循環(huán)流化床鍋爐污染物排放與控制

內蒙古京海煤矸石發(fā)電有限責任公司 王少東

1 循環(huán)流化床鍋爐污染物的種類及成因

1.1 硫氧化物

某煤矸石電廠循環(huán)流化床鍋爐主要以煤炭等化石資源作為燃料，燃煤中含有一定成分的硫化物，在高溫條件下，燃煤持續(xù)析出硫分，在充分燃燒條件下使得硫分和氧氣進行反應，以二氧化硫作為反應產物，以及在硫酸鹽經過分解后產生二氧化硫。同時，為取得脫硫效果，需要在鍋爐運行期間投入適量石灰石，石灰石在煅燒狀態(tài)下出現分解現象，產生二氧化鈣和氧化鈣，氧化鈣和二氧化硫相互接觸后進行有氧反應，最終形成硫酸鈣。而在循環(huán)流化床實際溫度超出標準溫度時，氧化鈣內部結構在高溫條件下發(fā)生變化，明顯降低二氧化硫和氧化鈣反應速率，最終造成加快了硫酸鈣分解速度、所采集二氧化硫持續(xù)釋放的后果，總體產生更多數量的硫氧化物作為鍋爐污染物。

正常情況下，需要把循環(huán)流化床鍋爐的內部溫度控制在900℃以內，超出這一標準則會明顯增加污染物排放量[1]。為了控制污染物排放達標，實現超低排放要求，某煤矸石電廠進行了超低排放改造，在引風機系統(tǒng)前增加了脫硫塔，采用福建龍凈環(huán)保股份有限公司循環(huán)流化床脫硫除塵一體化工藝，采用爐外二次脫硫，實現超低排放要求。

1.2 氮氧化物

氮氧化物是循環(huán)流化床鍋爐運行期間因煤粉燃燒產生的含氮氧化物總稱，以一氧化氮為主，占比在93%左右。鍋爐常溫燃煤期間，氮氣在高溫環(huán)境下進行燃燒時持續(xù)產生一氧化氮和二氧化氮，以及少量在瞬間反應時形成的物質。同時，氮氧化物產生量和爐膛燃燒溫度、煤粉實際含氮量、氧氣含量等工藝參數有著密切聯(lián)系。以爐膛燃燒溫度為例，燃燒溫度和氮氧化物排放量成正比，燃燒溫度每提升10℃，則會新增1.5mg/m3左右的氮氧化物排放量，正常工況時把爐膛燃燒溫度控制在900℃以內[2]。循環(huán)流化床鍋爐低負荷時氮氧化物排放量大，調整控制困難，某煤矸石電廠進行了煙氣再循環(huán)改造，實現了循環(huán)流化床鍋爐可調精準送氧，低氮燃燒，使氮氧化物得到了有效的控制。

1.3 粉塵顆粒物

粉塵顆粒物包括飛灰、灰渣等，在循環(huán)流化床鍋爐運行期間，如果使用劣質燃料，爐膛內部無法充分進行燃燒反應，使得燃料持續(xù)產生飛灰，飛灰占比在30%以上，單位體積煙氣飛灰量是常規(guī)煤粉爐的2倍以上。同時，粉塵顆粒物排放情況受到鍋爐爐型、除塵設施種類、燃煤灰分等多項因素影響，執(zhí)行脫硝工藝與脫硫工藝時還會產生額外的次生物，此類次生物最終成為粉塵顆粒物的重要組成部分。

2 循環(huán)流化床鍋爐污染物的排放與控制技術

2.1 除塵技術

除塵技術以減少煙氣顆粒物排放量為應用目標，技術種類包括電除塵、袋式除塵、電袋復合式除塵，工作人員綜合分析燃煤性質、現場運行條件、鍋爐類型、飛灰性質來選擇恰當的除塵技術。

2.1.1 電除塵技術

在帶電條件下，憑借高壓電場作用力使得煙塵顆粒物出現電離現象，由于煙塵顆粒物所帶正負電荷存在差異，驅使顆粒向兩極運動，最終附落在電極位置，后續(xù)采取振打、高壓水沖刷等物理手段，清理電極表面吸附的煙塵顆粒物，使其自然落入灰斗內部，再由工作人員定期清理灰斗，即可把煙塵顆粒物實際排放量控制在較低水準，避免煙塵直接排放而出現揚塵、落塵、霧霾等環(huán)境污染問題。此項技術有著適用范圍廣、裝置結構簡單、易于維護管理、除塵效果不受爐膛燃燒溫度與粉塵濃度等因素明顯影響的優(yōu)勢，平均除塵效率在99.2%以上，可以把鍋爐出口煙塵濃度控制在20mg/m3以內[3]。

同時，電除塵技術具體采取濕式電除塵、移動電極除塵、離線振打三種清灰形式。其中，濕式電除塵是在電極板附落帶電顆粒物后，使用水流沖刷電極板表面灰塵顆粒，以外排廢水或是中水作為補充水，可以額外起到減少三氧化硫與汞化合物的排放控制效果。移動電極除塵是配備移動電極板來預防反電暈現象出現，再使用清灰刷來刷除表面帶電顆粒物，可以預防二次揚塵現象出現，但對除塵器的制造工藝、安裝質量有著嚴格要求。離線振打是由除塵器定期關閉煙氣擋板或是煙氣通道，在切斷電源情況下，持續(xù)振打電極板表面，并通過調節(jié)配風量來穩(wěn)定流場。

2.1.2 袋式除塵技術

袋式除塵技術本質上屬于一類物理過濾技術，在鍋爐周邊配備袋式除塵器，根據顆粒重量來實施多種除塵手段，把重量較大的帶電顆粒物落入灰斗內部，其他細小顆粒經過濾料過濾后再掉入袋內，工作人員定期清理濾口部位堆積物，從而高效去除流體內顆粒污染物。此項技術有著良好環(huán)境適應性，適用于各類發(fā)電廠項目，根據實際除塵需要做好除塵器選型配置工作，以燃料化學成分作為濾料選材依據，以燃料和煙氣化學成分作為濾袋選型依據。根據實際應用情況來看，袋式除塵器可以把有效除塵效率維持在99.5%以上，出口煙塵濃度不超過20mg/m3，配備小口徑濾網時可以把出口煙塵濃度控制在10mg/m3以內。

2.1.3 電袋復合式除塵技術

某煤矸石電廠將原有的電除塵系統(tǒng)改造為由電除塵、袋式除塵兩項技術交織融合形成電袋復合式除塵，除塵系統(tǒng)率先把鍋爐排放的煙塵顆粒通過電極板進行清除，再把剩余灰塵通過布斗進行收集過濾，以此來取得更為理想的凈化排煙效果。正常情況下，配備工藝成熟的一體式電袋復合除塵器，除塵器出口煙氣濃度不超過5mg/m3，有著占地面積小、使用壽命長、過濾阻力低的優(yōu)勢。

2.2 脫硫技術

脫硫技術以控制硫氧化物等污染物實際排放量為應用目標，技術種類包括石灰石-石膏濕法脫硫、煙氣循環(huán)流化床脫硫、氨法脫硫等。各項技術的脫硫效率、運行可靠性、能耗水平存在明顯差異，工作人員需要綜合分析二氧化硫入口濃度、項目所處地域、單機容量、鍋爐型號等因素，挑選最為適宜的脫硫技術。

石灰石-石膏濕法脫硫技術。在鍋爐周邊配備噴淋式吸收塔，在吸收塔內部投加含有石灰石粉末的吸收劑，把鍋爐所排放煙氣吸入吸收塔，控制煙氣和吸收劑相互接觸，從而吸收二氧化硫、氯化氫等酸性氣體，經過化學反應后產生亞硫酸鈣等產物，再把產物強制進行氧化反應，最終獲取具備利用價值的石膏等副產品，把脫硫處理完畢的干凈煙氣經由除霧器向外排放。此項技術有著工藝成熟、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢，平均脫硫效率超過98.5%，脫硫系統(tǒng)由吸收、煙氣、吸收劑制備、石膏脫水儲存等模塊組成，可以根據煙氣進口側條件來動態(tài)調整脫硫系統(tǒng)運行狀態(tài)[4]。

煙氣循環(huán)流化床脫硫技術。某煤矸石電廠改造后的脫硫系統(tǒng)由流化床吸收塔、塔外吸收劑等部分組成，空預器出口煙氣經原有電除塵器除塵后，從底部進入吸收塔，在吸收塔的進口段，高溫煙氣與加入的消石灰、循環(huán)脫硫灰充分預混合，進行初步的脫硫反應；煙氣通過吸收塔下部的文丘里管的加速，進入循環(huán)流化床床體；物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產生激烈的湍動與混合，充分接觸，在上升的過程中，不斷形成絮狀物向下返回，而絮狀物在激烈湍動中又不斷解體重新被氣流提升，使得氣固間的滑落速度高達單顆?；渌俣鹊臄?0倍；吸收塔頂部結構進一步強化了絮狀物的返回，提高了塔內顆粒的床層密度，使得床內的Ca/S比高達50以上，SO2充分反應。

鍋爐所排放煙氣先后經過吸收塔和塔外吸收劑進行循環(huán)處理，在吸收劑和煙氣接觸期間來脫除硫化物，脫硫效率取決于煙氣停留時間、反應溫度、鈣硫比等條件，可以額外配備煙氣清洗模塊來維持吸收塔煙氣負荷穩(wěn)定狀態(tài)。此項技術適用于以中低硫煤作為燃料的循環(huán)流化床鍋爐，把石膏副產物后續(xù)用于制備干粉砂漿、路基材料等用途。

氨法脫硫技術。配備吸收塔，以氨水、氨氣作為吸收劑，控制鍋爐所排煙氣和吸收劑相互接觸，接觸期間與二氧化硫進行化學反應，生成亞硫酸銨、亞硫酸銨和剩余煙氣進行二次反應來生成亞硫酸氫銨，利用反應產物來脫除煙氣所含的二氧化硫等污染物，并把最終產物作為肥料原料，實現回收利用目標。根據實際脫硫情況來看，此項技術的平均脫硫效率超過98%，取決于吸收劑pH值、停留時間、塔內氣流分布等因素，必須定期更換全新吸收劑，或是濾除吸收劑內所含氯、氟等雜質，以及在吸收塔上加裝超聲波團聚器，從而保障脫硫效果、預防氨逃逸問題出現。

2.3 脫硝技術

脫硝技術以控制氮氧化物排放量為應用目標，當前普遍搭配采取源頭治理技術和管道末端治理技術，源頭治理技術以低氮燃燒技術為主，管道末端治理技術包括選擇性催化還原技術、選擇性非催化還原技術，具體如下。

2.3.1 低氮燃燒技術

加裝低氮燃燒系統(tǒng)，配備低氮燃燒器，通過調節(jié)空氣流動方向，在燃燒器出口部位分級送風，把空氣和煤粉相互混合，以此來減少氮氧化物生成量，簡單來講，通過改變氮氧化物生成環(huán)境來減少鍋爐爐膛出口氮氧化物實際排放量。此項技術有著工藝成熟、系統(tǒng)結構簡單的優(yōu)勢，但氮氧化物減排效果會受到燃燒方式、發(fā)電機組容量等因素影響，平均減排率僅為20%～50%，實際減排效果并不理想。工作人員可以采取空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、低氮燃燒器燃料/空氣分級等其他技術，以氮氧化物減排率指標要求、燃料種類、發(fā)電機組容量作為技術選擇依據。

某煤矸石電廠通過改造煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)設置1臺煙氣再循環(huán)風機，將煙氣從引風機出口混合煙道抽取增壓后，經煙氣再循環(huán)管路送往一次風機入口，與新鮮的一次冷風混合后，進入爐膛參與硫化燃燒，降低了爐膛出口煙氣的含氧量，從而抑制了氮氧化物的生成，實現了低氮燃燒，使氮氧化物排放值得到有效控制。

2.3.2 選擇性催化還原技術

以脫硝還原劑作為催化劑，持續(xù)向鍋爐尾部投加催化劑，催化劑和煙氣相互接觸后進行化學反應，把一氧化氮、二氧化氮等有害成分經過化學反應來還原成氮氣、水等無害成分。脫硝系統(tǒng)由還原劑儲存模塊、混合模塊、反應器等部分組成，需要在省煤器和空氣預熱器間隔位置安裝反應器。此項技術的平均脫硫效率超過90%，適用于運行溫度在320～420℃以內的循環(huán)流化床鍋爐。

2.3.3 選擇性非催化還原技術

以氨氣作為還原劑，持續(xù)向煙氣高溫區(qū)域注入還原劑，還原劑和煙氣充分混合，在900～1100℃高溫環(huán)境內進行化學反應，以氮氧化合物作為反應產物。此項技術有著無需額外使用催化劑、脫硝成本低廉的優(yōu)勢，但對環(huán)境溫度條件有著嚴格要求，且平均脫硝效率較低，僅為35%～40%。

2.4 多污染物協(xié)同脫除技術

多污染物協(xié)同脫除技術也被稱為超低排放技術，強調對循環(huán)流化床鍋爐運行期間產生的全部種類污染物進行統(tǒng)一消除，把污染物實際排放濃度控制在《電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）等現行規(guī)范排放限值以內。正常情況下，采取干法脫硫除塵一體化技術，使用脫硝溶液，持續(xù)把一氧化氮轉換為二氧化氮，二氧化氮、二氧化硫和吸收劑內氫氧化鈣成分進行化學反應，以此來去除大氣污染物和重金屬污染物，此項工藝有著造價成本低廉、脫硝脫氮效率高、工況適應能力強、無二次污染與廢水排放的優(yōu)勢，平均脫氮效率在95%以上，平均脫硝效率在68%以上。

此外，也可采取半干法聯(lián)合脫硫脫硝脫汞技術，把一氧化氮經過氧化處理后轉換為二氧化氮，二氧化氮、二氧化硫溶于水后與堿性吸收劑進行反應，實現脫硫脫硝目標，并使用脫硫除塵裝置來脫除顆粒態(tài)汞成分，保持脫硫功能、脫硝脫汞功能獨立使用狀態(tài)[5]。