循環(huán)流化床鍋爐煙氣超低排放改造分析

柯芳標(biāo)

（中國(guó)石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

針對(duì)化石能源，在礦物燃料燃燒過(guò)程中，會(huì)排放大量的污染物。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查，我國(guó)每年有75%的SO2排入大氣之中，其中有55%粉塵、65%的NOx來(lái)源于煤炭直接燃燒。所以，合理和文明用能，優(yōu)化清潔煤燃燒技術(shù)，優(yōu)化低污染和高效化技術(shù)，減少SO2和NOx排放量，是大氣保護(hù)的重要研究課題。本工作立足循環(huán)流化床鍋爐較低，探討煙氣超低排放改造的相關(guān)工藝。

1 循環(huán)流化床鍋爐的工藝流程

1.1 燃燒儲(chǔ)存和燃燒

煤炭燃料，在進(jìn)入廠內(nèi)過(guò)磅后，卸到煤棚堆放，石油焦燃料，通過(guò)皮帶輸送到煤棚，然后煤炭與石油焦經(jīng)過(guò)混合攪拌，沿著燃料輸送裝置送入鍋爐爐前燃燒倉(cāng)，通過(guò)爐前給煤機(jī)輸送至鍋爐進(jìn)行燃燒。

1.2 煙氣處理與凈化

燃料燃燒會(huì)產(chǎn)生有害氣體與物質(zhì)，如煙塵、酸性氣體或重金屬物質(zhì)等，如何實(shí)現(xiàn)污染物的無(wú)害化、清潔化處理，避免對(duì)環(huán)境造成二次污染，是鍋爐燃燒的重點(diǎn)研究課題。利用煙氣凈化基礎(chǔ)，如袋式除塵器、濕式反應(yīng)塔或干式反應(yīng)塔技術(shù)，可有效去除酸性氣體。

1.3 爐渣、爐灰處理

針對(duì)鍋爐燃燒，燃料在經(jīng)過(guò)燃燒之后，一般會(huì)產(chǎn)生大量爐渣，約占據(jù)20%重量。對(duì)爐渣進(jìn)行加工處理，可制作成磚、道路施工材料。對(duì)于爐灰，可利用布袋除塵器回收如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒工藝技術(shù)流程

2 燃煤鍋爐的NOx的作用機(jī)理

在煤燃燒階段，所產(chǎn)生NOx成分主要為二氧化氮、NO，兩者共同組成NOx，還包含少量氧化二氮。而NOx排放量、生成量，和煤炭燃燒方式直接相關(guān)，尤其是空氣過(guò)量系數(shù)、燃燒溫度相關(guān)。為此，處于煤燃燒階段，NOx的途徑主要如下：

2.1 熱力型NOx

這種類型NOx，是處于高溫下，在空氣產(chǎn)生氮?dú)猓紦?jù)20%。

2.2 燃燒型NOx

在燃料成分中，包含氮化物。處于燃燒階段，因熱分解以及氧化作用，進(jìn)而產(chǎn)生燃燒性NOx。同時(shí)，處于燃燒階段，某些含氮有機(jī)化合物，因?yàn)閾]發(fā)作用進(jìn)行熱裂解，進(jìn)而產(chǎn)生CN、N 等產(chǎn)物。在氧化之后，逐漸產(chǎn)生NOx。此外，在部分焦炭之中，剩余氮?dú)庖蛉紵趸蒒Ox。所以，燃燒型NOx會(huì)劃分為焦炭NOx以及NOx。

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，處于燃燒狀態(tài)下，在燃煤鍋爐之中，僅有22%燃燒氮?dú)獗晦D(zhuǎn)化成NOx。同時(shí)，加上空氣量影響，并通過(guò)空氣系數(shù)表示，在燃燒階段，其空氣量值，主要指化學(xué)當(dāng)量比之下，過(guò)量空氣系數(shù)值定義為1，如果大于1，則表示空氣過(guò)量。如果小于1，則表示空氣量不足。若過(guò)量空氣系數(shù)低于1，則燃燒型NOx值基本為零，并隨著過(guò)量空氣系數(shù)值的增加，NOx值隨之增加，對(duì)于開(kāi)發(fā)燃燒型NOx具有重要保障。

2.3 快速性NOx

在燃燒階段，燃料、氮?dú)獬煞值奶細(xì)潆x子團(tuán)，產(chǎn)生CH 反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生NOx。處于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)，氮?dú)馊紵蜁?huì)逐漸氮化，繼而產(chǎn)生NOx。同時(shí)，因還原性反應(yīng)，NOx就會(huì)逐漸還原為N2。所以，對(duì)于還原反應(yīng)以及氧化反應(yīng)，對(duì)NOx濃度都會(huì)有影響。

3 低氮燃燒的改造工藝

3.1 擴(kuò)大二次風(fēng)的噴口，減少密集區(qū)的氮?dú)夂?/h3>

處于密集區(qū)位置，當(dāng)燃料顆粒進(jìn)入到爐膛之后，便開(kāi)始升溫著火。提高二次風(fēng)噴口的位置之后，能夠減少密集區(qū)的含氧量。同時(shí)，降低一次風(fēng)比例，確保密集區(qū)處于還原性狀態(tài)。當(dāng)減少過(guò)量空氣系數(shù)值后，對(duì)NOx有著良好抑制作用。對(duì)于未完全燃燒燃料，運(yùn)輸?shù)较∠鄥^(qū)之后，對(duì)二次風(fēng)氧量進(jìn)行補(bǔ)充，即可繼續(xù)燃燒，在降低位置溫度之后，也能夠限制NOx的產(chǎn)生。

3.2 提升分離器效率

根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)顯示，針對(duì)循環(huán)流化床的鍋爐燃燒，其粒徑大小，對(duì)NOx產(chǎn)生有著直接影響。如果顆粒較細(xì)，能夠提升爐膛的傳熱效果，確保爐膛內(nèi)燃燒熱量能夠平均分配，促使?fàn)t膛溫度處于均勻分配狀態(tài)，防止密集區(qū)發(fā)生局部超溫問(wèn)題。同時(shí)，物料越細(xì)，燃燒速率越高，可加速氧氣的消耗量，促進(jìn)一氧化碳生成，進(jìn)而增加碳粒表面的還原性，對(duì)NOx生成有著良好抑制效果。如果細(xì)顆粒的表面體積較大，則焦炭對(duì)NOx有著較好的還原性能。所以，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，開(kāi)展改造分離，可有效提升分離效率，提高返料量。如果物料中的細(xì)顆粒較多，也能夠增加循環(huán)灰濃度，對(duì)NOx產(chǎn)生有著抑制效果。

3.3 煙氣再循環(huán)技術(shù)

針對(duì)引風(fēng)機(jī)的出口煙氣，經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)，將其引入到爐膛的密集區(qū)，因煙氣含氧量不夠，在經(jīng)過(guò)電除塵之后，可減少粉塵濃度。當(dāng)進(jìn)入到爐膛之后，可減少含氧濃度，對(duì)NOx產(chǎn)生進(jìn)行抑制。此外，可有效補(bǔ)充一次風(fēng)量。針對(duì)流換熱區(qū)域，由于煙氣含量較少，可減弱流換熱。當(dāng)再循環(huán)煙氣進(jìn)入至密集區(qū)，對(duì)于燃燒顆粒，可提升其擾動(dòng)作用，有利于提升一次燃燒速率。同時(shí)，當(dāng)煙氣進(jìn)入到爐膛之后，對(duì)其風(fēng)量、流速以及壓力，按照鍋爐燃燒工況，再進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)不同的負(fù)荷狀態(tài)，滿足不同工況條件下的煙氣量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需精確選擇再循環(huán)風(fēng)機(jī)的機(jī)型，然后合理設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)擋板，以有效提升再循環(huán)煙氣量。

可以說(shuō)，經(jīng)過(guò)上述改造工藝，可促進(jìn)NOx排放量的減少。此外，運(yùn)用尾部脫銷工藝，可促使煙氣排放達(dá)到國(guó)家規(guī)定的超低排放要求。在改造之后，可減少脫硝劑使用量，進(jìn)而減少環(huán)保成本。

4 實(shí)例分析

4.1 概況

在某電廠熱電車間，有1臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐，速率為310t/h。有兩臺(tái)速率為410t/h 鍋爐。其中310t/h 鍋爐通過(guò)非催化還原法、脫硝技術(shù)，可滿足鍋爐大氣排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，二氧化硫的質(zhì)量濃度，小于200mg/m3，煙塵濃度小于30mg/m3，氮氧化物濃度小于200g/m3。同時(shí)，310t/h 鍋爐通過(guò)脫硝技術(shù)和煙氣脫硫技術(shù)，也可達(dá)到如上標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步優(yōu)化煙氣排放，對(duì)鍋爐進(jìn)行優(yōu)化改造。

4.2 改造方法

對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，選擇多種污染物的脫硝技術(shù)，確保大氣污染物排放，滿足國(guó)家規(guī)定的超低排放限值。在新建燃煤機(jī)組上，滿足燃?xì)廨啓C(jī)的排放限值，煙氣濃度小于10mg/m3，氮氧化物濃度小于50mg/m3，二氧化硫濃度小于35mg/m3。為促進(jìn)余熱回收的節(jié)能效果，通過(guò)開(kāi)放回路改造以及閉合式回路改造方式。針對(duì)煙氣余熱回收，在熱水系統(tǒng)中運(yùn)用，設(shè)置水溫為50℃，極易引起低溫腐蝕。而通過(guò)閉合式循環(huán)設(shè)計(jì)方式，將循環(huán)水泵安裝在回路之中，可有效解決低溫腐蝕現(xiàn)象。同時(shí)，針對(duì)煙氣余熱回收系統(tǒng)，使其連接熱網(wǎng)板式換熱器，可保證水溫達(dá)到70℃，進(jìn)而建立開(kāi)放式熱水循環(huán)系統(tǒng)，并加裝調(diào)節(jié)閥門之后，對(duì)熱水使用狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2.1 氮氧化物

針對(duì)流化床鍋爐的煙氣排放，為確保氮氧化物濃度小于50mg/m3，可實(shí)施脫硝改造，煙氣脫硝技術(shù)中主要是應(yīng)用選擇性非催化還原法與選擇性催化還原法。前者主要是通過(guò)將稀釋后的脫硝溶劑噴入塔內(nèi)然后將環(huán)境溫度控制在800～1 100℃，促使氮氧化物還原成氮?dú)馀c水，脫硝率在50%～60%，一般采用工業(yè)尿素或氨水作為還原劑[5]。該技術(shù)的脫硝率高且還原劑容易獲取，無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn)，具有經(jīng)濟(jì)效益高且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，對(duì)鍋爐運(yùn)行無(wú)明顯影響，因此改造之后不會(huì)影響鍋爐運(yùn)行。催化還原法主要是在催化劑的作用下，將環(huán)境溫度控制在320～340℃，使氮氧化物與氨氣混合產(chǎn)生還原反應(yīng)，從而生成氮?dú)狻錃馀c氧氣，脫硝率在70%左右，但是總體的投資和運(yùn)營(yíng)成本較高，且改造之后會(huì)影響鍋爐原有結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際情況，選擇了非催化還原技術(shù)。

4.2.2 二氧化硫

在煙氣排放控制中，為保證二氧化硫濃度小于35mg/m3，可優(yōu)化改造脫硫塔。在脫硫塔設(shè)計(jì)中，可選擇復(fù)合塔構(gòu)造。在塔內(nèi)設(shè)計(jì)二氧化硫吸收區(qū)以及煙氣洗滌區(qū)。同時(shí)，設(shè)計(jì)氨氣逃逸、煙氣降溫以及顆粒物逃逸控制區(qū)域。對(duì)于不同功能區(qū)，可采取塔盤分隔方式。針對(duì)煙氣降溫區(qū)、洗滌區(qū)，可設(shè)計(jì)五層噴淋層，二氧化硫吸收區(qū)可設(shè)計(jì)三層，在每一個(gè)噴淋層中設(shè)計(jì)一臺(tái)獨(dú)立泵。針對(duì)二氧化硫的吸收區(qū)空塔，應(yīng)嚴(yán)格控制煙氣流速，保證小于3.5m/s。針對(duì)塔本體的進(jìn)出口壓力，應(yīng)控制小于1 800Pa。針對(duì)吸收區(qū)的上部，可設(shè)置高效除霧和水洗裝置，對(duì)氮?dú)馓右荨㈩w粒物逃逸進(jìn)行控制。同時(shí)，在鍋爐投油燃燒過(guò)程中，燃燒形成油灰、油污，即部分未燃的碳?xì)浠衔铮M(jìn)入到吸收塔系統(tǒng)，會(huì)對(duì)脫硫系統(tǒng)造成影響。針對(duì)吸收塔頂部，應(yīng)設(shè)計(jì)三級(jí)除霧器。

4.2.3 煙塵處理

為優(yōu)化煙氣低排放，保證煙塵濃度小于10mg/m3，可優(yōu)化改造脫硫塔。針對(duì)電除塵器，結(jié)合電袋除塵器的使用，可在脫硫塔內(nèi)增加PULS 層，增加洗滌漿液的覆蓋面，增加漿液和煙氣的接觸面積及時(shí)間，提升煙塵的脫出效果。

4.3 改造效果

針對(duì)流化床鍋爐的改造升級(jí)，針對(duì)每條支線的松動(dòng)，需保證氣體的適量供應(yīng)，防止料循環(huán)出現(xiàn)異常。按照改造結(jié)果分析：流化床鍋爐經(jīng)過(guò)改造升級(jí)后，煙氣中所包含的煙塵、氮氧化物以及SO2，均實(shí)現(xiàn)大幅度的減少排放，滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 循環(huán)流化床鍋爐的改造升級(jí)前后的效果對(duì)比

5 建議和前景

循環(huán)流化床鍋爐，是立足循環(huán)流態(tài)化力量，組織正常燃料的燃燒過(guò)程，對(duì)高溫固體進(jìn)行循環(huán)燃燒。在鍋爐系統(tǒng)中，固體顆粒充滿爐膛，是一種懸浮、摻混的燃燒方式。同時(shí)，在燃燒經(jīng)過(guò)破碎機(jī)擊碎之后，在循環(huán)流化床鍋爐中進(jìn)行充分燃燒，通過(guò)分離器導(dǎo)出高溫?zé)煔猓趯?duì)流受熱面、尾部煙道換熱之后，通過(guò)除塵器經(jīng)過(guò)煙囪排出。為此，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐的使用，應(yīng)通過(guò)袋式除塵、濕法脫硫以及脫硝技術(shù)，可滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)煙氣排放進(jìn)行有效控制。

同時(shí)，國(guó)家大力提倡節(jié)能環(huán)保，對(duì)于正常燃料的焚燒，也出臺(tái)了相關(guān)處理標(biāo)準(zhǔn)，在煤炭、其他燃料等資源燃燒中，需進(jìn)一步加大煙氣處理工藝的技術(shù)改造，在提升燃燒效率的同時(shí)，降低污染物排放，達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。

現(xiàn)階段，煙氣排放已成為污染防止的重點(diǎn)研究課題，根據(jù)煙氣處理、燃燒技術(shù)要求，以達(dá)到煙氣低排放標(biāo)準(zhǔn)。在煙氣處理過(guò)程中，按照煙氣處理設(shè)備，對(duì)可能發(fā)生的環(huán)境因素進(jìn)行科學(xué)分析，積極探索設(shè)備改造方案，促進(jìn)污染物排放的有效控制，進(jìn)而提高能源利用率，促進(jìn)資源的有效回收。

6 結(jié)束語(yǔ)

上述幾種改造方式在實(shí)踐中得到有效驗(yàn)證，煙氣中氮氧化物減排效果十分顯著。近年來(lái)，隨著環(huán)保壓力日益增大，為滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和要求，企業(yè)必須投入更多資金，加強(qiáng)污染防止，降低污染物的排放量，不然會(huì)承擔(dān)更高的經(jīng)濟(jì)處罰。

針對(duì)循環(huán)流化鍋爐，通過(guò)改造鍋爐本身，即可促進(jìn)氮氧化物的超低排放，在滿足環(huán)保要求的同時(shí)，從源頭開(kāi)始治理污染，與尾氣專門治理方案相比，在治理過(guò)程中，可節(jié)省消耗品和各類材料投入，進(jìn)而降低鍋爐運(yùn)行成本，提升鍋爐燃燒效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)性的提升。

所以，對(duì)于循環(huán)流化床鍋爐，使用超低排放的改造技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，環(huán)保改造方案也得到了效果實(shí)踐。需進(jìn)一步加強(qiáng)鍋爐燃燒技術(shù)、污染物防治技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，以進(jìn)一步提升“低排放”標(biāo)準(zhǔn)，提升環(huán)保效果。