循環(huán)流化床鍋爐污染物排放與控制策略綜述

李寧　丁雪松　徐雨紅　趙新建　周必茂　王毅斌　楊浩

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床;氮氧化物;硫氧化物;粉塵;脫除

截至2016年，我國CFB鍋爐機(jī)組的總投運(yùn)容量約1億kW，占火電裝機(jī)總?cè)萘康?2%以上。截至2019年年底，我國已有超過40臺(tái)超臨界350 MW機(jī)組CFB鍋爐投運(yùn)[1]。循環(huán)流化床鍋爐具備負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、燃料適應(yīng)廣、燃燒效率高等特點(diǎn)。為了更好地了解該類型鍋爐運(yùn)行性能與特點(diǎn)，本研究綜述了該技術(shù)的污染物排放水平、控制方法和多污染物協(xié)同脫除工藝特點(diǎn)，明確了影響污染物生成、排放和脫除行為的關(guān)鍵因素，為未來使用不同燃料鍋爐合理控制污染物排放提供一定的理論指導(dǎo)。

1循環(huán)流化床鍋爐特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐著火和燃燒穩(wěn)定，燃燒效率高，具有負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、燃料適應(yīng)性好、氮氧化物排放少、灰渣綜合利用、脫硫效果好、燃燒熱強(qiáng)度較大以及節(jié)水等特點(diǎn)。但是循環(huán)流化床鍋爐用電量較大，在使用過程中，受熱面易磨損，且維修費(fèi)較高。同時(shí)，較高N₂O排放是該技術(shù)發(fā)展的難題之一[2]。

2 不同因素對(duì)污染物排放的影響

2.1 氮氧化物

燃料型氮氧化物是該鍋爐氮氧化物的主要生成機(jī)理。

溫度提高10 ℃，氮氧化物的排放量增加1.5 mg/m³，床溫應(yīng)該控制在900 ℃以下[3]。當(dāng)鍋爐中煤粉的熱值增加時(shí)，NOx和SO₂排放濃度升高[3]。加入CaO有利于減少N₂O的排放，但是會(huì)增加NO_x的生成量。當(dāng)氧氣含量增加時(shí)，NOx及N₂O的排放濃度都會(huì)增加。當(dāng)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.6%后，N₂O的排放濃度增長(zhǎng)較快。

2.2 硫氧化物

熱值高的煤粉含硫量比熱值低的煤粉高，同時(shí)升溫速率會(huì)逐漸提高[4]。鍋爐燃煤中的含硫物質(zhì)受熱析出的硫與氧氣相遇會(huì)反應(yīng)生成二氧化硫，同時(shí)，硫氧化物還通過硫酸鹽分解產(chǎn)生。當(dāng)鈣硫比為1.5～2.0時(shí)，脫硫效率可達(dá)80%。脫硫效率在特定溫度時(shí)會(huì)達(dá)到最高，當(dāng)溫度低于或高于特定溫度時(shí)，脫硫效率逐漸下降[3]。投入循環(huán)灰有助于降低床溫，減少脫硫石灰石含量，提高脫硫效率。

2.3 粉塵

飛灰和灰渣的產(chǎn)生量會(huì)隨著脫硫用石灰石添加量的增加而增加。劣質(zhì)燃料作為我國循環(huán)流化床的主要燃料，一般情況下，燃料灰分不會(huì)低于30%，與煤粉爐相比，飛灰份額較低，但是單位體積煙氣的飛灰量一般比煤粉爐高1倍以上[3]。

3 多污染物協(xié)同脫除技術(shù)及其特點(diǎn)

3.1 傳統(tǒng)的聯(lián)合煙氣脫硫脫硝工藝

傳統(tǒng)的聯(lián)合煙氣脫硫脫硝工藝將SNCR加裝在旋風(fēng)分離器進(jìn)口，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合脫硫脫硝。這種分級(jí)治理的凈化工藝投資運(yùn)行費(fèi)用高，占地面積大[5]。

3.2 循環(huán)流化床干法脫硫除塵一體化工藝同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)及其特點(diǎn)

脫硝溶液將NO轉(zhuǎn)化為NO₂，吸收劑中的Ca（OH）2與SO₂和NO₂快速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。催化氧化吸收脫硝技術(shù)對(duì)重金屬和SO₂等大氣污染物的去除有高效的促進(jìn)作用[5]。該工藝特點(diǎn)：（1）減少投資和運(yùn)行費(fèi)用;（2）脫硝效率超過68%，脫硫效率超過95%;（3）工況適應(yīng)性強(qiáng);（4）占地面積小、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔和運(yùn)行可靠;（5）無廢水排放和二次污染;（6）啟停方便、高效節(jié)能;（7）提高脫硫效率;（8）輔助脫除重金屬等污染物[5]。

3.3 循環(huán)流化床半干法聯(lián)合脫硫脫硝脫汞技術(shù)的特點(diǎn)

循環(huán)流化床半干法聯(lián)合脫硫脫硝脫汞技術(shù)，將煙氣中的NO氧化為NO₂，NO₂和SO₂溶于水后和堿性吸收劑發(fā)生反應(yīng)，完成脫硫脫硝。顆粒態(tài)的汞和二價(jià)活性氣態(tài)汞被脫硫除塵裝置去除，HgO需要先氧化為二價(jià)活性氣態(tài)汞，然后去除[6]。該技術(shù)特點(diǎn)：（1）脫硫功能與脫硝脫汞功能相互獨(dú)立;（2）利用外置分離器和循環(huán)流化床反應(yīng)塔，通過相互結(jié)合的方式進(jìn)行;（3）反應(yīng)塔設(shè)置了外置分離器，以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的外循環(huán)，同時(shí)通過螺旋返料機(jī)調(diào)控外循環(huán)量;（4）采用干態(tài)進(jìn)料的方式，同時(shí)占地面積小，投資和運(yùn)行費(fèi)用低;（5）在一個(gè)反應(yīng)塔內(nèi)完成脫硫脫硝脫汞功能;（6）靈活可靠[6]。

3.4 傳統(tǒng)濕法“超凈排放”技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)濕法“超凈排放”技術(shù)路線會(huì)產(chǎn)生Hg等重金屬、SO₃和脫硫廢水污染。同傳統(tǒng)濕法路線相比，“超凈排放”工藝留下了干法脫硫配套的“高效低溫氧化脫硝”接口，可以達(dá)到“NO_x接近零排放”;煙氣利用流化床將SO₂排放質(zhì)量濃度降低至35 mg/Nm³，同時(shí)，該工藝能協(xié)同脫除SO₃、HCl、HF、Hg及重金屬等大氣污染物;最后設(shè)置布袋除塵器。該工藝不會(huì)產(chǎn)生廢水和二次污染。同時(shí)，亞微米級(jí)顆粒遇到霧化水，會(huì)因凝并作用長(zhǎng)大，成為粗顆粒，被布袋除塵器去除。同時(shí)，SO₃等酸性氣體在流化床的作用下被脫除成脫硫灰，由布袋除塵器去除，避免了濕法脫硫形成的二次PM_2.5問題[7]。

3.5 循環(huán)流化床式的煙氣凈化裝置技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

工作原理：（1）煙氣從反應(yīng)塔底部進(jìn)入，流過文丘里裝置后形成湍流;（2）再循環(huán)飛灰、冷卻水和氫氧化鈣進(jìn)入反應(yīng)塔，與煙氣中的多種酸性氣體發(fā)生反應(yīng);（3）煙氣中的灰塵和重金屬顆粒被除塵器捕獲，回到反應(yīng)塔再循環(huán);（4）若煙氣中含有其他需去除的污染物，可將特定吸收劑和氫氧化鈣混合。因此，該技術(shù)具有很好的靈活性和適應(yīng)性[8]。

特點(diǎn)：（1）反應(yīng)劑氫氧化鈣等、再循環(huán)飛灰以及冷卻水可以充分混合;（2）反應(yīng)劑的利用率很高;（3）耗水量低;（4）投資成本及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低;（5）可靠性高;（6）易于控制;（7）占地面積小;（8）配置靈活;（9）可大型化[8]。

4 超低污染物排放的控制策略

在脫硫方面，90%機(jī)組采用石灰石-石膏法脫硫;煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝與新型脫硫除塵一體化工藝均采用半干法，一般用于老機(jī)組改造或中小機(jī)組，其脫硫效率在SO₂濃度較高時(shí)不理想;氨法脫硫起步較晚，但是該方法無二次污染、脫硫效率高、二氧化硫可以資源化利用，且氨法吸收速度遠(yuǎn)快于鈣法，具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)[9]。對(duì)污染物脫除工藝的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)果：

（1）SCR+余熱回收+CFB+除塵工藝，脫硫和脫硝所需溫度與煙溫匹配性好，但煙塵導(dǎo)致催化劑失活，阻力增加，需要定期解析催化劑。

（2）CFB+除塵+SCR+余熱回收工藝，可有效改善催化劑失活問題，但催化劑需要加熱，運(yùn)行成本增加，需要加熱和低頻次催化劑解析。

（3）SDS+除塵+SCR+余熱回收工藝，改善了催化劑的失活和煙氣流動(dòng)問題，但是當(dāng)排煙溫度較低時(shí)，催化劑需要采用熱風(fēng)加熱。工藝副產(chǎn)物無法回收利用，需要低頻次催化劑解析[10]。

5結(jié)語

循環(huán)流化床技術(shù)由于燃燒溫度較低，氮氧化物的產(chǎn)生量較少，同時(shí)具有節(jié)水、脫硫效率高、燃燒強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛使用。掌握其氮氧化物、硫氧化物和粉塵形成機(jī)理和影響因素，利用循環(huán)流化床半干法聯(lián)合脫硫脫硝脫汞工藝等污染物聯(lián)合脫除工藝，減少污染物排放，對(duì)國內(nèi)燃煤污染物控制具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。