75t 循環(huán)流化床鍋爐煙氣超潔凈排放技術(shù)的研究與應(yīng)用

潘惠敏，張立新

（1.山東華聚能源股份有限公司興隆莊礦電廠，山東 濟(jì)寧272100；2.兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦，山東 濟(jì)寧 272100）

0 引 言

全國(guó)各地推出燃煤機(jī)組“超潔凈排放”的環(huán)保要求，要求現(xiàn)有燃煤設(shè)施嚴(yán)格控制污染物的排放，大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)值為：NOX≤50mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、粉塵≤5mg/Nm3。

目前，大型電廠鍋爐超低排放基本采用煙氣尾部新增SCR 脫硝，半干法或濕法脫硫等技術(shù)路線。這些技術(shù)投資費(fèi)用多、需要場(chǎng)地面積大、操作復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用高，水消耗量大，設(shè)備和管線易發(fā)生磨損和堵塞，需要經(jīng)常維修，對(duì)于中小型循環(huán)流化床而言均不是特別適合。

1 現(xiàn)狀分析

興隆莊礦電廠3# 鍋爐為燃燒純煤泥的75t 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐，燃料為粒度0～10mm 的純煤泥，屬于超細(xì)煤泥，碳酸鈣與超細(xì)煤泥對(duì)灰熔點(diǎn)的影響，加上礦井水中含鈉離子較高，加上浮選藥劑的影響，在旋風(fēng)分離器中易結(jié)灰垢，造成鍋爐返料中斷，影響鍋爐運(yùn)行，根據(jù)“超潔凈排放”的環(huán)保要求，無(wú)法達(dá)到超潔凈排放。

興隆莊礦電廠針對(duì)存在問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)成立純煤泥75t 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐煙氣超潔凈排放技術(shù)的研究項(xiàng)目組。

2 研究方案

通過(guò)爐內(nèi)脫硝，最大程度降低NOx 原生濃度，可為循環(huán)流化床鍋爐實(shí)現(xiàn)SO2和NOx 超低排放的奠定良好基礎(chǔ)。目前循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行過(guò)程中脫硫工藝多采用爐內(nèi)脫硫、半干法或濕法脫硫；脫硝工藝采用SNCR 脫硝、鍋爐低氮燃燒或SCR 脫硝。

該方案以100%全燒煤泥75t 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐和國(guó)家脫硝、脫硫等更嚴(yán)格環(huán)保政策為工程背景，采用流化床低床溫、低床壓運(yùn)行的“定態(tài)設(shè)計(jì)”理論，綜合了兩種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)特色，以高倍率循環(huán)流化床流態(tài)圖譜為指導(dǎo)，以大顆粒燃燼為限制指標(biāo)，適當(dāng)降低構(gòu)成循環(huán)床下部鼓泡床的無(wú)效床存量，避免多余存料量引起的風(fēng)機(jī)能耗和受熱面磨損，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能和長(zhǎng)運(yùn)行周期。通過(guò)合理布局二次風(fēng)進(jìn)口，改善鍋爐中心缺氧燃燒現(xiàn)象，降低NOx 生成量，實(shí)現(xiàn)全原生態(tài)煤泥穩(wěn)定燃燒，降低爐內(nèi)NOx 初始排放濃度，達(dá)到初始排放濃度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

主要通過(guò)兩步使3# 爐達(dá)到超潔凈排放環(huán)保要求的問(wèn)題，一是通過(guò)技術(shù)措施控制煤泥的穩(wěn)定燃燒，并實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)較低初始排放濃度，二是鍋爐尾部煙氣進(jìn)一步通過(guò)脫硫除塵一體化技術(shù)即爐內(nèi)脫硫+SNCR 脫硝+ 預(yù)電除塵+ 爐后半干法脫硫+ 布袋除塵，采用“一爐一塔”的串聯(lián)布置形式實(shí)現(xiàn)超潔凈排放濃度。

主要手段是：①改進(jìn)分離器的分離效率；②改進(jìn)物料回送裝置的流動(dòng)特性；③注意控制燃料粒度達(dá)到設(shè)計(jì)要求；④更新傳熱系數(shù)和燃燒份額分配設(shè)計(jì)導(dǎo)則。

3 鍋爐煙氣通過(guò)技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)較低初始排放濃度

主要是對(duì)分離器、回料器優(yōu)化、增加水冷受熱面積、流化床布風(fēng)板和優(yōu)化一二次風(fēng)以及優(yōu)化尾部受熱面來(lái)降低鍋爐煙氣等初始排放濃度；

3.1 分離器、回料器優(yōu)化

循環(huán)流化床的爐內(nèi)傳熱傳熱系數(shù)與氣固兩相流密切相關(guān)，提高爐內(nèi)灰的濃度可相應(yīng)提高傳熱系數(shù)，提高物料的循環(huán)量就需相應(yīng)優(yōu)化旋風(fēng)分離器以提高分離效率，這同時(shí)也增加了床內(nèi)細(xì)灰的份額，為調(diào)整風(fēng)量分配提供有利條件。

根據(jù)全煤泥煤質(zhì)、灰的物理特性以及設(shè)定各部分風(fēng)速、邊界條件，分離器優(yōu)化具體措施是偏置式中心筒材質(zhì)由ZG26Ni4Mn3NRe 更換為0Cr25Ni20，優(yōu)化中心筒結(jié)構(gòu)和增加鎳元素含量以增加中心筒的強(qiáng)度與韌性；分離器直徑（mm）由Φ3000 調(diào)整到Φ3300，中心筒直徑由Φ1200 調(diào)整到Φ1300，料腿內(nèi)徑由Φ450 調(diào)整到Φ400。

分離器效率提高后，循環(huán)物料中的細(xì)灰份額增加，適當(dāng)減少床存量低床壓運(yùn)行依然可以保證鍋爐正常運(yùn)行。床存量降低后，二次風(fēng)區(qū)域物料濃度降低，二次風(fēng)穿透擾動(dòng)效果增強(qiáng)，爐膛上部氣固混合效果得以改進(jìn)，提高了鍋爐燃燒效率。

3.2 增加水冷受熱面積

通過(guò)增加水冷受熱面，鍋爐床溫控制在（850～900）℃，爐膛整體溫度水平穩(wěn)定控制在900 ℃以下，爐膛出口煙氣設(shè)計(jì)溫度880 ℃。

3.3 流化床布風(fēng)板和一二次風(fēng)優(yōu)化

調(diào)整循環(huán)流化床一二次風(fēng)配為4：6，減小布風(fēng)板面積，優(yōu)化風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，風(fēng)帽直徑Φ76，小孔8-Φ10.5，接管Φ38x4，風(fēng)室風(fēng)壓可控制在6000Pa；減少二次風(fēng)噴口數(shù)量，前后墻雙層布置，共設(shè)16 個(gè)Φ160 的噴口；爐膛出口空氣過(guò)量系數(shù)降至1.2 以下。

3.4 尾部受熱面的優(yōu)化

改變循環(huán)流化床尾部受熱面的次序，由傳統(tǒng)受熱面順序變?yōu)橄葟母邷剡^(guò)熱器到低溫過(guò)熱器，再經(jīng)過(guò)光管省煤器到空氣預(yù)熱器，通過(guò)受熱面次序的調(diào)整可以降低排放濃度。

經(jīng)過(guò)以上技術(shù)措施的實(shí)施鍋爐出口氮氧化物原始排放濃度可以實(shí)現(xiàn)≤100mg/N.m3。

4 純煤泥鍋爐通過(guò)脫硫除塵一體化裝置實(shí)現(xiàn)超潔凈排放

脫硫除塵一體化裝置包括SNCR 脫硝技術(shù)，和爐內(nèi)噴鈣+尾部半干法脫硫工藝兩部分。

4.1 SNCR 脫硝技術(shù)

SNCR 是不用催化劑，只在高溫區(qū)加入還原劑NH3、尿素等，噴入爐內(nèi)與NOx 進(jìn)行選擇性反應(yīng)。還原劑噴入爐膛溫度為820～960℃的區(qū)域，該還原劑迅速熱分解成NH3 并與煙氣中的NOx 進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2。

SNCR 脫硝工藝的效率能夠達(dá)到50%以上，能夠確保煙氣氮氧化物排放濃度≤50mg/N·m3。

4.2 脫硫采用爐內(nèi)噴鈣+尾部半干法脫硫工藝

4.2.1 爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝

爐內(nèi)噴鈣脫硫工藝：石灰石（即CaCO3）在高溫下煅燒分解成CaO，用CaO 作吸收劑脫硫，脫硫產(chǎn)物是硫酸鈣，其主要化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)式如下：

石灰石粉由罐車輸送至石灰石粉倉(cāng)，粉倉(cāng)設(shè)有庫(kù)頂收塵器、壓力釋放閥，錐部設(shè)有氣化板，在石灰石輸送時(shí)可有效的防止石灰石搭橋，利于石灰石的輸送使用。

石灰石從粉倉(cāng)下出口經(jīng)過(guò)變頻星型卸灰閥調(diào)節(jié)達(dá)到需要的添加量，再用噴射泵送入鍋爐參加混合反應(yīng)，吸收煙氣中的酸性氣體。

4.2.2 尾部半干法脫硫工藝

鍋爐煙氣由煙道底部進(jìn)入吸收塔，在吸收塔內(nèi)，高溫?zé)煔馀c加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進(jìn)行吸收劑與HCl、HF 的反應(yīng)。

流化床中氣固間傳熱、傳質(zhì)效果很好，SO3可以全部去除。另外排煙溫度始終控制在高于露點(diǎn)溫度15℃以上，因此排煙不需要再加熱，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)也不需要其他的防腐處理。

4.2.3 除塵工藝

凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側(cè)向排出，然后轉(zhuǎn)向進(jìn)入脫硫除塵器，再通過(guò)引風(fēng)機(jī)排入煙囪。經(jīng)除塵器捕集下來(lái)的固體顆粒，通過(guò)除塵器下的再循環(huán)系統(tǒng)，返回吸收塔繼續(xù)參加反應(yīng)，如此循環(huán)，多余的少量脫硫灰渣通過(guò)物料輸送至脫硫灰倉(cāng)內(nèi)，再通過(guò)罐車或二級(jí)輸送設(shè)備外排。

在循環(huán)流化床脫硫塔中，Ca（OH）2與煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3，HCl，HF 等完成化學(xué)反應(yīng)。

鍋爐煙氣通過(guò)預(yù)電除塵器(除塵效率達(dá)到80%以上)后經(jīng)過(guò)尾部半干法脫硫，然后經(jīng)過(guò)布袋除塵器(除塵效率達(dá)到)，實(shí)現(xiàn)煙塵排放濃度≤5mg/N·m3。

5 研究制定了旋風(fēng)分離器結(jié)垢處理技術(shù)

進(jìn)一步研究揭示了碳酸鈣與超細(xì)煤泥對(duì)灰熔點(diǎn)的影響，礦井水中含鈉離子較高，加上浮選藥劑的影響，在旋風(fēng)分離器中易結(jié)灰垢，經(jīng)化驗(yàn)和分析大部分為鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石，結(jié)垢增厚導(dǎo)致旋風(fēng)分離器下料腿內(nèi)徑變小，易導(dǎo)致鍋爐返料中斷，影響鍋爐運(yùn)行。

項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)燃料分析、煙氣模型建模、運(yùn)行溫度調(diào)整，研究了鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石生長(zhǎng)對(duì)物料循環(huán)的影響，并采取了摻燒混煤、石英砂，控制鈣硫比、控制床溫等綜合措施對(duì)鈣長(zhǎng)石進(jìn)行抑制及消除，實(shí)現(xiàn)了鍋爐在超細(xì)煤泥和現(xiàn)有條件下的穩(wěn)定燃燒。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試

以上技術(shù)方案在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)施并應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)鍋爐效率、煙氣排放情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：

1）鍋爐熱效率。在鍋爐運(yùn)行狀況、燃料、灰渣系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)符合測(cè)試要求的情況下，測(cè)試結(jié)果為鍋爐熱效率90.06%，排煙溫度152.6℃，過(guò)量空氣系數(shù)1.41，鍋爐熱效率優(yōu)于《鍋爐節(jié)能技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程》中額定工況下熱效率限定值（86%），屬于高效鍋爐。

2）鍋爐初始煙氣排放測(cè)試。在中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐75t（95%以上）時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)試結(jié)果表明75t 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐達(dá)到初始排放濃度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

3）鍋爐脫硫塔后煙氣排放測(cè)試。檢測(cè)結(jié)果顯示75t 中溫中壓循環(huán)流化床鍋爐實(shí)現(xiàn)了鍋爐煙氣超潔凈排放，排放濃度：SO2＜35mg/m3；NOX＜50mg/m3；煙塵＜5mg/m3。

鍋爐及超低排系統(tǒng)運(yùn)行正常，煙氣排放控制效果良好，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與國(guó)家環(huán)保要求規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)相符。

通過(guò)鍋爐試運(yùn)行，本臺(tái)鍋爐在全煤泥燃燒情況下，循環(huán)流化床鍋爐的穩(wěn)定燃燒并實(shí)現(xiàn)較低的初始排放濃度；同時(shí)在高灰分、高水份的低熱值燃料情況下，煙氣污染物實(shí)現(xiàn)超低排放。

7 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)兩年多的安全穩(wěn)定運(yùn)行，興隆莊礦電廠在對(duì)分離器、回料器優(yōu)化、增加水冷受熱面積、流化床布風(fēng)板和優(yōu)化一二次風(fēng)以及優(yōu)化尾部受熱面的3#鍋爐在全煤泥燃燒情況下，煙氣污染物排放實(shí)現(xiàn)超低排放并能安全穩(wěn)定運(yùn)行，其技術(shù)在國(guó)內(nèi)同類型循環(huán)流化床鍋爐處于領(lǐng)先地位。

本項(xiàng)目成功實(shí)施后，兗礦集團(tuán)又在南屯電力、濟(jì)三電力2×50MW 和2×135MW 機(jī)組超低排改造和低氮燃燒改造工程中推廣應(yīng)用。