大型循環流化床鍋爐超低排放技術應用分析

中國電建集團江西省電力建設有限公司 曾慶明

隨著環保要求的不斷提升，傳統的CFB 鍋爐技術面臨著新的挑戰和改進需求，急需通過技術創新和應用升級以滿足更為嚴格的超低排放要求，推動清潔能源技術的發展與應用。

以某廠為例，其近期完成了大型循環流化床鍋爐的超低排放改造項目，該項目是對現有的2×300MW 級別的CFB 鍋爐進行技術升級，為該鍋爐設計專門的超低排放系統，具體系統組成包括低碳燃燒配風系統、SNCR 尿素噴射脫硝系統、爐內噴鈣脫硫系統、循環流化半干法脫硝系統，以滿足最新的環保排放標準。

改造前該廠NOx 排放水平為150mg/m3，SO2排放水平為200mg/m3，顆粒物排放為50mg/m3。通過采用優化的氧化劑分配技術，在爐內安裝的低NOx 燃燒器以及引入SO2減排和飛灰控制技術，改造后的實測數據表明NOx 排放降至50mg/m3以下，SO2排放水平減至35mg/m3，顆粒物排放控制在5mg/m3，均遠低于國家規定的超低排放標準。此外工程的整體投資約為1.6億元，預計每年可減少二氧化硫排放量750t，氮氧化物排放量530t，顆粒物排放量80t，該項目不僅顯著改善了當地的空氣質量，還提高了CFB 鍋爐的運行效率，經濟效益和環境效益獲得雙豐收。

1 超低排放系統組成分析

1.1 低碳燃燒配風系統

低碳燃燒配風系統需要優化燃燒空氣的分配和利用實現燃料的充分燃燒，從而減少污染物的產生，該系統主要依靠對鍋爐燃燒空氣的精確控制與調節，以達到降低氮氧化物（NOx）排放的目的，以本次項目為例，低碳燃燒配風系統通常包含兩個核心部件，分別為分級燃燒技術與風量調節技術。分級燃燒技術將燃燒空氣分為主要燃燒空氣和過剩空氣，其中主要燃燒空氣用于維持穩定的火焰和高效的燃燒過程，而過剩空氣則負責進一步完善燃燒，確保燃料充分燃燒，同時最大限度地減少NOx 的生成；風量調節技術則更側重于通過先進的控制系統實時監控并精確調整燃燒所需的空氣量，保證最佳的空燃比，以實現燃料的充分燃燒，同時也能有效減少不完全燃燒導致的碳排放和其他污染物的生成[1]。

1.2 SNCR 尿素噴射脫硝系統

尿素噴射脫硝系統系統工作原理主要基于將還原劑（通常是尿素或氨水）直接噴入鍋爐爐膛中，利用高溫（約850℃至1100℃之間）條件下還原劑與NOx 發生化學反應，將NOx 還原為氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），從而達到減少氮氧化物排放量的目的，以本次項目為例，具體設計參數如下：脫硝效率60%～80%、最佳作用溫度850～1100℃、尿素消耗量210～250kg/t NOx、成本相對較低、設備復雜度低、二次污染風險中等。

該系統還可利用控制噴射系統精確注入適量的還原劑到鍋爐的高溫區域，可有效避免過量還原劑帶來的二次污染問題，噴射系統的設計與調整對于實現最佳脫硝效率至關重要，需考慮到鍋爐的運行狀態、燃料類型和燃燒特性等因素，以保證還原劑能夠均勻分布并完成充分反應。該系統相比其他系統具有設備簡單、投資成本較低、維護操作簡便等優點，但其脫硝效率和適用范圍受到更多限制，因此在決定采用SNCR 技術時，需綜合考慮鍋爐的具體條件和排放要求，以及可能的經濟與環境效益[2]。

1.3 爐內噴鈣脫硫系統

該系統主要針對煙氣中的SO2進行脫除處理，主要工作原理是在鍋爐爐內通過噴射石灰石粉末或其他含鈣材料，在本次項目所用的系統中，與煙氣中的SO2發生化學反應后會然后生成硫酸鈣等固態產物，從而達到脫硫的目的。爐內噴鈣系統設計時需考慮石灰石的粒度、噴射位置和噴射量等關鍵參數，這些因素都直接影響脫硫效率，優化的粒度能保證石灰石充分燃燒生成活性高的石灰（CaO），而合適的噴射位置則確保了石灰石與煙氣有足夠的接觸時間和混合程度以提高反應效率，適宜的噴射量保證了有足夠的脫硫劑參與反應，實現更高的脫硫率，具體設計參數如下：石灰石粒250～400μm、噴射位置在爐膛上部或近燃燒區、噴射量濃度調整為SO2濃度的1.5～2.0倍化學當量、爐溫850℃～900℃、脫硫效率≥95%。

爐內噴鈣脫硫的優點在于系統簡單、投資成本較低，且由于爐溫高脫硫反應速率快，可以實現高效脫硫，并且反應產物可作為工業或建材領域的原料二次利用，減少廢物的排放。此外為了達到超低排放標準，CFB 鍋爐的爐內噴鈣脫硫系統通常與低氮燃燒技術、精細控制飛灰排放的除塵設備等一起構成綜合脫硝脫硫系統，保證污染物排放達到或優于國家的環保要求。

1.4 循環流化半干法脫硝系統

循環流化半干法脫硝系統主要目的是顯著降低NOx 的排放量，該系統通過將脫硝劑注入燃燒過程中實現高效的NOx 減排，而在CFB 鍋爐的運行過程中燃料與空氣充分混合燃燒，產生的高溫氣體中含有NOx，循環流化半干法脫硝系統工作時利用一個特制的噴射裝置在鍋爐的高溫區域噴入脫硝劑，如尿素或氨水等，這些脫硝劑在高溫下迅速分解成能有效與NOx 發生化學反應的活性物質，促使NOx 還原轉化為氮氣和水蒸氣，這一過程不僅能夠有效降低NOx 的排放，同時由于其操作在半干態下進行，避免了濕法處理帶來的二次污染問題。

2 大型循環流化床鍋爐超低排放技術應用要點

2.1 NOx 減排技術

2.1.1 選擇性催化還原（SCR）技術

該技術核心是在高效催化劑的作用下，使用還原劑與NOx 發生選擇性化學反應，然后在250～400℃的溫度范圍內將NOx 直接還原成氮氣以及水蒸氣，從而實現有效的脫硝，而在具體設計原理方面，需加入一些相關計算進一步提高應用效率，比如在NOx 減排量計算方面應用公式如下：H=（B-A）×J，其中：H表示減排量（mg/m3）,B表示初始NOx 濃度（mg/m3），A表示最終NOx 濃度（mg/m3），J表示煙氣流量（Nm3/h）。

而后在技術應用的過程中，將系統位于鍋爐的煙氣出口和空預器之間，確保煙氣能夠適宜溫度，以鋁鈦復合氧化物為常用催化劑，該催化劑能在較寬的溫度范圍內穩定工作且抗硫性能好，還原劑與煙氣混合需均勻，使用混合器或噴射裝置保證氨氣與NOx充分接觸，且催化劑在使用一定周期后活性降低，因此需要進行再生清洗或更換以保持脫硝效率[3]。

2.1.2 選擇性非催化還原（SNCR）技術

SNCR 通過向鍋爐燃燒區域注入還原劑，通常是氨水（NH3）或尿素溶液，實現在高溫下（通常在900℃至1050℃之間）直接與NOx 反應，將其還原為氮氣（N2）和水蒸氣（H2O），從而降低NOx 的排放量，具體應用過程需根據NOx 還原效率計算公式進行：N=（1-Cout/Cin）×100%，其中：N表示NOx的還原效率（%），Cin表示處理后的NOx 濃度（mg/m3），而Cout表示處理前的NOx 濃度（mg/m3）。

具體操作時，首先需要確定最佳的噴射位置和溫度窗口，以保證還原劑能夠在最適宜的反應溫度范圍內充分與NOx 發生反應，同時控制噴射量也至關重要，過量的還原劑不僅浪費還可能導致氨逃逸問題，而不足則無法達到預期的降低NOx 排放的效果，因此精確的控制系統和反饋機制對于調整噴射量，保證SNCR 技術的效率和經濟性至關重要。

2.2 SO2減排技術

2.2.1 干法脫硝

該技術具體操作時還原劑被以液態或氣態形式通過專門設計的噴嘴均勻噴入到鍋爐的高溫區域，在該溫度下還原劑能迅速分解產生活性基團，與NOx 發生反應轉化為氮氣和水，從而實現脫硝，同時選取合適的噴射位置和保證足夠的反應時間是實現高效脫硝的關鍵，過低的溫度會導致還原劑分解不完全，影響脫硝效率，而溫度過高則可能增加N2O 的生成量，不利于環境保護[4]。

2.2.2 半干法/濕法脫硝

半干法脫硫又稱噴霧干燥吸收法（SDA），是通過將脫硫劑（通常是石灰石或石灰漿液）以霧化的形式噴入煙氣中，與煙氣中的SO2發生化學反應生成干燥的硫酸鹽粉末，從而達到脫硫的目的，這一過程發生在專門設計的反應塔內，脫硫劑與SO2的接觸充分，脫硫效率可達85%以上。例如采用直徑為120μm 的噴霧粒子，相較于傳統的200μm 粒子可將脫硫效率從原來的85%提升到90%以上，此外通過優化反應塔設計，如增加反應區高度可進一步提升脫硫效率。

濕法脫硫（WFGD）技術是目前應用最廣泛的脫硫方法之一，其工作原理是將含SO2的煙氣與石灰石/石灰水溶液混合，SO2與溶液中的CaCO3或Ca（OH）2反應，生成不溶于水的CaSO3并進一步氧化成CaSO4（石膏），此過程中需要添加適量的氧化劑（如空氣）以促進反應的完全進行，濕法脫硫裝置通常包括吸收塔、石灰石制備和供給系統、石膏脫水及處理系統等，該方法的脫硫效率極高，可達95%以上，且產生的石膏可以作為建筑材料的原料，實現資源的再利用，然而濕法脫硫的缺點是設備投資和運行成本相對較高，同時也會產生大量的廢水，需要進一步處理才能排放。該兩種方法在選擇的過程中，一定要對其進行技術對比，根據不同特性進行選擇，兩者技術具體對比內容如表1所示。

表1 半干法與濕法脫硝技術對比表

2.3 飛灰控制技術

電除塵器。主要由帶電的放電極和接地的收集極組成，形成強大的電場，當含塵煙氣通過電場時，飛灰顆粒在放電極周圍被電離區的高能電子轟擊而帶電，正負帶電的粉塵顆粒分別向相反電性的極板移動，并被捕集到收集極上。隨著時間推移，這些顆粒形成一層灰塵，在重力和振打等作用下脫落，經由底部的卸灰系統排出，從而實現煙氣的凈化[5]。

布袋除塵器。核心部件是由特定材料制成的濾袋，通常材料需要耐高溫、耐腐蝕，并具有良好的透氣性和過濾效率，CFB 鍋爐煙氣經過冷卻和預處理后才引入布袋除塵器，在運行過程中含塵煙氣通過濾袋，粉塵被濾袋表面攔截，凈化后的氣體通過濾袋內部排出，隨著操作時間延長濾袋表面積聚的粉塵會增加，導致阻力上升，為保證系統正常工作和高效除塵，需定期對濾袋進行清灰以降低濾袋的阻力。清灰方法主要有兩種，分別為脈沖噴吹和反吹風。脈沖噴吹是通過壓縮空氣的快速膨脹形成強烈的氣流沖擊波，打擊濾袋，使附著在濾袋表面的粉塵脫落；反吹風則是向濾袋內部吹入一定壓力的空氣或惰性氣體，從內而外對濾袋進行反向清潔，也能有效地去除粉塵，這兩種清灰方式各有優勢，可根據實際情況和設備配置靈活選擇[6]。

綜上所述，通過對大型循環流化床鍋爐超低排放技術的有效應用后，能夠進一步提高脫離效率，同時確保在額定負荷狀態下使系統脫硫效率以及脫硝效率得到改善，同時確保該系統運行成本得到有效節約，為此需要不斷提高重視，強化技術應用，確保行業的可持續性發展。