降低循環流化床鍋爐排放技術研究

洪衛林

（黃陵礦業煤矸石發電有限公司，陜西 黃陵 727307）

降低循環流化床鍋爐排放技術研究

洪衛林

（黃陵礦業煤矸石發電有限公司，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境污染問題卻日益凸顯。循環流化床鍋爐是一種將固體燃料轉變為類似流體狀態下燃燒，再使用燃燒產生的熱能產生蒸汽的設備，具有脫硫效率優、燃燒效率高、適應性廣、易于控制污染、投資成本低等優點，已在我國工業企業中獲得廣泛應用。本文首先介紹了循環流化床鍋爐的結構和工作原理，然后分析了其污染物排放形成機理，并提出了降低污染物排放的技術措施。

煤炭；循環流化床鍋爐；排放形成機理；減排技術

1 循環流化床鍋爐的結構和工作原理

循環流化床鍋爐一般是單鍋筒式結構，鍋爐主體包括前部和尾部兩個豎井，前部豎井自上而下依次分為懸浮段、濃相床和一次風室，前部豎井一般使用敖管爐墻，周邊設置膜式水冷壁，外側設置金屬護板，尾部豎井自上而下依次設置高溫過熱器、低溫過熱器、省煤器及管式空氣預熱器，尾部豎井常使用輕型爐墻，其中設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分離器相連通，分離器下部設置回送裝置，分離器和燃燒室內部還設有防磨內襯，防磨床內襯使用焊鰭片、焊銷釘敷耐磨材料制造[1]。

循環流化床鍋爐運行時，根據爐內運動物料性質的不同，其運行系統可以分為燃料循環系統和蒸汽生成系統。燃料循環系統由爐膛、分離器、固體物料再循環設備等組成，爐膛的底部和側面均設有通風孔，燃燒所產生的熱量大部分隨著煙氣進入分離器,分離器將煙氣中的固體燃料分離出來，經過料斗、料腿、返料閥后再返回爐膛燃燒，經過分離后的煙氣則通過尾部煙道排出。蒸汽生成系統由對流煙道、過熱器、省煤器和空氣預熱器等組成，來自于鍋爐的水首先經過省煤器加熱后進入汽包，汽包內的飽和水經集中下降管、分配管進入水冷壁下集箱，加熱蒸發后的飽和水經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、后包墻管進入低溫過熱器內，使飽和蒸汽加熱至額定蒸汽溫度，最后，經過匯汽集箱輸出至主氣管道。

2 循環流化床鍋爐燃燒的特點

2.1 適應多種燃料

循環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業垃圾等。這些燃料的重量在整個循環床料中僅占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，確保所有物質均能達到著火點，使爐內各種類型的燃料均能高效燃燒。

2.2 燃燒效率高

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

2.3 熱量、質量和動量傳遞效率高

在循環流化床鍋爐中，大量的固體物料在強烈湍流下通過爐膛，在不同的燃燒工況下，通過調節燃料的循環量即可改變爐內物料的分布規律，改善爐內熱量、質量和動量的傳遞效率，使整個爐膛的溫度分布較均勻，達到調節輸出負荷的目的。通常循環流化床鍋爐的負荷調節范圍為30%～110%，每分鐘可調節負荷約為4%，負荷調節速度快，滿足了調峰機組的需求。

2.4 脫硫效率高

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

2.5 爐膛熱負荷高

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

3 影響循環流化床鍋爐污染物排放的因素

循環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氣，燃料中的硫、氮以及碳氫等化合物，影響這些污染物生成的本質因素是爐內氧化、還原反應的條件。

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，這是循環流化床鍋爐污染物生成的主要形式，污染物約占總數的60%～80%。因此，燃料中硫、氮的含量越高，相應的氮氧化合物排放量也越高，燃料中氮多數以胺、芳香環等形態存在于褐煤、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，在短時間內即燃盡，使燃料中的氮、硫等越容易氧化，NO含量增加。但是，當燃料的粒度減小到某一極限值時，燃燒效率雖然大幅提高，卻會造成富余燃料燃燒狀態，使爐內形成以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 過量空氣系數的影響

過量空氣影響爐內含氧量的高低和爐內燃燒效率。當過量空氣系數較小時，由于爐內局部缺氧，爐內還原氣氛得到加強，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；當過量空氣系數較大時，爐內含氧量增加，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，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℃時脫硫效率最高。這是由于CaO內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，石灰石顆粒在流化床內首先發生煅燒吸熱反應生成CaO和CO2，然后CaO吸收床內釋放的SO2，進行固硫反應，從而降低SO2的排放量，但是，CaO既是氮的氧化反應的催化劑，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，當石灰石中Ca/S增大時，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的轉化過程，致使N2O減少、NOx增加[3]。

3.6 一次風率的影響

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

4 降低循環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

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，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。若同時提高床溫和降低過量空氣系數，則又會使SO2排放量增加，為了解決這個問題，可使用適當粒徑的脫硫劑，以增加承載脫硫反應的比表面積，減弱脫硫反應對溫度的敏感性和對NOX的刺激增長作用，一般地，床溫優選為850～900℃較為適宜，脫硫劑優選粒徑為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特定區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的溫度，例如，尿素的反應溫度是890℃，液胺的反應溫度只有810℃，鐵的反應溫度為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，需要注意控制一次風率和二次風率的配比關系，使NOx的排放量達到最低水平。實際上，常取一次風率與二次風率之比為3:1，可基本滿足需求，此外，二次風注入位置應設于密相區的上方且距布風板約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出口處設置若干個噴嘴向爐內噴射可燃物質，使可燃物質在燃燒時產生高溫，促使N2O與H、OH或者其他氣體分子反應，實現N2O分解，從而降低N2O的排放量。使用這種方法時，需要控制燃料的燃燒溫度和煙氣在高溫區的停留時間，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進行分解。但是，使用這種方法時，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，操作較為復雜，目前該方法仍處于實驗研究階段。

5 結語

筆者在考察多臺循環流化床鍋爐的運行情況后，提出了一系列減少循環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、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、增加循環物料量等。隨著循環流化床鍋爐的廣泛應用，國內外許多學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律，找出從源頭入手的控制措施，減少環境污染，造福人類。

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

2 岑可法，倪明江，駱仲泱，等.循環流化床鍋爐理論設計與運行[M].北京：中國電力出版社，1997.

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

4 揚海瑞，呂 俊，復邢興，等.循環流化床鍋爐污染物排放規律的熱態研究[J].電站系統工程，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

洪衛林（1984-），男，山西陽泉人，助理工程師，從事鍋爐專業日常運行管理工作。