大型循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能型超低排放技術(shù)路線探討

白楊

(神華國(guó)神技術(shù)研究院，西安 710065)

大型循環(huán)流化床鍋爐節(jié)能型超低排放技術(shù)路線探討

白楊

(神華國(guó)神技術(shù)研究院，西安 710065)

對(duì)現(xiàn)有大型循環(huán)流化床鍋爐環(huán)保達(dá)標(biāo)排放技術(shù)路線進(jìn)行分析、總結(jié)，提出僅靠鍋爐運(yùn)行調(diào)整或鍋爐改造無(wú)法滿足超低排放要求時(shí)，可考慮增設(shè)成本低廉的選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝設(shè)備，脫硫優(yōu)先選擇爐內(nèi)石灰石脫硫及爐外半干法脫硫方式，除塵優(yōu)先選擇超凈電袋復(fù)合除塵方式，在滿足超低排放的條件下，有較好的經(jīng)濟(jì)性。

循環(huán)流化床鍋爐；超低排放；選擇性非催化還原；爐內(nèi)石灰石脫硫；爐外半干法脫硫；超凈電袋復(fù)合除塵

0 引言

隨著我國(guó)節(jié)能減排工作的日益深入，循環(huán)流化床鍋爐作為火力發(fā)電設(shè)備的重要成員，面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的節(jié)能降耗、污染減排壓力。2015年12月2日國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議提出：2020年前，對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，對(duì)落后產(chǎn)能和不符合相關(guān)強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求的，要堅(jiān)決淘汰關(guān)停。神華集團(tuán)公司要求，至2020年，300 MW等級(jí)及以下(含循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組)現(xiàn)役燃煤機(jī)組供電煤耗在2015年基礎(chǔ)上再降低10 g/(kW·h)以上。因此，循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組不僅面臨著超低排放的要求，而且要兼顧超低能耗的要求。

以300 MW循環(huán)流化床機(jī)組為例[1]，采用爐外濕法煙氣脫硫(FGD)時(shí)，生產(chǎn)廠用電率增加約1.70百分點(diǎn)，折算增加供電煤耗3.40 g/(kW·h)；采用半干法脫硫時(shí)，生產(chǎn)廠用電率增加約1.19百分點(diǎn)，折算增加供電煤耗2.38 g/(kW·h)；采用選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝時(shí)，生產(chǎn)廠用電率增加約0.32百分點(diǎn)，折算增加供電煤耗0.64 g/(kW·h)。由此可見(jiàn)，環(huán)保設(shè)施投入后勢(shì)必增加供電煤耗，進(jìn)而增加企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。因此，如何通過(guò)合理的環(huán)保投資，提出節(jié)能型的超低排放技術(shù)路線有重要的意義。

1 爐內(nèi)改造

相關(guān)研究表明[2-3]，循環(huán)流化床鍋爐床溫和氧化還原性氣氛是影響NOx生成的最主要因素，鍋爐床溫越低，氧化還原性氣氛越強(qiáng)，鍋爐爐膛出口NOx排放值越低。通過(guò)優(yōu)化給煤粒度、提高物料平均粒度、降低底部密相區(qū)的懸浮濃度來(lái)盡可能增加形成快速床流動(dòng)的有效床料比例，滿足爐膛上部傳熱性能要求，使?fàn)t膛內(nèi)燃燒熱量分配更趨合理，避免底部出現(xiàn)超溫。提高分離器效率并對(duì)外循環(huán)回路進(jìn)行改進(jìn)，提高循環(huán)倍率，使鍋爐爐膛床溫在高度方向上均勻分布。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化給煤口布置方式，增加二次風(fēng)擾動(dòng)效果，提高二次風(fēng)比例及穿透能力，改進(jìn)爐膛上部氣固混合，減少貧氧區(qū)的范圍，還可提高鍋爐燃燒效率。

實(shí)踐證明，爐內(nèi)改造后對(duì)于燃用無(wú)煙煤、石油焦、貧煤有較好的效果，鍋爐NOx低排放具有明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，廠用電率可以從7%～8%降至4%～5%，鍋爐的檢修周期延長(zhǎng)，機(jī)組可用率達(dá)到99.9%。表1為某560，260 t/h循環(huán)流化床鍋爐經(jīng)過(guò)爐內(nèi)改造后的NOx排放值，滿足了超低排放的要求[4]。

因此，當(dāng)燃用煤種為無(wú)煙煤或貧煤時(shí)，可通過(guò)爐內(nèi)改造，將鍋爐床溫控制在850～880 ℃之間，爐膛上部差壓控制在2.5 kPa以上，實(shí)現(xiàn)NOx超低排放，主要采取以下途徑。

(1)控制床溫：在不影響鍋爐出力、經(jīng)濟(jì)性的前提下降低床溫、均勻床溫。

(2)優(yōu)化給煤粒度：給煤粒度細(xì)，底部還原性氣氛加強(qiáng)，NOx排放降低。

(3)合理優(yōu)化氧量：優(yōu)化一、二次風(fēng)配比，重構(gòu)底部氧化還原性氣氛。

(4)提高二次風(fēng)口位置：增加爐膛底部還原區(qū)域。

(5)提高分離器分離效率。

(6)增加給煤口，控制床溫偏差小于30 ℃。

表1 某循環(huán)流化床鍋爐NOx排放指標(biāo)值

2 增加SNCR裝置

當(dāng)燃用煤種為煙煤時(shí)，鍋爐改造無(wú)法滿足NOx的超低排放要求，可考慮增設(shè)成本低廉的SNCR煙氣脫硝設(shè)備。SNCR噴槍分別布置在鍋爐分離器入口煙道不同位置，設(shè)計(jì)脫硝效率可按照75%考慮[5]。若75%的設(shè)計(jì)脫硝效率仍不能滿足NOx超低排放，可在鍋爐尾部煙道增加一層選擇性催化還原(SCR)反應(yīng)層。

目前，神華新疆米東熱電廠2×300 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組、神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司2×350 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組、華電山西朔州熱電廠2×350 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組采用增加SNCR裝置的措施后，均達(dá)到了NOx超低排放,單位投資成本為30～50元/kW，廠用電率僅增加0.22～0.32百分點(diǎn)。

3 增加半干法脫硫設(shè)施

循環(huán)流化床鍋爐常見(jiàn)的脫硫方式主要有爐內(nèi)鈣法脫硫、爐外半干法脫硫和爐外濕法脫硫3種[6]。幾個(gè)采用爐內(nèi)鈣法脫硫方式的300 MW循環(huán)流化床鍋爐SO2排放測(cè)試表明，Ca/S摩爾比為3～4時(shí)，SO2排放質(zhì)量濃度僅能控制在200 mg/m3左右，若要實(shí)現(xiàn)SO2超低排放，要保證脫硫效率在98%以上，僅依靠爐內(nèi)鈣法脫硫方式難以實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)表2。

表2 CFB鍋爐SO2排放指標(biāo)

而現(xiàn)階段，循環(huán)流化床鍋爐超低排放主要采取了爐內(nèi)鈣法脫硫+爐外半干法脫硫和爐外濕法脫硫兩種方式，神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司采用爐內(nèi)鈣法脫硫+爐外半干法脫硫，華電朔州熱電廠采用爐外濕法脫硫。

以單臺(tái)300 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組為例[7]，對(duì)爐內(nèi)鈣法脫硫+爐外半干法脫硫與爐外濕法脫硫兩種方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較：采用爐外濕法脫硫較爐內(nèi)鈣法脫硫+爐外半干法脫硫總投資多2 200萬(wàn)元(不包括濕法脫硫廢水處理費(fèi)用)；采用爐內(nèi)鈣法脫硫+半干法脫硫，廠用電率增加1.19百分點(diǎn)(供電煤耗2.38 g/(kW·h))，采用濕法脫硫廠用電率增加1.70百分點(diǎn)(供電煤耗增加3.40 g/(kW·h))。

4 增加超凈電袋復(fù)合除塵設(shè)施

對(duì)于超凈電袋除塵，通過(guò)強(qiáng)化粉塵荷電和凝并[8]，增強(qiáng)電區(qū)的凈化能力，使得前級(jí)靜電電場(chǎng)能預(yù)收煙氣中70%～80%的粉塵，進(jìn)入電袋復(fù)合除塵器濾袋區(qū)的粉塵質(zhì)量濃度小于 10 g/m3；同時(shí)，因粉塵的電凝并現(xiàn)象，對(duì)PM2.5細(xì)微粉塵的脫除率比常規(guī)靜電除塵器高10%～20%。高精度、低阻力的覆膜濾料、梯度濾料采用濾膜表面過(guò)濾的方式，改變了傳統(tǒng)濾料借助粉塵層進(jìn)行過(guò)濾的方式，能夠顯著降低煙氣流動(dòng)阻力(800～1 200 Pa)，進(jìn)而使進(jìn)入袋區(qū)的粉塵質(zhì)量濃度更低，降低了風(fēng)機(jī)的電耗。

循環(huán)流化床鍋爐燃用煤種變化范圍大，而超凈電袋復(fù)合除塵器具有長(zhǎng)期、穩(wěn)定低排放的特點(diǎn)，且不受煤質(zhì)變化的影響[9]。目前，隨著濾料技術(shù)的發(fā)展，用于燃煤電廠的濾袋，可以保證5年以上的使用壽命，且除塵器的阻力小于1 200 Pa。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，已投運(yùn)的36臺(tái)超凈電袋復(fù)合除塵器煙塵排放質(zhì)量濃度小于10 mg/m3，且有24臺(tái)除塵器運(yùn)行阻力小于900 Pa。因此，在滿足超低排放的前提下，優(yōu)先選擇超凈電袋復(fù)合除塵器。

5 實(shí)施案例

神華神東電力山西河曲發(fā)電有限公司于2015年11月建成2×350 MW超臨界CFB機(jī)組，鍋爐為東方鍋爐廠制造的超臨界循環(huán)流化床直流鍋爐，設(shè)計(jì)煤種參數(shù)見(jiàn)表3，鍋爐設(shè)計(jì)床溫為850～890 ℃，爐內(nèi)脫硫效率在90%以上，爐內(nèi)設(shè)計(jì)Ca/S摩爾比≤1.9。最終環(huán)保排放指標(biāo)按照NOx質(zhì)量濃度為50 mg/m3、SO2質(zhì)量濃度為35 mg/m3、粉塵質(zhì)量濃度為10 mg/m3設(shè)計(jì)，脫硝采用SNCR方式，脫硫采用爐內(nèi)添加石灰石+爐后(半)干法脫硫，除塵采用超凈電袋復(fù)合除塵器。

目前，鍋爐實(shí)際燃用煤種發(fā)生變化，收到基硫分為0.80%，收到基氮為0.52%，收到基灰分為43%，收到基低位熱值為13 012 kJ/kg，其環(huán)保排放指標(biāo)見(jiàn)表4(表中參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下參數(shù))。

表3 鍋爐設(shè)計(jì)煤種參數(shù)

表4 2×350 MW循環(huán)流化床鍋爐實(shí)際環(huán)保排放指標(biāo)

為降低脫硫、脫硝運(yùn)行成本，電廠分別進(jìn)行了爐內(nèi)與爐外半干法聯(lián)合脫硫及爐外脫硝經(jīng)濟(jì)性比較試驗(yàn)，在入爐煤硫分約為0.8%、機(jī)組負(fù)荷350 MW時(shí)，爐外半干法脫硫入口SO2質(zhì)量濃度分別控制在1 700，1 200，800，600，400，200，100 mg/m3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5(表中參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下參數(shù))。

表5 爐內(nèi)與爐外半干法聯(lián)合脫硫及脫硝經(jīng)濟(jì)性比較

石灰石為96元/t，消石灰為480元/t，尿素為2 000元/t，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)爐內(nèi)脫硫效率在80%左右時(shí)，即爐內(nèi)噴鈣控制爐后脫硫入口SO2質(zhì)量濃度為800 mg/m3左右，爐內(nèi)Ca/S摩爾比仍維持在較低水平，脫硫脫硝經(jīng)濟(jì)成本為1 954元/h，經(jīng)濟(jì)性較好。

6 結(jié)束語(yǔ)

循環(huán)流化床鍋爐深挖爐內(nèi)脫硫、脫硝優(yōu)勢(shì)，減少因增加爐外環(huán)保設(shè)施而增加的機(jī)組能耗，并且適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行爐內(nèi)改造，降低一次流化風(fēng)量，提高循環(huán)灰量，構(gòu)造爐內(nèi)高度方向上的還原性氣氛，既降低了NOx的生成，又增加了石灰石反應(yīng)時(shí)間，有利于脫硫效率的提升，對(duì)于實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐超低排放及降低能耗都是有益的。

當(dāng)鍋爐改造無(wú)法滿足NOx超低排放要求時(shí)，可考慮增設(shè)成本低廉的SNCR煙氣脫硝設(shè)備；爐內(nèi)石灰石脫硫不能滿足超低排放要求時(shí)，優(yōu)先選擇爐內(nèi)80%脫硫效率+電袋除塵器技術(shù)路線，采用超凈電袋復(fù)合除塵器能夠適應(yīng)循環(huán)流化床變煤種特點(diǎn)要求，除塵穩(wěn)定，能夠除去PM2.5且節(jié)能效果明顯，有著較好的經(jīng)濟(jì)性。

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(本文責(zé)編：劉芳)

2017-03-13；

2017-04-24

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAA04B02)

X 773

A

1674-1951(2017)05-0017-03

白楊(1984—)，男，陜西榆林人，工程師，從事鍋爐技術(shù)工作(E-mail:baiyang198497@163.com)。