大型循環(huán)流化床鍋爐超低排放技術(shù)應(yīng)用分析

中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司 曾慶明

隨著環(huán)保要求的不斷提升，傳統(tǒng)的CFB 鍋爐技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)和改進(jìn)需求，急需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用升級(jí)以滿足更為嚴(yán)格的超低排放要求，推動(dòng)清潔能源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

以某廠為例，其近期完成了大型循環(huán)流化床鍋爐的超低排放改造項(xiàng)目，該項(xiàng)目是對(duì)現(xiàn)有的2×300MW 級(jí)別的CFB 鍋爐進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，為該鍋爐設(shè)計(jì)專門的超低排放系統(tǒng)，具體系統(tǒng)組成包括低碳燃燒配風(fēng)系統(tǒng)、SNCR 尿素噴射脫硝系統(tǒng)、爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)、循環(huán)流化半干法脫硝系統(tǒng)，以滿足最新的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。

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(guò)采用優(yōu)化的氧化劑分配技術(shù)，在爐內(nèi)安裝的低NOx 燃燒器以及引入SO2減排和飛灰控制技術(shù)，改造后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。此外工程的整體投資約為1.6億元，預(yù)計(jì)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(xiàng)目不僅顯著改善了當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量，還提高了CFB 鍋爐的運(yùn)行效率，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益獲得雙豐收。

1 超低排放系統(tǒng)組成分析

1.1 低碳燃燒配風(fēng)系統(tǒng)

低碳燃燒配風(fēng)系統(tǒng)需要優(yōu)化燃燒空氣的分配和利用實(shí)現(xiàn)燃料的充分燃燒，從而減少污染物的產(chǎn)生，該系統(tǒng)主要依靠對(duì)鍋爐燃燒空氣的精確控制與調(diào)節(jié)，以達(dá)到降低氮氧化物（NOx）排放的目的，以本次項(xiàng)目為例，低碳燃燒配風(fēng)系統(tǒng)通常包含兩個(gè)核心部件，分別為分級(jí)燃燒技術(shù)與風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)。分級(jí)燃燒技術(shù)將燃燒空氣分為主要燃燒空氣和過(guò)?？諝?，其中主要燃燒空氣用于維持穩(wěn)定的火焰和高效的燃燒過(guò)程，而過(guò)?？諝鈩t負(fù)責(zé)進(jìn)一步完善燃燒，確保燃料充分燃燒，同時(shí)最大限度地減少NOx 的生成；風(fēng)量調(diào)節(jié)技術(shù)則更側(cè)重于通過(guò)先進(jìn)的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并精確調(diào)整燃燒所需的空氣量，保證最佳的空燃比，以實(shí)現(xiàn)燃料的充分燃燒，同時(shí)也能有效減少不完全燃燒導(dǎo)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(tǒng)

尿素噴射脫硝系統(tǒng)系統(tǒng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將NOx 還原為氮?dú)猓∟2）和水蒸氣（H2O），從而達(dá)到減少氮氧化物排放量的目的，以本次項(xiàng)目為例，具體設(shè)計(jì)參數(shù)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(duì)較低、設(shè)備復(fù)雜度低、二次污染風(fēng)險(xiǎn)中等。

該系統(tǒng)還可利用控制噴射系統(tǒng)精確注入適量的還原劑到鍋爐的高溫區(qū)域，可有效避免過(guò)量還原劑帶來(lái)的二次污染問(wèn)題，噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)整對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳脫硝效率至關(guān)重要，需考慮到鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)、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(yīng)。該系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資成本較低、維護(hù)操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，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(shù)時(shí)，需綜合考慮鍋爐的具體條件和排放要求，以及可能的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益[2]。

1.3 爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要針對(duì)煙氣中的SO2進(jìn)行脫除處理，主要工作原理是在鍋爐爐內(nèi)通過(guò)噴射石灰石粉末或其他含鈣材料，在本次項(xiàng)目所用的系統(tǒng)中，與煙氣中的SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后會(huì)然后生成硫酸鈣等固態(tài)產(chǎn)物，從而達(dá)到脫硫的目的。爐內(nèi)噴鈣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮石灰石的粒度、噴射位置和噴射量等關(guān)鍵參數(shù)，這些因素都直接影響脫硫效率，優(yōu)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(shí)間和混合程度以提高反應(yīng)效率，適宜的噴射量保證了有足夠的脫硫劑參與反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更高的脫硫率，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：石灰石粒250～400μm、噴射位置在爐膛上部或近燃燒區(qū)、噴射量濃度調(diào)整為SO2濃度的1.5～2.0倍化學(xué)當(dāng)量、爐溫850℃～900℃、脫硫效率≥95%。

爐內(nèi)噴鈣脫硫的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資成本較低，且由于爐溫高脫硫反應(yīng)速率快，可以實(shí)現(xiàn)高效脫硫，并且反應(yīng)產(chǎn)物可作為工業(yè)或建材領(lǐng)域的原料二次利用，減少?gòu)U物的排放。此外為了達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，CFB 鍋爐的爐內(nèi)噴鈣脫硫系統(tǒng)通常與低氮燃燒技術(shù)、精細(xì)控制飛灰排放的除塵設(shè)備等一起構(gòu)成綜合脫硝脫硫系統(tǒng)，保證污染物排放達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家的環(huán)保要求。

1.4 循環(huán)流化半干法脫硝系統(tǒng)

循環(huán)流化半干法脫硝系統(tǒng)主要目的是顯著降低NOx 的排放量，該系統(tǒng)通過(guò)將脫硝劑注入燃燒過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高效的NOx 減排，而在CFB 鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中燃料與空氣充分混合燃燒，產(chǎn)生的高溫氣體中含有NOx，循環(huán)流化半干法脫硝系統(tǒng)工作時(shí)利用一個(gè)特制的噴射裝置在鍋爐的高溫區(qū)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)，促使NOx 還原轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退魵?，這一過(guò)程不僅能夠有效降低NOx 的排放，同時(shí)由于其操作在半干態(tài)下進(jìn)行，避免了濕法處理帶來(lái)的二次污染問(wèn)題。

2 大型循環(huán)流化床鍋爐超低排放技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 NOx 減排技術(shù)

2.1.1 選擇性催化還原（SCR）技術(shù)

該技術(shù)核心是在高效催化劑的作用下，使用還原劑與NOx 發(fā)生選擇性化學(xué)反應(yīng)，然后在250～400℃的溫度范圍內(nèi)將NOx 直接還原成氮?dú)庖约八魵猓瑥亩鴮?shí)現(xiàn)有效的脫硝，而在具體設(shè)計(jì)原理方面，需加入一些相關(guān)計(jì)算進(jìn)一步提高應(yīng)用效率，比如在NOx 減排量計(jì)算方面應(yīng)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(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，將系統(tǒng)位于鍋爐的煙氣出口和空預(yù)器之間，確保煙氣能夠適宜溫度，以鋁鈦復(fù)合氧化物為常用催化劑，該催化劑能在較寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)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(jìn)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(shù)

SNCR 通過(guò)向鍋爐燃燒區(qū)域注入還原劑，通常是氨水（NH3）或尿素溶液，實(shí)現(xiàn)在高溫下（通常在900℃至1050℃之間）直接與NOx 反應(yīng)，將其還原為氮?dú)猓∟2）和水蒸氣（H2O），從而降低NOx 的排放量，具體應(yīng)用過(guò)程需根據(jù)NOx 還原效率計(jì)算公式進(jìn)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(shí)，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(yīng)溫度范圍內(nèi)充分與NOx 發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)控制噴射量也至關(guān)重要，過(guò)量的還原劑不僅浪費(fèi)還可能導(dǎo)致氨逃逸問(wèn)題，而不足則無(wú)法達(dá)到預(yù)期的降低NOx 排放的效果，因此精確的控制系統(tǒng)和反饋機(jī)制對(duì)于調(diào)整噴射量，保證SNCR 技術(shù)的效率和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。

2.2 SO2減排技術(shù)

2.2.1 干法脫硝

該技術(shù)具體操作時(shí)還原劑被以液態(tài)或氣態(tài)形式通過(guò)專門設(shè)計(jì)的噴嘴均勻噴入到鍋爐的高溫區(qū)域，在該溫度下還原劑能迅速分解產(chǎn)生活性基團(tuán)，與NOx 發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?，從而?shí)現(xiàn)脫硝，同時(shí)選取合適的噴射位置和保證足夠的反應(yīng)時(shí)間是實(shí)現(xiàn)高效脫硝的關(guān)鍵，過(guò)低的溫度會(huì)導(dǎo)致還原劑分解不完全，影響脫硝效率，而溫度過(guò)高則可能增加N2O 的生成量，不利于環(huán)境保護(hù)[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(guò)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成干燥的硫酸鹽粉末，從而達(dá)到脫硫的目的，這一過(guò)程發(fā)生在專門設(shè)計(jì)的反應(yīng)塔內(nèi)，脫硫劑與SO2的接觸充分，脫硫效率可達(dá)85%以上。例如采用直徑為120μm 的噴霧粒子，相較于傳統(tǒng)的200μm 粒子可將脫硫效率從原來(lái)的85%提升到90%以上，此外通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)塔設(shè)計(jì)，如增加反應(yīng)區(qū)高度可進(jìn)一步提升脫硫效率。

濕法脫硫（WFGD）技術(shù)是目前應(yīng)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(yīng)，生成不溶于水的CaSO3并進(jìn)一步氧化成CaSO4（石膏），此過(guò)程中需要添加適量的氧化劑（如空氣）以促進(jìn)反應(yīng)的完全進(jìn)行，濕法脫硫裝置通常包括吸收塔、石灰石制備和供給系統(tǒng)、石膏脫水及處理系統(tǒng)等，該方法的脫硫效率極高，可達(dá)95%以上，且產(chǎn)生的石膏可以作為建筑材料的原料，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，然而濕法脫硫的缺點(diǎn)是設(shè)備投資和運(yùn)行成本相對(duì)較高，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，需要進(jìn)一步處理才能排放。該兩種方法在選擇的過(guò)程中，一定要對(duì)其進(jìn)行技術(shù)對(duì)比，根據(jù)不同特性進(jìn)行選擇，兩者技術(shù)具體對(duì)比內(nèi)容如表1所示。

表1 半干法與濕法脫硝技術(shù)對(duì)比表

2.3 飛灰控制技術(shù)

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(qiáng)大的電場(chǎng)，當(dāng)含塵煙氣通過(guò)電場(chǎng)時(shí)，飛灰顆粒在放電極周圍被電離區(qū)的高能電子轟擊而帶電，正負(fù)帶電的粉塵顆粒分別向相反電性的極板移動(dòng)，并被捕集到收集極上。隨著時(shí)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(jīng)由底部的卸灰系統(tǒng)排出，從而實(shí)現(xiàn)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(guò)濾效率，CFB 鍋爐煙氣經(jīng)過(guò)冷卻和預(yù)處理后才引入布袋除塵器，在運(yùn)行過(guò)程中含塵煙氣通過(guò)濾袋，粉塵被濾袋表面攔截，凈化后的氣體通過(guò)濾袋內(nèi)部排出，隨著操作時(shí)間延長(zhǎng)濾袋表面積聚的粉塵會(huì)增加，導(dǎo)致阻力上升，為保證系統(tǒng)正常工作和高效除塵，需定期對(duì)濾袋進(jìn)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(fēng)。脈沖噴吹是通過(guò)壓縮空氣的快速膨脹形成強(qiáng)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(fēng)則是向?yàn)V袋內(nèi)部吹入一定壓力的空氣或惰性氣體，從內(nèi)而外對(duì)濾袋進(jìn)行反向清潔，也能有效地去除粉塵，這兩種清灰方式各有優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)備配置靈活選擇[6]。

綜上所述，通過(guò)對(duì)大型循環(huán)流化床鍋爐超低排放技術(shù)的有效應(yīng)用后，能夠進(jìn)一步提高脫離效率，同時(shí)確保在額定負(fù)荷狀態(tài)下使系統(tǒng)脫硫效率以及脫硝效率得到改善，同時(shí)確保該系統(tǒng)運(yùn)行成本得到有效節(jié)約，為此需要不斷提高重視，強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用，確保行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。