超低排放循環流化床鍋爐的設計及其應用

摘 要： 為滿足鍋爐島污染物排放標準的要求，降低鍋爐島系統投資和運行成本，通過控制爐膛溫度，減小床料粒徑，優化床料質量，增大循環流率，擴充貧氧區，抑制NO、SO2生成，提高局部CO濃度和CaO的固硫率，對流態重構循環流化床鍋爐進行了超低排放優化設計。鍋爐的實際運行試驗結果表明，所開發的循環流化床鍋爐煙氣中NOx、SOx初始排放濃度小于或接近于鍋爐島超低排放值。

關鍵詞： 循環流化床鍋爐； 超低排放； 設計

中圖分類號： TK 229.6 文獻標志碼： A

Design and Application of Ultralow Emission

Circulating Fluidized Bed Boilers

DU Qinru

（Taiyuan Boiler Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030008， China）

Abstract： In order to meet the requirements of the pollutants emission in the boiler island，the reduction of the boiler island system investment and the operation cost，and the improvement of the operation reliability rate，the optimization design of circulating fluidized bed（CFB） boiler based on fluidization state reconstruction was conducted by the control of the furnace temperature，the reduction of the bed material size，the optimization of the bed material quality，the increase of the circulation flow rate，the expansion of the oxygenpoor zone，the inhibition of the NO and SO2 formation，the improvement of the local CO concentration，and the increase of sulfur fixation rate by CaO.The actual operation results showed that the initial emissions of NOx and SOx in the flue gas of CFB boiler was less than or close to the ultralow emission of the boiler island.

Keywords： circulating fluidized bed boiler； ultralow emission； design

隨著國家對燃煤電廠、熱源廠污染物排放要求的不斷提高，超低排放已成為決定燃煤電廠、熱源廠能否運行的關鍵指標。為此，全國成千上萬燃煤電廠、熱源廠投入大量資金加裝除塵、脫硫、脫硝裝置，對鍋爐島進行環保改造，這既增加了設備資金投入，又提高了鍋爐島運行、維護成本。如果燃煤鍋爐初始煙氣產生的污染物較少，甚至鍋爐煙氣初始排放就能達到超低排放要求，則燃煤電廠、熱源廠投入的脫硫、脫硝、除塵設備就能大大減少，燃煤電廠、熱源廠的經濟效益就會明顯提高。近年來，太原鍋爐集團有限公司與清華大學合作，在流態重構節能型循環流化床鍋爐的基礎上，探索研制超低排放循環流化床鍋爐。多臺50 MWe循環流化床鍋爐的鑒定試驗已取得階段性成果。

1 超低排放循環流化床鍋爐

超低排放是指鍋爐煙氣中塵、二氧化硫、氮氧化物排放質量濃度[基準含氧量（體積分數）為6%]分別不超過10、35、50 mg·Nm-3。目前燃煤電廠、熱源廠在役的常規循環流化床鍋爐煙氣初始NOx的排放質量濃度一般大于300 mg·Nm-3，有的甚至更高，極個別由于煤種因素可能低于200 mg·Nm-3。不投入石灰石時，鍋爐煙氣中SOx初始排放質量濃度一般在1 500 mg·Nm-3以上，投入石灰石后一般在300～400 mg·Nm-3。常規循環流化床鍋爐煙氣初始排放SOx和NOx質量濃度遠遠超過鍋爐島超低排放值，因此，大多數燃煤電廠、熱源廠只能選擇加裝投資大、運行成本高的SCR脫硝和濕法脫硫設備。如果燃煤電廠、熱源廠鍋爐煙氣初始排放值較低，能夠實現低于或者接近超低排放值，則采用簡單的爐內選擇性非催化還原（SNCR）脫硝或熱備、爐內石灰石+爐后半干法脫硫或熱備，就可以滿足超低排放要求，從而大大降低設備投資和運行成本。

能源研究與信息2018年 第34卷

第1期杜琴如：超低排放循環流化床鍋爐的設計及其應用

2 超低排放循環流化床鍋爐的設計基礎

2.1 煤的分析

鍋爐煙氣中的SO2和NOx是由煤燃燒生成的，因此，設計超低排放循環流化床鍋爐首先必須對設計煤種特性進行分析。常規循環流化床鍋爐設計時，鍋爐制造廠需要用戶提供設計煤種的化學元素分析結果和煤的粒徑分布，其主要目的是進行鍋爐熱力計算、煙風阻力計算和結構布置等。

超低排放循環流化床鍋爐設計時，除完成上述工作以外，對選定的設計煤種、設計石灰石也要進行取樣試燒試驗。試燒過程中，測定不同燃燒工況下煙氣中SO2和NOx的含量、灰的成灰磨耗特性、石灰石燒結特性和脫硫活性等。將試燒試驗結果作為循環流化床鍋爐床溫、還原氣場及分離器優化設計的基礎。

2.2 NOx的生成

煙氣中NOx主要包括NO、NO2和N2O。NOx的生成分為三種類型，即燃料型、溫度型、快速溫度型。循環流化床燃燒屬于低溫燃燒技術，燃燒溫度一般控制在800～900 ℃之間，因此，循環流化床鍋爐煙氣中的NOx主要是燃料型，NOx中的N元素來自于煤，與空氣中的N元素關系不大。循環流化床鍋爐煙氣中NOx主要成分是NO，占95%以上，另有少量的NO2和N2O[1]。

循環流化床燃燒也屬于分段燃燒。燃料型NOx主要在煤的干餾燃燒過程中生成于流化床和密相區，因此，合理控制此區間的燃燒溫度、氧量就能降低NOx的生成量。在一個足夠大的流化床和密相區空間里，嚴格控制燃燒溫度、氧量和燃燒物料的顆粒粒徑，以便生成大量的CO，并將NO還原成N2。其化學反應過程為

C+O2=CO2

CO2+C=2CO

2NO+2CO=2CO2+N2

由于循環流化床燃燒屬于分段燃燒，循環流化床鍋爐爐內完全可以設計一個還原區，這樣既可以抑制NO的生成，又可以還原NO，且對鍋爐燃燒、傳熱基本沒有影響，而其他燃燒方式目前還不具備此條件。因此，循環流化床鍋爐具備實現NOx初始超低排放的先決條件。

2.3 SOx的生成

煤中的硫除單質硫外，主要分有機硫和無機硫兩部分。有機硫是指與C、H等結合生成的復雜化合物（CxHySz）；無機硫主要是黃鐵礦硫（FeS2）和硫酸鹽硫（CaSO4等）。其中，黃鐵礦硫和有機硫及單質硫是可燃硫，占煤中硫分的90%以上：硫酸鹽硫是不可燃硫，占煤中硫分的5%～10%，是煤中灰分的組成成分。

煤在燃燒過程中，所有的可燃硫都會隨著受熱從煤中析出。在氧化性氣氛中，可燃硫均會被氧化成SO2。循環流化床鍋爐煙氣排放的SOx中，一般SO2占98%左右，SO3只占0.5%～2%左右，相當于煤中1%～2%的硫分以SO3的形式析出[1]。

煤在循環流化床鍋爐中燃燒，黃鐵礦硫（FeS2）在300 ℃時即開始失去硫分，但其大量分解則發生在650 ℃以上。在氧化氣氛中，FeS2直接生成SO2。有機硫在煤中是均勻分布的，一般在煤被加熱至400 ℃時即開始大量分解析出，但對不同煤種稍有差異。有機硫經過燃燒分解析出，氧化后生成SO2。在循環流化床鍋爐中，單質硫從流化床到密相區、稀相區、分離器、返料器都可能生成SO2。反應方程式為

S+O2=SO2。

2.4 CaO的生成和脫硫

目前降低循環流化床鍋爐煙氣初始SO2排放最便捷方法是采用石灰石干法爐內脫硫，將CaCO3送入爐膛內煅燒，分解出的CaO與煙氣中的SO2發生反應，生成CaSO4隨爐渣排出。該過程主要分為兩步：

（1） 石灰石在流化床鍋爐中煅燒，石灰石中的CaCO3煅燒分解為CaO析出CO2。反應方程式為

CaCO3=CaO+CO2

（2） 煅燒生成的CaO表面呈多孔狀，孔隙為硫的固化反應奠定了基礎。硫的固化反應即CaO與SO2反應生成硫酸鹽。其反應方程式為

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4

影響循環流化床鍋爐脫硫的主要因素為：

（1） 床溫

當床溫低于800 ℃時，CaO孔隙減少，孔徑小，反應速度低；當床溫高于950 ℃時，CaO內部的孔隙結構會發生部分燒結，降低CaO與SO2的反應速度，導致脫硫效率降低。

（2） 石灰石入爐粒徑

石灰石入爐粒徑分布對脫硫效率也有較大的影響。理論上，石灰石粒徑越小爐內脫硫效果越好，因為減小石灰石粒徑能增加其表面積，從而提高反應面積。如果石灰石粒徑太小，分離器捕捉能力差，就會有很大一部分隨煙氣逃逸，從而不能隨物料進行多次循環并與SO2長時間發生化學反應，反而增加尾部煙道的飛灰量。最佳的石灰石粒徑分布與該鍋爐分離器切割粒徑有關，分離器對脫硫效率影響很大。

（3） 石灰石品質

石灰石品質對脫硫效率影響十分敏感。不同品質的石灰石反應性能差異很大，在CaCO3含量、晶體結構和孔隙特征上也有所不同。一般應對石灰石做熱重分析，測定其反應率指標，從而準確推算鈣硫摩爾比。

3 超低排放循環流化床鍋爐工程設計

超低排放循環流化床鍋爐是在節能型流態重構循環流化床鍋爐的基礎上延伸設計開發的。該鍋爐采用單汽包、單爐膛、自然循環、全懸吊結構。鍋爐主體結構由膜式水冷壁爐膛、兩臺高溫絕熱分離器和尾部對流豎井煙道組成。50 MWe循環流化床鍋爐基本結構如圖1所示。爐膛內部布置水冷屏和過熱屏，尾部豎井布置包墻過熱器、對流過熱器、省煤器和空氣預熱器。為了確保鍋爐在流態重構后仍能滿足傳熱要求，對超低排放循環流化床鍋爐的燃燒熱量分配和主要部件做了較大的改進。下面對主要部件改進原理和方向作簡要描述。

圖1 50 MWe循環流化床鍋爐基本結構

Fig.1 Fundamental structure of 50 MWe CFB boiler

3.1 流化床床溫設計

流化床床溫的合理確定是循環流化床鍋爐能否實現超低排放的重要基礎。在超低排放循環流化床鍋爐設計中，首先依據煤種、循環物料流態、受熱面結構等確定合理的流化床床溫。該床溫既要滿足爐內石灰石的煅燒要求，又要抑制NO的生成。流化床床溫與流化床面積、收縮率、爐膛受熱面積、物料燃燒熱量分配、循環物料質量、風的配比等因素有關，工程上一般控制在800～900 ℃，以控制在850～880 ℃為佳。目前在役的常規循環流化床鍋爐床溫一般在900 ℃以上。

3.2 流化床和密相區還原氣場設計

由于循環流化床鍋爐煙氣中NO形成主要集中在流化床和密相區，因此超低排放循環流化床鍋爐必須在此相應設計一貧氧區，這樣既抑制NO的生成，又可大量生成CO，使NO與CO發生化學反應，將NO還原成N2。爐膛內生成CO需要具備一定的燃燒溫度、燃燒物料的表面積、含碳量和欠氧等條件。還原氣場設計如圖2所示。

圖2 還原氣場設計

Fig.2 Design of reducing gas field

3.2.1 欠氧燃燒

循環流化床鍋爐床上物料含碳豐富，氣固混合強烈，溫度較高，物料燃燒速度較快，如果此時減少氧氣供給，物料燃燒后煙氣中會生成大量CO。循環流化床鍋爐床上氧氣是由一次風提供的，減少一次風量就能減少供氧量。早期的循環流化床鍋爐一次風占總風量的55%左右，超低排放循環流化床鍋爐一次風量占總風量的40%～45%，降低了10%～15%。

3.2.2 低料層阻力

增加有效物料床存量，提高物料床質量是還原氣場設計的必要條件。提高物料床質量，燃料顆粒表面積增大，可提高燃料燃燒速度，有利于CO形成，同時可以保證循環流化床鍋爐運行時物料攜帶量，保證傳熱的需要。降低料層阻力，雖然減小了一次風量，但仍可保證物料正常流化，可以降低一次風機耗電量。循環流化床鍋爐要實現低料層阻力運行，分離器的分離效率是關鍵。

3.2.3 提升二次風高度

循環流化床鍋爐屬于分段燃燒。為了確保物料燃盡、爐內傳熱，二次風以上爐膛部分氧量必須是過剩的。目前一般設計過?？諝庀禂禐?.2～1.25。提升二次風高度，拉大二次風與布風板之間的距離，可為NO和CO發生充分的化學反應留出足夠的時間與空間。

3.3 分離器設計

分離器是超低排放循環流化床鍋爐的一個關鍵部件。一般要求分離器對分離物料切割粒徑d50在10 μm以下，否則循環物料的床質量不能滿足傳熱和循環燃燒需要。超低排放循環流化床鍋爐必須對分離器進行優化設計。分離器的優化設計集中體現在分離器入口形狀，流速，加速段、分離器直徑，中心筒的形狀與布置等。

4 工程應用

基于前文提出的超低排放原理設計的50 MWe超低排放循環流化床鍋爐（鍋爐1）于2015年4月在山西霍氏自備電廠投入運行。2016年8月國家特種設備檢測研究院對該鍋爐燃用不同煤種時的性能進行了鑒定試驗。該鍋爐設計參數見表1。鑒定試驗煤種元素分析結果見表2，其中：Qnet為低位發熱量；Mar、Vdaf、Aar分別為水分、揮發分、灰分質量分數；Car、Har、Oar、Nar、Sar分別為碳元素、氫元素、氧元素、氮元素、硫元素質量分數。

表1 鍋爐1設計參數

Tab.1 Design parameters of boiler

燃用煤種1時，鍋爐蒸發量為222～224 t·h-1，床溫為830～860 ℃[2]。投運石灰石后鍋爐煙氣中SO2和NOx的初始排放質量濃度分別為9.88、49.83 mg·Nm-3，鈣硫摩爾比為1.6[3]。燃用煤種2（貧煤）時，鍋爐蒸發量為214～216 t·h-1，床溫為830～860 ℃[2]。此時，未投運石灰石情況下鍋爐煙氣中SO2和NOx的初始排放質量濃度分別為676.70、26.69 mg·Nm-3[4]。

2016年10月國家特種設備檢測研究院對2016年3月在山東臨清三和紡織集團自備電廠投入運行的50 MWe超低排放循環流化床鍋爐（鍋爐2）進行了鑒定試驗。該鍋爐設計參數見表3。鑒定試驗煤種為貧煤，其元素分析結果見表4。

表3 鍋爐2設計參數

Tab.3 Design parameters of boiler 2

試驗時，鍋爐蒸發量為222.85～223.5 t·h-1，床溫為830～860 ℃。投運石灰石后鍋爐煙氣中SO2和NOx的初始排放質量濃度分別為22.6、46.18 mg·Nm-3，鈣硫摩爾比為1.82[5]。

上述試驗結果表明，基于超低排放原理設計的循環流化床鍋爐燃用不同煤種并投運石灰石后，其煙氣中SO2、NOx的初始排放質量濃度均低于35、50 mg·Nm-3的超低排放要求。

5 結 語

為實現循環流化床鍋爐的超低排放，通過對流化床床溫、流化床和密相區還原氣場、分離器等的優化，對流態重構循環流化床鍋爐進行了超低排放優化設計。鍋爐的實際運行試驗結果表明，所開發的循環流化床鍋爐煙氣中NOx、SOx初始排放質量濃度達到了超低排放要求。研究為該類型循環流化床鍋爐的進一步推廣應用奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 劉勇，吳國忠.NOx的生成原理[J].油氣田地面工程，2007，26（4）：32-33.

[2] 呂俊復，張建春，岳光溪，等.基于爐內脫硫和低氮燃燒的超低排放循環流化床鍋爐技術報告[R].北京：中國機械工業聯合會，2017.

[3] 于吉明，齊國利，管堅.鍋爐環保測試報告（16E0033BG02R1）[R].北京：中國特種設備檢測研究院.2016.

[4] 于吉明，齊國利，管堅.鍋爐環保測試報告（16E0033BG01R1）[R].北京：中國特種設備檢測研究院.2016.

[5] 王龍，齊國利，管堅.鍋爐環保測試報告（16E0041BG01）[R].北京：中國特種設備檢測研究院.2016.