洪衛(wèi)林

（黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司，陜西 黃陵 727307）

降低循環(huán)流化床鍋爐排放技術(shù)研究

洪衛(wèi)林

（黃陵礦業(yè)煤矸石發(fā)電有限公司，陜西 黃陵 727307）

目前，煤炭仍然是我國最重要的一次能源，由煤炭燃燒所引起的環(huán)境污染問題卻日益凸顯。循環(huán)流化床鍋爐是一種將固體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃屏黧w狀態(tài)下燃燒，再使用燃燒產(chǎn)生的熱能產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，具有脫硫效率優(yōu)、燃燒效率高、適應(yīng)性廣、易于控制污染、投資成本低等優(yōu)點(diǎn)，已在我國工業(yè)企業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理，然后分析了其污染物排放形成機(jī)理，并提出了降低污染物排放的技術(shù)措施。

煤炭；循環(huán)流化床鍋爐；排放形成機(jī)理；減排技術(shù)

1 循環(huán)流化床鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作原理

循環(huán)流化床鍋爐一般是單鍋筒式結(jié)構(gòu)，鍋爐主體包括前部和尾部兩個(gè)豎井，前部豎井自上而下依次分為懸浮段、濃相床和一次風(fēng)室，前部豎井一般使用敖管爐墻，周邊設(shè)置膜式水冷壁，外側(cè)設(shè)置金屬護(hù)板，尾部豎井自上而下依次設(shè)置高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器及管式空氣預(yù)熱器，尾部豎井常使用輕型爐墻，其中設(shè)置多根鋼柱起支承作用，前部豎井和尾部豎井之間使用旋風(fēng)分離器相連通，分離器下部設(shè)置回送裝置，分離器和燃燒室內(nèi)部還設(shè)有防磨內(nèi)襯，防磨床內(nèi)襯使用焊鰭片、焊銷釘敷耐磨材料制造[1]。

循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)，根據(jù)爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)物料性質(zhì)的不同，其運(yùn)行系統(tǒng)可以分為燃料循環(huán)系統(tǒng)和蒸汽生成系統(tǒng)。燃料循環(huán)系統(tǒng)由爐膛、分離器、固體物料再循環(huán)設(shè)備等組成，爐膛的底部和側(cè)面均設(shè)有通風(fēng)孔，燃燒所產(chǎn)生的熱量大部分隨著煙氣進(jìn)入分離器,分離器將煙氣中的固體燃料分離出來，經(jīng)過料斗、料腿、返料閥后再返回爐膛燃燒，經(jīng)過分離后的煙氣則通過尾部煙道排出。蒸汽生成系統(tǒng)由對流煙道、過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器等組成，來自于鍋爐的水首先經(jīng)過省煤器加熱后進(jìn)入汽包，汽包內(nèi)的飽和水經(jīng)集中下降管、分配管進(jìn)入水冷壁下集箱，加熱蒸發(fā)后的飽和水經(jīng)過水冷壁上集箱返回汽包形成飽和蒸汽，然后，飽和蒸汽通過頂棚管、后包墻管進(jìn)入低溫過熱器內(nèi)，使飽和蒸汽加熱至額定蒸汽溫度，最后，經(jīng)過匯汽集箱輸出至主氣管道。

2 循環(huán)流化床鍋爐燃燒的特點(diǎn)

2.1 適應(yīng)多種燃料

循環(huán)流化床鍋爐幾乎可以使用一切類型的燃料，如泥煤、褐煤、無煙煤、貧煤、石煤、木屑、爐渣、煤矸石、石油焦、油頁巖以及各種工農(nóng)業(yè)垃圾等。這些燃料的重量在整個(gè)循環(huán)床料中僅占2%～6%，其余的則是脫硫劑、灰渣等不可燃燒的固體顆粒，燃料顆粒燃燒所釋放的熱量使床層保持足夠的溫度，確保所有物質(zhì)均能達(dá)到著火點(diǎn)，使?fàn)t內(nèi)各種類型的燃料均能高效燃燒。

2.2 燃燒效率高

循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行時(shí)，燃料同床料在密閉的回路中進(jìn)行多次循環(huán)燃燒，使燃料具有足夠的燃燒時(shí)間。燃料循環(huán)過程中，燃料顆粒之間相互碰撞粉碎成更加細(xì)小的顆粒，促使燃料充分燃盡，釋放出巨大的熱量，也使燃燒中產(chǎn)生的飛灰中的含碳量降低至1%。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率通常可達(dá)95%，充分燃燒后產(chǎn)生的灰渣還可作為建筑材料使用[2]。

2.3 熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳遞效率高

在循環(huán)流化床鍋爐中，大量的固體物料在強(qiáng)烈湍流下通過爐膛，在不同的燃燒工況下，通過調(diào)節(jié)燃料的循環(huán)量即可改變爐內(nèi)物料的分布規(guī)律，改善爐內(nèi)熱量、質(zhì)量和動(dòng)量的傳遞效率，使整個(gè)爐膛的溫度分布較均勻，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出負(fù)荷的目的。通常循環(huán)流化床鍋爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為30%～110%，每分鐘可調(diào)節(jié)負(fù)荷約為4%，負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快，滿足了調(diào)峰機(jī)組的需求。

2.4 脫硫效率高

循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)燃燒溫度一般是850℃～950℃，低于通常煤的灰熔點(diǎn)，屬于低溫燃燒，脫硫反應(yīng)的最佳溫度是825℃～850℃。向爐內(nèi)加入脫硫劑，有利于降低NOx的排放，循環(huán)流化床鍋爐的NOx排放范圍一般為50～150 ppm。在燃燒過程中，床料中的物料均經(jīng)過多次的循環(huán)脫硫反應(yīng)，因而具有很高的脫硫效率。

2.5 爐膛熱負(fù)荷高

循環(huán)流化床鍋爐爐膛單位截面積的熱負(fù)荷約為3～6 MW/m2，爐膛容積熱負(fù)荷為1.5～2 MW/m3，在同等條件下，它們分別是普通鍋爐的數(shù)倍。爐膛熱負(fù)荷參數(shù)越高，表明循環(huán)流化床鍋爐的燃燒效率越高，有利于減少爐膛體積，減少給煤點(diǎn)數(shù)量，使給煤系統(tǒng)大大簡化。

3 影響循環(huán)流化床鍋爐污染物排放的因素

循環(huán)流化床鍋爐排放的污染物主要有S02、NOx和N2O等，這些污染物主要來源于空氣中的氮?dú)猓剂现械牧?、氮以及碳?xì)涞然衔铮绊戇@些污染物生成的本質(zhì)因素是爐內(nèi)氧化、還原反應(yīng)的條件。

3.1 燃料特性的影響

燃料中的氮、硫等在高溫條件下氧化生成S02、NOx和N2O，這是循環(huán)流化床鍋爐污染物生成的主要形式，污染物約占總數(shù)的60%～80%。因此，燃料中硫、氮的含量越高，相應(yīng)的氮氧化合物排放量也越高，燃料中氮多數(shù)以胺、芳香環(huán)等形態(tài)存在于褐煤、頁巖、煙煤、無煙煤等燃料中。此外，燃料中氧、氫、碳、氮含量之間的比例對污染物排放量的影響很大。O/N比越大，NOx排放量較高；H/C比越高，則NO越難于被還原，故NOx排放量也越高；S/N比越大，則會使SO2排放量較高，而NOx排放量越低。

3.2 燃料粒徑的影響

燃料的粒徑越小，其燃燒升溫速率越快，燃料粒子燃燒速度越快，在短時(shí)間內(nèi)即燃盡，使燃料中的氮、硫等越容易氧化，NO含量增加。但是，當(dāng)燃料的粒度減小到某一極限值時(shí)，燃燒效率雖然大幅提高，卻會造成富余燃料燃燒狀態(tài)，使?fàn)t內(nèi)形成以CO氣體為主的還原氣氛，NOx被分解還原，并使部分NO還原為 N2。

3.3 過量空氣系數(shù)的影響

過量空氣影響爐內(nèi)含氧量的高低和爐內(nèi)燃燒效率。當(dāng)過量空氣系數(shù)較小時(shí)，由于爐內(nèi)局部缺氧，爐內(nèi)還原氣氛得到加強(qiáng)，CO濃度增加，延遲了SO2的形成，使H2S含量增加，其中部分又氧化為SO2；當(dāng)過量空氣系數(shù)較大時(shí)，爐內(nèi)含氧量增加，燃燒效率提高，加快了氮、硫的析出速度，NOx和SO2含量增加。

3.4 燃燒溫度的影響

燃燒溫度較高，加快了燃料的熱解、氧化反應(yīng)，增加了氮、硫的活性，使氮、硫在高溫下快速析出并氧化生成SO2、NOx等化合物。燃燒溫度較大還會使脫硫效率降低，研究表明，燃燒溫度為785℃時(shí)脫硫效率最高。這是由于CaO內(nèi)部的小晶粒逐漸融合形成大晶粒，CaO比表面積減少，致使脫硫效率降低；當(dāng)燃燒溫度超過1 000℃后，CaSO4被分解出SO2，增加了SO2的濃度。

3.5 脫硫劑的影響

以石灰石作為脫硫劑時(shí)，石灰石顆粒在流化床內(nèi)首先發(fā)生煅燒吸熱反應(yīng)生成CaO和CO2，然后CaO吸收床內(nèi)釋放的SO2，進(jìn)行固硫反應(yīng)，從而降低SO2的排放量，但是，CaO既是氮的氧化反應(yīng)的催化劑，也是CO、H2還原NO的催化劑，一般地，CaO對NOx的生成起的作用較大，當(dāng)石灰石中Ca/S增大時(shí)，NOx排放量顯著增加，加熱后的石灰石會使SO2濃度降低，從而減少NOx向N2O的轉(zhuǎn)化過程，致使N2O減少、NOx增加[3]。

3.6 一次風(fēng)率的影響

一次風(fēng)率的額定值一般為55%，這時(shí)NOx的排放量為87～169 ppm。若一次風(fēng)率較大，則二次風(fēng)率相應(yīng)降低，二次風(fēng)口以下區(qū)域的溫度水平和氧濃度水平提高，爐內(nèi)氧化氣氛增強(qiáng)，使NOx的生成量增加。研究表明，將一次風(fēng)率從40%增加至80%時(shí)，NOx的排放量增加了250 ppm。

4 降低循環(huán)流化床鍋爐污染物排放的措施

4.1 使用適宜的床溫并采用較低的空氣過量系數(shù)

較低的床溫有利于降低NOx的排放量和脫硫，卻使N2O的排放量上升；使用較小的過量空氣系數(shù)，有利于減少NO和N2O的排放量，但使燃燒效率降低，CO排放量增加。若同時(shí)提高床溫和降低過量空氣系數(shù)，則又會使SO2排放量增加，為了解決這個(gè)問題，可使用適當(dāng)粒徑的脫硫劑，以增加承載脫硫反應(yīng)的比表面積，減弱脫硫反應(yīng)對溫度的敏感性和對NOX的刺激增長作用，一般地，床溫優(yōu)選為850～900℃較為適宜，脫硫劑優(yōu)選粒徑為150～300 mm的石灰石即可。

4.2 使用選擇性還原劑脫氮

這種方法的原理是在流化床鍋爐內(nèi)特定區(qū)域有選擇性地加入還原劑，以使NOx或N2O的含量降低的方法，例如，在分離器區(qū)域或懸浮段注入液胺、尿素或在床料中加入金屬鐵等。這種方法操作十分簡便，但需要注意的是要考慮還原反應(yīng)的溫度，例如，尿素的反應(yīng)溫度是890℃，液胺的反應(yīng)溫度只有810℃，鐵的反應(yīng)溫度為1 200℃。

4.3 分段燃燒法

這種方法通過降低密相床中O2的含量來降低NOx的排放量，但同時(shí)也使燃燒效率和脫硫效率降低，對SO2和N2O排放量的影響不大。使用這種方法時(shí)，需要注意控制一次風(fēng)率和二次風(fēng)率的配比關(guān)系，使NOx的排放量達(dá)到最低水平。實(shí)際上，常取一次風(fēng)率與二次風(fēng)率之比為3:1，可基本滿足需求，此外，二次風(fēng)注入位置應(yīng)設(shè)于密相區(qū)的上方且距布風(fēng)板約1.5～3 m處[4]。

4.4 二次燃燒法

二次燃燒法也被稱為再燃燒法、二次燃料注射法等，其原理是在分離器的進(jìn)出口處設(shè)置若干個(gè)噴嘴向爐內(nèi)噴射可燃物質(zhì)，使可燃物質(zhì)在燃燒時(shí)產(chǎn)生高溫，促使N2O與H、OH或者其他氣體分子反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)N2O分解，從而降低N2O的排放量。使用這種方法時(shí)，需要控制燃料的燃燒溫度和煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，常用的二次燃料主要有CH4、C2H6、C3H8、液化石油氣、木粉、鋸末等，其燃燒溫度為950℃～1000℃時(shí)最佳。

4.5 金屬氧化物催化法

這種方法的原理是在流化床床層中加入各種金屬氧化物，如Fe2O3、Fe3O4、CaO、Al2O3、MgO等，利用金屬氧化物對N2O進(jìn)行分解。但是，使用這種方法時(shí)，人們需要全面考慮燃料類型、燃燒溫度、鈣硫比、含氧量等因素，操作較為復(fù)雜，目前該方法仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。

5 結(jié)語

筆者在考察多臺循環(huán)流化床鍋爐的運(yùn)行情況后，提出了一系列減少循環(huán)流化床鍋爐污染物排放量的具體措施，如提高床溫、降低過量空氣系數(shù)、使用選擇性還原劑脫氮、分段燃燒法、二次燃燒法、金屬氧化物催化法、增加循環(huán)物料量等。隨著循環(huán)流化床鍋爐的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多學(xué)者均已加大了對其污染物排放問題的研究力度，以探索這些排放物生成的原因及規(guī)律，找出從源頭入手的控制措施，減少環(huán)境污染，造福人類。

1 李友榮，盧嘯風(fēng)，吳雙應(yīng).循環(huán)流化床鍋爐中的NOx生成機(jī)制與控制措施[J].電站系統(tǒng)工程，2000，（16）：248-250.

2 岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京：中國電力出版社，1997.

3 宮述鈞.對綜合控制循環(huán)流化床鍋爐SO2、NOx及N2O排放的探討[J].廣東電力，2007，20（4）：74-77.

4 揚(yáng)海瑞，呂 俊，復(fù)邢興，等.循環(huán)流化床鍋爐污染物排放規(guī)律的熱態(tài)研究[J].電站系統(tǒng)工程，2000，（5）：131-134.

Study on Reducing Circulating Fluidized Bed Boiler Emission Technology

Hong Weilin
(Huangling Mining Coal Gangue Power Generation Co., Ltd., Huangling 727307, China)

At present, coal is still the most important primary energy in our country. The environmental pollution caused by coal combustion has become increasingly prominent. Circulating fluidized bed boiler is a kind of solid fuel combustion transformation for the fluid like state, and then use the heat generated by the combustion of steam generating equipment, has excellent desulfurization efficiency, high combustion efficiency, wide adaptability, easy to control pollution and low cost, has been widely used in industrial enterprises in china. In this paper, the structure and working principle of circulating fluidized bed boiler are introduced firstly, then the formation mechanism of pollutant emission is analyzed, and the technical measures to reduce pollutant emission are put forward.

coal; circulating fluidized bed boiler; emission formation mechanism; emission reduction technology

TM621.2

A

1008-9500(2017)09-0099-03

2017-07-05

洪衛(wèi)林（1984-），男，山西陽泉人，助理工程師，從事鍋爐專業(yè)日常運(yùn)行管理工作。