我国煤炭洁净燃烧方向的首选炉型。而且循环流化床锅炉技术已发展到一定水平，正往大容量、超临界、高洁净方向快速发展。总结循环流化床锅炉技术的最新进展，预测循环流化床锅炉技术未来的发展方向，对于推动循环流化床锅炉本身的技术进步、实现煤炭的清洁燃烧，降低污染物的原始排放以解决我国当前能源结构单一、环境污染严重等问题，具有重要的现实意义。实现CFB超低排放，在尾部烟道固然可以安装烟气脱硫装置，同时增加sNcR脱硝装置也是目前新建机组的通常选择，但此方式不利于循环流化床锅炉良性发展。如何深人挖掘循环流化床锅炉自身优良的环保性能，降低锅炉自身的原始排放，适应我国严格的环保要求成cFB技术进步的重中之重。清华大学的岳光溪院士在cFB协作网召开的第14届年会上宣布，经过该科研团队与太原锅炉集团有限公司深入合作对流化床锅炉技术应对超低排放的研究，在提出流态重构的基础上，又进一步优化床内流态，探索不同床质量对sO2、NoX等污染物排放的影响，既在基于流态重构的低床压节能型循环流化床锅炉基础上进一步提高床质量、减少总床存量、增加循环量，即通过流态二次重构，重整炉内氧化还原气氛，实现氮氧化物的超低排放与低钙硫比下的高炉内石灰石脱硫效率。

二、中国循环流化床燃烧技术的地位

循环流化床燃烧技术是20世纪70年代末开始出现的清洁煤燃烧技术。循环流化床中，燃烧室、分离器及返料器组成主循环回路。燃料燃烧产生的灰分及脱硫石灰石在系统中累积，在燃烧室下部形成鼓泡床或湍流床，上部形成快速床。下部的大量热物料为燃料着火提供足够的热源，因此对燃料要求比较宽松。流化过程气固混合强烈，降低了燃烧或脱硫化学反应的传质阻力，加速了反应速度。在800~900℃条件下，燃烧比较稳定，加入石灰石颗粒，石灰石中的碳酸钙可以分解成高孔隙率的氧化钙，进而吸收燃烧产生的二氧化硫；此温度下氮氧化物的生成量显著下降，另外，低温燃烧形成的多孔灰颗粒对重金属有很强的吸附能力，烟气中重金属排放低。所以循环流化床是适应劣质煤的低成本污染控制的洁净燃烧技术。中国处于工业化期，能源需求大。中国的资源禀赋条件决定了煤炭仍然是中国电力工业主要能源，并且煤炭资源中高灰、硫分大于1%的高硫煤比重较大，其中灰分大于20%的煤占50%以上。洗煤过程产生大量矸石、洗中煤、煤泥需要利用，循环流化床燃烧具备燃料适用范围广、低成本干法燃烧中脱硫、低氮氧化物排放的优点是大规模清洁利用此类燃料的最佳选择。到目前为止，中国循环流化床燃烧锅炉发电容量近1亿kW，总循环流化床锅炉台数大于3000台，为世界第一。

三、CFB锅炉污染物排放的控制

1.影响NOx生成的因素。CFB锅炉的NOx生成受到炉膛烟温、燃料特性和过量空气系数等因素的制约。锅炉NOx的生成排放以NO为主。随着运行床温的提高，NO的排放量将升高。在考虑断煤不灭火的应急处理工况下，将床温控制在850～900℃的范围内，实现较为理想的低氮燃烧效果。如果炉膛内出现局部超温，很容易产生大量的NOx并有可能出现高温结焦现象;而将床温控制得过低，又会造成大量的N2O生成，燃尽率和锅炉热效率明显下降。

2．影响SO2生成的因素。CFB锅炉SO2的排放则对床温和过量空气系数等因素较为敏感。SO2的析出率随着床温的升高而单调递增。进入炉膛的总过量空气系数以及进风分配影响着各区域的氧浓度水平。在局部缺氧的条件下，SO2析出反而减少，反之，氧浓度越高，SO2析出也越多。

3.控制CFB锅炉NOx、SO2的排放措施。对CFB锅炉大气污染物的脱除和控制应综合考虑，采取针对性措施，可以同时降低NOx、SO2及CO等污染气体的排放。相较而言，NOx的控制排放比SO2、CO更加困难。因此可以先考虑NOx的控制措施，然后再兼顾限制SO2及CO等污染气体排放的方法。目前，分级送风燃烧仍是最有效的低氮燃烧的方法。低氮燃烧更希望在低氧还原的气氛中进行，燃烧条件随着运行调节而改变，最初生成的NOx可以被还原或者破坏。炉膛燃烧温度的均匀性和精确合理的二次风分级交错送入，可以实现低氮燃烧所需要的环境，这种低温低氧的环境，强化了生成NOx的逆向反应。同时，炉膛流化速度不宜过大，流化速度的增大，会使床层过量氧增加，从而导致氮的转化概率增加。CFB锅炉能够采用燃烧过程中在炉内直接加脱硫剂的方法脱硫。这种方法比尾部烟气脱硫简单高效、成本低廉。石灰石是最常用的脱硫剂。经过煅烧和固硫反应，烟气中的SO2生成CaSO4被排出。影响石灰石脱硫效率的主要因素有:Ca/S摩尔比、石灰石粒径、燃料特性、炉膛温度、流化速度等。石灰石脱硫的方式，需要局部相对较高的氧浓度，固态的CaSO4在氧化的氛围中更为稳定。这与低氮燃烧更倾向的低温低氧环境产生了矛盾。解决矛盾的关键在于氧浓度的控制与分配，将总的炉膛过量空气系数控制在1．2左右或者更低一点，立体式的分级送风燃烧，分配较大的二次风量等措施从而均衡锅炉的燃烧温度，将床温控制在低氮燃烧与脱硫高效反应的重合区域。

四、CFB污染物原始超低排放研究

1.CFB脱硝。循环流化床锅炉自身的低温燃烧特性和空气分级供给燃烧方式对抑制氮氧化物生成十分有利，因为循环流化床锅炉产生的氮氧化物主要为燃料型，并且绝大部分来源于燃料中的挥发分氮。从宏观上看，在炉膛温度、运行风量以及一二次配风装置设计合理的情况下，循环流化床锅炉氮氧化物原始生成量的多少关键取决于炉膛下部还原性气氛的高度。（低氧燃烧生成cO，保障还原性气氛)还原区越高，氮氧化物生成就越少。还原区的高度主要取决于循环物料的粒径大小，物料粒径越细，还原区的高度就越高，还原性气氛就越好。流态二次重构实质上就是通过进一步减小循环物料的粒径，在锅炉炉膛下部更高的范围内构建了无梯度的分级送风、缺氧燃烧的新型气固流化状态，实现了基于床质量提高的氧化还原气氛重整，深度抑制氮氧化物的原始生成，从而实现NOx的超低排放。基于新一代锅炉本身极低的氮氧化物原始排放性能，采用炉内SNcR脱硝就可满足所有煤种的氮氧化物超低排放要求。对于低挥发分煤种，锅炉氮氧化物原始排放直接达标，SNcR处于热备用状态即可。

2.CFB脱硫。循环流化床锅炉生成的主要来源于燃料中。由于CFB内存在大量的超细循环物料，且主要成分除了碳以外为等碱性物料，外加850℃左右为脱硫反应的最佳温度，可以更充分地实现酸碱中和吸收固化，根据不同厂家相同参数CFB燃用相同煤种满负荷运行时烟气中含量与飞灰粒度和含碳量成正相关的现象，初步分析认定为循环物料粒径变细可以降低cFB原始排放。物料粒径变细、床质量提高以后，人炉石灰石就可以采用更细的粒径，在石灰石量不变的情况下，石灰石反应的比表面积成倍增加。同时，更细的物料粒径会带来颗粒团聚概率的大幅度增加，使得石灰石在炉内的停留时间大大延长，从而极大地提高炉内石灰石脱硫效率。炉内脱硫剩余的氧化钙进入尾部烟道后，通过喷水消化为氢氧化钙，可以继续脱除烟气中剩余的二氧化硫，以废治废，低成本地获得更高的综合脱硫效率。实际运行时，对于低硫煤，炉内脱硫直接达标，半干法处于热备用状态；对于高硫煤，半干法利用炉内脱硫剩余的氧化钙，采用喷水增湿或投加少量吸收剂即可保证二氧化硫超低排放，从而避免了双碱法等设备复杂、运行成本高、故障率高等问题。

五、CFB锅炉脱硫、脱硝、除尘技术路线

1.CFB锅炉脱硫、脱硝技术路线。CFB锅炉脱硫技术主要采用湿法脱硫、半干法脱硫、炉内喷钙脱硫；脱硝技术主要采用选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）及炉内低氮燃烧工艺。目前CFB锅炉脱硫、脱硝主要有以下四种方式：（1）湿法脱硫+SCR脱硝。湿法脱硫：脱硫反应速度快、效率高、脱硫添加剂利用率高，但湿法脱硫存在废水处理问题，初投资大，运行费用高。SCR脱硝：装置结构简单、脱硝效率高、二次污染小，温度要求280～420℃，但烟气易结露腐蚀后续设备和管道，初投资大，运行费用高。脱硫、脱硝效率高，但脱硫、脱硝初投资和运行成本高。（2）湿法脱硫+SNCR脱硝。湿法脱硫：脱硫反应速度快、效率高、脱硫添加剂利用率高，但湿法脱硫存在废水处理问题，初投资大，运行费用高。SNCR脱硝：不用催化剂，设备和运行费用少，还原剂喷入炉膛，温度要求850～1100℃，但NH3用量大，易造成二次污染，烟气易结露腐蚀后续设备和管道，脱硝效率低。脱硫、脱硝效率高，但脱硝效率相对于SCR脱硝偏低，优点是投资也较低。（3）炉内喷钙脱硫+SNCR脱硝。炉内喷钙脱硫：系统配置简洁、设备和运行费用小、脱硫效率高，但对运行工况要求较高，合理控制床温820～900℃。SNCR脱硝：不用催化剂，设备和运行费用少，还原剂喷入炉膛，温度要求850～1100℃，但NH3用量大，易造成二次污染，烟气易结露腐蚀后续设备和管道，脱硝效率低。脱硫、脱硝效率高，初期投资、运行成本较低。SNCR效率相对于SCR效率偏低，但可以能满足NOx排放标准要求，且投资成本、改造难度、实施周期均低于SCR，因此该方式在目前CFB锅炉上应用较多。（4）炉内喷钙脱硫+炉内低氮燃烧。炉内喷钙脱硫：系统配置简洁、设备和运行费用小、脱硫效率高，但对运行工况要求较高，合理控制床温820～900℃。炉内低氮燃烧：系统配置简洁、设备投资小，但对运行工况要求较高，合理控制床温小于900℃，过量空气系数小于1.25。脱硫、脱硝效率高，初投资和运行成本低。但对运行工况要求高，需合理控制床温、氧量，合理控制石灰石量，统筹兼顾SO2、NOx达标排放。

2.CFB锅炉除尘技术路线。除尘方式主要有布袋除尘、电除尘、电加袋除尘三种方式。采用电除尘的机组均不能满足环保标准要求；采用布袋除尘的机组，对除尘器的密封进行综合治理，提高除尘器布袋的质量，加强安装质量管控后，可以满足环保标准要求；采用电袋除尘的机组均能满足环保标准要求。

3.根据燃煤煤质选择脱硫脱硝技术路线。（1）根据燃煤硫份选择脱硫技术。SO2的最终排放与燃料的原始含硫量有关。对于燃料硫含量低于1.5%的机组，合理控制钙硫比可以是环保指标稳定达标。对于高硫燃料，CFB锅炉炉内脱硫很难直接达标，需要考虑炉内脱硫联合简易烟气净化等方法，炉内喷入的未反应完全的石灰石形成的CaO，进入简易脱硫设施还可再次利用。（2）根据燃煤挥发分选择脱硝技术。NOx的生成主要与锅炉运行温度、氧量有关，因此循环流化床锅炉要求控制床温小于900℃，过量空气系数小于1.25；其次还与燃料的反应活性有关，研究表明，对于NOx排放量≤200mg/m3的要求，CFB锅炉在多数条件下能够满足，但是NOx排放量≤100mg/m3，则在很大程度上取决于燃料种类，高挥发分燃料，运行参数无法控制在最佳低氮燃烧参数内，则需考虑SNCR脱硝。循环流化床温度正好在SNCR温度控制范围内，利用分离器作用，有利于提高反应程度，减少氨逃逸。

今后在热电和中大型火力发电行业，流化床锅炉机组不仅仅作为大型煤粉锅炉机组配角的地位，这将在流化床锅炉发展史上具有里程碑式的意义，为广大企业带来巨大的经济效益，为社会带来重大的环保效益，还祖国以碧水蓝天，清新空气。

参考文献：

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［２］杜昭，胡志光，常爱玲，等．循环流化床锅炉脱硫的影响因素分析［Ｊ］．安全与环境学报，2017，（4）：43～45．

［３］杨振森，刘彬，陈宁武，等．提高ＣＦＢ锅炉炉内脱硫效率的试验研究［Ｊ］．洁净煤技术，2017，18（6）：72～75．