循環(huán)流化床超低NOx與SO2排放技術(shù)研究進展

王 超，宋國良，呂清剛

(1.中國科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國科學(xué)院 潔凈能源創(chuàng)新研究院，遼寧 大連 116023)

0 引 言

循環(huán)流化床(CFB)燃燒技術(shù)因燃料適應(yīng)性廣、污染排放低、變負荷能力強等優(yōu)勢[1-5]，得到迅速推廣和發(fā)展應(yīng)用。與煤粉爐相比較，CFB鍋爐由于燃燒溫度低，具有NOx排放低等優(yōu)勢。然而面對新提出的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，即6% O2(體積分?jǐn)?shù))條件下，煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3，循環(huán)流化床技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。

為使NOx和SO2滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，CFB鍋爐通常采用兩級脫硝和兩級脫硫。兩級脫硝是指首先利用低氮燃燒技術(shù)通過優(yōu)化控制CFB鍋爐運行參數(shù)降低NOx原始排放，主要包括控制床溫[6-7]，增加二次風(fēng)比[8-12]、改變二次風(fēng)噴入位置[13-15]和減少空氣當(dāng)量比[16-18]，然后利用煙氣處理技術(shù)進行尾部煙氣脫硝。煙氣脫硝技術(shù)通常有3種：SCR技術(shù)[19-23]、SNCR技術(shù)[24-28]和SCR-SNCR結(jié)合技術(shù)[29-33]。兩級脫硫是指首先向CFB鍋爐爐內(nèi)噴鈣進行爐內(nèi)脫硫，然后利用煙氣處理裝置對煙氣進一步脫硫。煙氣脫硝技術(shù)主要有2種：半干法脫硫[34-40]和濕法脫硫[36,41-45]。由于兩級脫硝和兩級脫硫必須使用煙氣處理裝置，大大增加了CFB鍋爐治污成本，因此如何在不使用脫硝和脫硫裝置的條件下使CFB鍋爐排煙中NOx和SO2含量達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)成為未來CFB技術(shù)發(fā)展主流方向。

本文主要論述了現(xiàn)有常規(guī)CFB超低NOx排放技術(shù)(二級脫硝技術(shù))、CFB超低NOx燃燒技術(shù)、常規(guī)CFB超低SO2排放技術(shù)(二級脫硫技術(shù))、CFB超低SO2排放技術(shù)和CFB超低NOx和SO2協(xié)同控制技術(shù)等，以明晰現(xiàn)有研究的不足，凝練關(guān)鍵科學(xué)問題，為實現(xiàn)CFB鍋爐爐內(nèi)超低NOx和SO2協(xié)同控制技術(shù)提供理論支撐。

1 CFB超低NOx排放技術(shù)

1.1 常規(guī)CFB超低NOx排放技術(shù)

為達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，CFB鍋爐普遍采用“兩級脫硝”實現(xiàn)NOx深度脫除，即采用爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)和爐外煙氣脫硝技術(shù)。爐外煙氣脫硝技術(shù)主要有3種：SCR技術(shù)、SNCR技術(shù)和SNCR-SCR技術(shù)，3種技術(shù)對比見表1。因此，常規(guī)CFB超低NOx排放技術(shù)包括低氮燃燒+SCR技術(shù)、低氮燃燒+SNCR技術(shù)和低氮燃燒+SCR-SNCR技術(shù)。

表1 煙氣處理技術(shù)對比

1.1.1低氮燃燒+SCR技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了低氮燃燒技術(shù)和SCR技術(shù)(圖1)，首先通過控制和優(yōu)化CFB鍋爐運行參數(shù)降低NOx原始排放量，通常做法是控制床溫、增加二次風(fēng)比、改變二次風(fēng)噴入位置和減少空氣當(dāng)量比等，然后利用SCR技術(shù)進行煙氣脫硝。SCR脫硝工藝是指在特定條件下(煙氣溫度350～420 ℃)，向煙氣中噴入一定量的氨，并使之與煙氣充分混合后，煙氣經(jīng)過一種預(yù)置的催化劑，使其在催化劑的輔助下高效率將NOx還原成N2。使用該方法脫硝效率最高，運行可靠，但由于需要使用大量催化劑，因此成本高，且占地面積大，適用于高揮發(fā)分煤和大型機組。

圖1 低氮燃燒+SCR超低NOx排放技術(shù)Fig.1 Low NOx combustion+SCR technology

1.1.2低氮燃燒+SNCR技術(shù)

該技術(shù)將低氮燃燒技術(shù)和SNCR技術(shù)結(jié)合起來(圖2)。通過控制和優(yōu)化CFB鍋爐運行參數(shù)降低NOx原始排放量，同時向旋風(fēng)分離器入口煙道內(nèi)注入氨，在高溫環(huán)境下，氨與生成的NOx發(fā)生反應(yīng)，NOx被還原成N2。為滿足超低排放，通常采取過量噴氨的方式以提高脫硝效率，造成氨逃逸量超標(biāo)[46]。為解決這一問題，大多數(shù)研究致力于改善旋風(fēng)分離器處SNCR脫硝反應(yīng)環(huán)境，包括調(diào)整噴氨口位置、優(yōu)化還原劑粒徑以及提高煙氣溫度等。該技術(shù)系統(tǒng)簡單、占地空間小、投資少，且不使用催化劑，因此成本相對較低，適用于低揮發(fā)分煤和小型機組。

圖2 低氮燃燒+SNCR超低NOx排放技術(shù)Fig.2 Low NOx combustion + SNCR technology

1.1.3低氮燃燒+SNCR-SCR技術(shù)

該技術(shù)將低氮燃燒技術(shù)與SNCR-SCR技術(shù)結(jié)合，如圖3所示。通過控制爐內(nèi)參數(shù)降低NOx原始排放量，同時在旋風(fēng)分離器入口煙道注入還原劑將生成的NOx還原成N2，逸出的氨氣和一部分NOx在催化劑作用下再次進行還原反應(yīng)實現(xiàn)深度脫硝。采用SNCR-SCR技術(shù)可將SNCR技術(shù)的低費用優(yōu)勢與SCR技術(shù)的脫硝高效率優(yōu)勢有機結(jié)合，解決SNCR技術(shù)中的氨泄漏問題，且空間適應(yīng)性強，運用較靈活。該技術(shù)適用于中等揮發(fā)分煤和中等機組。

圖3 低氮燃燒+SNCR-SCR超低NOx排放技術(shù)Fig.3 Low NOx combustion + SNCR-SCR technology

綜上，這3種技術(shù)針對不同燃料均可滿足超低排放，實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)燃燒情況及燃料特性選取最佳超低排放技術(shù)。由于這3種技術(shù)都采用二級脫硝，增加了煙氣處理裝置，因此成本較高。

1.2 CFB超低NOx燃燒技術(shù)

CFB超低NOx燃燒技術(shù)是指在不使用煙氣脫硝裝置的條件下使鍋爐排煙中NOx含量達到超低排放要求。目前，能夠達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)的CFB超低NOx燃燒技術(shù)主要有：循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)[47-50]、基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)[51-55]和解耦燃燒技術(shù)。

1.2.1循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)

循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)是由中國科學(xué)院工程熱物理研究所提出，該技術(shù)將煤的燃燒分為2部分：CFB爐內(nèi)燃燒和后燃室燃燒，技術(shù)原理如圖4所示。該技術(shù)首先通過控制CFB爐膛的一、二次風(fēng)量等參數(shù)來實現(xiàn)全爐膛的還原性氣氛，使進入爐膛的煤在弱還原性氣氛下燃燒，從而抑制NOx的生成。由于煤的不完全燃燒會產(chǎn)生大量CO，這些CO及細小的焦炭顆粒從旋分分離器逸出進入后燃室。同時，在旋風(fēng)分離器出口煙道通入后燃風(fēng)，煙氣中未完全燃燒的CO和焦碳在后燃室進一步燃燒，從而保證了煤粉的燃燒效率，實現(xiàn)循環(huán)流化床的超低NOx排放。Zhou等[47]詳細介紹了該技術(shù)，并利用其研究了神木半焦燃燒特性和NOx排放特性，研究發(fā)現(xiàn)使用該技術(shù)后，NOx原始排放量只有51 mg/Nm3，燃燒效率高達98.6%。Zhou等[49]研究了內(nèi)蒙褐煤的燃燒特性和NOx排放特性，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化流化床爐內(nèi)和后燃室運行參數(shù)使NOx原始排放下降到48.7 mg/Nm3，達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。Xiao等[50]研究了給煤位置和后燃風(fēng)布置對神木半焦燃燒特性和NOx排放特性的影響，通過增加后燃風(fēng)級數(shù)，使NOx最終排放量下降到49.6 mg/Nm3，達到超低排放要求。目前該高溫后燃技術(shù)應(yīng)用于75 t/h煤泥循環(huán)流化床鍋爐，實現(xiàn)了NOx原始排放38 mg/Nm3。

圖4 循環(huán)流化床高溫后燃超低NOx燃燒技術(shù)Fig.4 Technology of ultra-low NOx emissionof high temperature post-combustion of CFB

1.2.2基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)

基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)原理如圖5所示，其核心是通過提高旋風(fēng)分離器分離效率，增加床內(nèi)有效細顆粒存有量，增大物料循環(huán)倍率，提高爐膛上部稀相區(qū)顆粒濃度，從而使底部密相區(qū)未燃碳和CO等還原性物料上移，增強了爐膛空間的還原性氣氛，抑制了爐內(nèi)NOx生成。該方法主要是通過調(diào)節(jié)床料、循環(huán)灰粒徑、床層壓降、床溫、爐膛出口氧含量、分離器出口灰顆粒粒度、一次風(fēng)份額以及流化速度等鍋爐運行參數(shù)，使床料平均粒度比傳統(tǒng)循環(huán)流化床大幅減小。李競岌等[51-52]從床層溫度控制和氧化還原氣氛調(diào)整等角度，論證了流態(tài)重構(gòu)技術(shù)在強化CFB鍋爐NOx低排放性能上具有一定優(yōu)勢，且該技術(shù)使淄博和力文的循環(huán)流化床實現(xiàn)了超低排放。Li等[51]利用該技術(shù)在220 t/h CFB鍋爐上進行工程實踐，燃燒煙煤和貧煤，使用石灰石脫硫時，NOx排放量分別為49和46 mg/Nm3。

圖5 基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床超低NOx燃燒技術(shù)Fig.5 Technology of ultra-low NOx emission ofCFB based on flow state reconstruction

1.2.3解耦低氮燃燒技術(shù)

解耦低氮燃燒技術(shù)通過將燃燒過程分解為低溫還原氣氛下的部分熱解氣化和高溫氧化條件下的可燃物燃盡2個過程，同時利用低溫還原氣氛下產(chǎn)生的還原性氣體組分和半焦抑制高溫氧化條件下燃燒時的NOx生成。韓振南等[56]研究了一種基于解耦燃燒技術(shù)的可實現(xiàn)固體燃料燃燒原始NOx超低排放的解耦燃燒方法，技術(shù)原理如圖6所示。首先將煤熱解，熱解產(chǎn)物為焦油、半焦和少量熱解氣。焦油和熱解氣用于再燃脫硝；而半焦進入主燃區(qū)燃燒。由于主燃區(qū)的低溫、低氧燃燒會產(chǎn)生大量CO，一方面抑制NOx生成，另一方面對生成的NOx進行還原，從而降低主燃區(qū)NOx濃度。隨后煙氣進入再燃區(qū)，由于焦油脫硝能力強，對煙氣中NOx進一步還原。最后煙氣進入燃盡區(qū)，在燃盡風(fēng)條件下煙氣中CO等完全燃燒。該技術(shù)通過焦炭還原和焦油再燃脫硝實現(xiàn)超低排放。

圖6 解耦燃燒超低NOx排放技術(shù)原理示意Fig.6 Technology of ultra-low NOx emissionof decoupling combustion

綜上所述，循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)和基于流態(tài)重構(gòu)的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)在中試裝置與工業(yè)裝置上已實現(xiàn)超低NOx原始排放，而解耦低氮燃燒技術(shù)在CFB鍋爐中的實際應(yīng)用效果還需工業(yè)驗證。

2 CFB超低SO2排放技術(shù)

2.1 常規(guī)CFB超低SO2排放技術(shù)

為達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有CFB鍋爐普遍采用“兩級脫硫”，即采用爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)和爐外煙氣脫硫技術(shù)。爐外煙氣脫硫技術(shù)主要有2種：半干法脫硫和濕法脫硫，2種技術(shù)對比見表2。因此，常用的CFB超低SO2排放技術(shù)也分為爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣濕法脫硫和爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣半干法脫硫2種。

表2 煙氣脫硫技術(shù)對比

2.1.1爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣半干法脫硫技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了爐內(nèi)噴鈣脫硫和半干法脫硫技術(shù)(圖7)。首先進行爐內(nèi)噴鈣脫硫，即通過向CFB鍋爐爐膛內(nèi)噴入石灰石降低部分SO2濃度，然后進行爐后半干法脫硫。半干法脫硫是以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，以干態(tài)消石灰粉作為吸收劑，通過吸收劑的多次再循環(huán)，在脫硫塔內(nèi)延長吸收劑和煙氣的接觸時間，以到達高效脫硫的目的，同時大大提高了吸收劑的利用率。通過化學(xué)反應(yīng)，可有效去除煙氣中的SO2、SO3等氣體，脫硫產(chǎn)物為干粉混合物，無二次污染，還可以二次利用。該技術(shù)脫硫效率高，投資成本較低，適用于中小機組與中低硫煤。

圖7 爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣半干法脫硫超低排放技術(shù)Fig.7 Injection calcium in furnace for desulphurization+ultralow emission technology of semi-dry flue gas desulfurization

2.1.2爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣濕法脫硫技術(shù)

該技術(shù)結(jié)合了爐內(nèi)噴鈣脫硫和煙氣濕法脫硫技術(shù)(圖8)。首先向CFB鍋爐爐膛內(nèi)噴入石灰石、優(yōu)化CFB鍋爐運行參數(shù)等進行爐內(nèi)部分脫硫，然后進行煙氣濕法脫硫。濕法脫硫技術(shù)是將石灰石粉加水制成漿液作為吸收劑泵入吸收塔與煙氣充分接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的CaCO3以及從塔下部鼓入的空氣進行氧化反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4達到一定飽和度后，結(jié)晶形成CaSO4·2H2O。脫硫后的煙氣經(jīng)過除霧器除去霧滴，再經(jīng)過換熱器加熱升溫后，由煙囪排入大氣。該工藝脫硫效率極高，且技術(shù)先進可靠，但系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備龐大、耗水量大、一次性投資高，一般適用于大型電廠與高硫煤。

圖8 爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣濕法脫硫超低排放技術(shù)Fig.8 Injection calcium in furnace for desulphurization+ultra low emission technology of wet flue gas desulfurization

綜上可知，這2種常規(guī)技術(shù)都可以使CFB鍋爐滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，但爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣濕法脫硫技術(shù)脫硫效率更高。燃燒高硫煤時，應(yīng)使用爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣濕法脫硫技術(shù)，燃燒中低硫煤時，可采用爐內(nèi)噴鈣脫硫+煙氣半干法脫硫技術(shù)。

2.2 CFB超低SO2排放技術(shù)

常規(guī)的CFB超低SO2排放技術(shù)需進行二次脫硫，且必須使用尾部煙氣脫硫裝置，增加了CFB鍋爐脫硫成本。如何在不使用尾部煙氣脫硫裝置的情況下，達到超低SO2排放受到更多關(guān)注。目前，CFB超低SO2排放技術(shù)有2種：超細石灰石和燃燒半焦脫硫技術(shù)。

2.2.1超細石灰石脫硫技術(shù)

超細石灰石指的是d50<15 μm、d90<45 μm的石灰石粉，明顯小于常規(guī)CFB爐內(nèi)脫硫用石灰石粒徑[57]。其原理是減小石灰石粒徑，最大限度地增加石灰石的比表面積，超細石灰石脫硫技術(shù)如圖9所示。超細石灰石比表面積顯著增大，反應(yīng)速率加快。但由于石灰石粒徑減小，爐內(nèi)停留時間縮短。Fan等[58]認(rèn)為使用高反應(yīng)活性的超細石灰石，在極短時間內(nèi)完成固硫反應(yīng)可以解決停留時間不足的問題。岳光溪等[59]研究表明，將飛灰切割粒徑降至10 μm，循環(huán)灰的中位粒徑降低到100 μm，則在Ca/S=1.5時，SO2濃度<50 mg/m3。

圖9 超細石灰石超低排放技術(shù)Fig.9 Technology of ultra-low emission of ultra-fine limestone

2.2.2半焦燃燒脫硫技術(shù)

熱解作為一種重要的煤潔凈技術(shù)處理過程，不僅可實現(xiàn)煤的分級利用，提高產(chǎn)品附加值，還減少了原料中污染物向大氣的排放[60]。燃燒半焦脫硫技術(shù)如圖10所示，首先將低階煤通過熱解制成低硫潔凈半焦。與煤相比，半焦中硫顯著減少。然后，將熱解制成的低硫半焦用作循環(huán)流化床鍋爐的燃料。該技術(shù)通過將含硫量較高的煤轉(zhuǎn)化為低硫半焦，然后燃燒低硫半焦，在理論上易實現(xiàn)超低SO2原始排放，但還需進一步工業(yè)驗證。

圖10 燃燒半焦脫硫超低排放技術(shù)Fig.10 Technology of ultra-low emission ofchar combustion for desulfurization

3 CFB爐內(nèi)超低NOx/SO2排放技術(shù)

在不使用煙氣脫硫脫硝裝置的條件下，如何使NOx和SO2同時滿足超低排放是近幾年的研究熱點與難點，即發(fā)展CFB爐內(nèi)超低NOx和SO2的協(xié)同控制技術(shù)。大量研究表明，爐內(nèi)脫硫和脫氮存在矛盾關(guān)系，即氧化氛圍可提高爐內(nèi)脫硫效率，但NOx原始排放增加，而還原氛圍可有效抑制NOx生成，但爐內(nèi)脫硫效率明顯下降。為實現(xiàn)CFB爐內(nèi)超低NOx和SO2排放，將CFB超低NOx燃燒技術(shù)和超細石灰石相結(jié)合的技術(shù)具有較大潛力，即循環(huán)流化床高溫后燃技術(shù)與超細石灰石脫硫技術(shù)；同時將CFB超低NOx燃燒技術(shù)與半焦燃燒脫硫技術(shù)結(jié)合也可能實現(xiàn)超低NOx和SO2排放。因此，這2類技術(shù)都應(yīng)進一步開展更深入的系統(tǒng)研究與工業(yè)驗證。

由于2類技術(shù)都需使用超細石灰石，因此需解決以下關(guān)鍵問題：① 研發(fā)高效率旋風(fēng)分離器。高效旋風(fēng)分離器是保證超細石灰石高效脫硫的前提，旋風(fēng)分離器效率越高，超細石灰石脫硫效率越高。② 保證超細石灰石在大截面爐膛內(nèi)的分布均勻性。循環(huán)流化床鍋爐正朝著大型化發(fā)展，爐膛截面越來越大，如何實現(xiàn)超細石灰石在大型爐膛內(nèi)橫向的均勻混合成為難點。

4 CFB超低NOx/SO2排放技術(shù)

根據(jù)是否使用煙氣處理裝置，超低排放技術(shù)可以分為2類：一種是使用煙氣處理裝置的常規(guī)CFB超低NOx/SO2排放技術(shù)，另一類是不使用煙氣處理裝置的CFB超低NOx/SO2排放技術(shù)。與常規(guī)CFB超低NOx/SO2排放技術(shù)相比，CFB超低NOx/SO2排放技術(shù)有很多優(yōu)勢：由于不使用煙氣處理裝置，初投資和運行成本明顯降低，操作簡單，占地面積顯著減小等，詳細對比見表3和表4。

表3 NOx超低排放技術(shù)對比

表4 SO2超低排放技術(shù)對比

5 結(jié)語與展望

本文論述了現(xiàn)有的CFB超低NOx與SO2排放技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在不使用煙氣凈化裝置的情況下，NOx和SO2相應(yīng)的超低排放控制技術(shù)都不夠成熟；而對于CFB超低NOx和SO2協(xié)同控制技術(shù)的研究報道甚少。因此，后期應(yīng)加強以下研究：

1)開發(fā)高效旋風(fēng)分離器。高效旋風(fēng)分離器不僅可以提升CFB燃燒效率，也是保證超細石灰石高效脫硫的前提。分離器效率越高，CFB燃燒效率和超細石灰石脫硫效率越高。

2)如何保證超細石灰石在大截面爐膛內(nèi)的分布均勻性是關(guān)鍵。超細石灰石可大大減弱爐內(nèi)脫硝的消極影響，也可維持較高脫硫效率，但隨著循環(huán)流化床鍋爐大型化發(fā)展，爐膛截面越來越大，如何實現(xiàn)超細石灰石在大型爐膛內(nèi)橫向的均勻混合是難點。

3)發(fā)展CFB爐內(nèi)超低NOx和SO2原始排放協(xié)同控制技術(shù)。目前控制單一氣體使其滿足超低排放的技術(shù)相對成熟，但如何同時控制NOx和SO2使之滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)難點。

4)超低排放條件下的燃料適應(yīng)性。目前CFB爐內(nèi)超低排放技術(shù)局限于某些特定燃料可以達到超低排放，針對其他特殊燃料，NOx和SO2能否達到超低排放仍需進一步深入研究。

5)低負荷下CFB爐內(nèi)超低排放技術(shù)。鍋爐在低負荷下如何實現(xiàn)超低排放還需進一步深入研究。