循環(huán)流化床鍋爐煙氣超低排放改造分析

柯芳標

（中國石油化工股份有限公司茂名分公司，廣東茂名 525000）

針對化石能源，在礦物燃料燃燒過程中，會排放大量的污染物。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查，我國每年有75%的SO2排入大氣之中，其中有55%粉塵、65%的NOx來源于煤炭直接燃燒。所以，合理和文明用能，優(yōu)化清潔煤燃燒技術(shù)，優(yōu)化低污染和高效化技術(shù)，減少SO2和NOx排放量，是大氣保護的重要研究課題。本工作立足循環(huán)流化床鍋爐較低，探討煙氣超低排放改造的相關(guān)工藝。

1 循環(huán)流化床鍋爐的工藝流程

1.1 燃燒儲存和燃燒

煤炭燃料，在進入廠內(nèi)過磅后，卸到煤棚堆放，石油焦燃料，通過皮帶輸送到煤棚，然后煤炭與石油焦經(jīng)過混合攪拌，沿著燃料輸送裝置送入鍋爐爐前燃燒倉，通過爐前給煤機輸送至鍋爐進行燃燒。

1.2 煙氣處理與凈化

燃料燃燒會產(chǎn)生有害氣體與物質(zhì)，如煙塵、酸性氣體或重金屬物質(zhì)等，如何實現(xiàn)污染物的無害化、清潔化處理，避免對環(huán)境造成二次污染，是鍋爐燃燒的重點研究課題。利用煙氣凈化基礎(chǔ)，如袋式除塵器、濕式反應塔或干式反應塔技術(shù)，可有效去除酸性氣體。

1.3 爐渣、爐灰處理

針對鍋爐燃燒，燃料在經(jīng)過燃燒之后，一般會產(chǎn)生大量爐渣，約占據(jù)20%重量。對爐渣進行加工處理，可制作成磚、道路施工材料。對于爐灰，可利用布袋除塵器回收如圖1所示。

圖1 鍋爐燃燒工藝技術(shù)流程

2 燃煤鍋爐的NOx的作用機理

在煤燃燒階段，所產(chǎn)生NOx成分主要為二氧化氮、NO，兩者共同組成NOx，還包含少量氧化二氮。而NOx排放量、生成量，和煤炭燃燒方式直接相關(guān)，尤其是空氣過量系數(shù)、燃燒溫度相關(guān)。為此，處于煤燃燒階段，NOx的途徑主要如下：

2.1 熱力型NOx

這種類型NOx，是處于高溫下，在空氣產(chǎn)生氮氣，占據(jù)20%。

2.2 燃燒型NOx

在燃料成分中，包含氮化物。處于燃燒階段，因熱分解以及氧化作用，進而產(chǎn)生燃燒性NOx。同時，處于燃燒階段，某些含氮有機化合物，因為揮發(fā)作用進行熱裂解，進而產(chǎn)生CN、N 等產(chǎn)物。在氧化之后，逐漸產(chǎn)生NOx。此外，在部分焦炭之中，剩余氮氣因燃燒氧化，生成NOx。所以，燃燒型NOx會劃分為焦炭NOx以及NOx。

根據(jù)相關(guān)實驗表明，處于燃燒狀態(tài)下，在燃煤鍋爐之中，僅有22%燃燒氮氣被轉(zhuǎn)化成NOx。同時，加上空氣量影響，并通過空氣系數(shù)表示，在燃燒階段，其空氣量值，主要指化學當量比之下，過量空氣系數(shù)值定義為1，如果大于1，則表示空氣過量。如果小于1，則表示空氣量不足。若過量空氣系數(shù)低于1，則燃燒型NOx值基本為零，并隨著過量空氣系數(shù)值的增加，NOx值隨之增加，對于開發(fā)燃燒型NOx具有重要保障。

2.3 快速性NOx

在燃燒階段，燃料、氮氣成分的碳氫離子團，產(chǎn)生CH 反應，就會產(chǎn)生NOx。處于循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)，氮氣燃燒就會逐漸氮化，繼而產(chǎn)生NOx。同時，因還原性反應，NOx就會逐漸還原為N2。所以，對于還原反應以及氧化反應，對NOx濃度都會有影響。

3 低氮燃燒的改造工藝

3.1 擴大二次風的噴口，減少密集區(qū)的氮氣含量

處于密集區(qū)位置，當燃料顆粒進入到爐膛之后，便開始升溫著火。提高二次風噴口的位置之后，能夠減少密集區(qū)的含氧量。同時，降低一次風比例，確保密集區(qū)處于還原性狀態(tài)。當減少過量空氣系數(shù)值后，對NOx有著良好抑制作用。對于未完全燃燒燃料，運輸?shù)较∠鄥^(qū)之后，對二次風氧量進行補充，即可繼續(xù)燃燒，在降低位置溫度之后，也能夠限制NOx的產(chǎn)生。

3.2 提升分離器效率

根據(jù)相關(guān)實驗顯示，針對循環(huán)流化床的鍋爐燃燒，其粒徑大小，對NOx產(chǎn)生有著直接影響。如果顆粒較細，能夠提升爐膛的傳熱效果，確保爐膛內(nèi)燃燒熱量能夠平均分配，促使爐膛溫度處于均勻分配狀態(tài)，防止密集區(qū)發(fā)生局部超溫問題。同時，物料越細，燃燒速率越高，可加速氧氣的消耗量，促進一氧化碳生成，進而增加碳粒表面的還原性，對NOx生成有著良好抑制效果。如果細顆粒的表面體積較大，則焦炭對NOx有著較好的還原性能。所以，對于循環(huán)流化床鍋爐，開展改造分離，可有效提升分離效率，提高返料量。如果物料中的細顆粒較多，也能夠增加循環(huán)灰濃度，對NOx產(chǎn)生有著抑制效果。

3.3 煙氣再循環(huán)技術(shù)

針對引風機的出口煙氣，經(jīng)過風機，將其引入到爐膛的密集區(qū)，因煙氣含氧量不夠，在經(jīng)過電除塵之后，可減少粉塵濃度。當進入到爐膛之后，可減少含氧濃度，對NOx產(chǎn)生進行抑制。此外，可有效補充一次風量。針對流換熱區(qū)域，由于煙氣含量較少，可減弱流換熱。當再循環(huán)煙氣進入至密集區(qū)，對于燃燒顆粒，可提升其擾動作用，有利于提升一次燃燒速率。同時，當煙氣進入到爐膛之后，對其風量、流速以及壓力，按照鍋爐燃燒工況，再進行科學設計，能夠適應不同的負荷狀態(tài)，滿足不同工況條件下的煙氣量。在設計過程中，需精確選擇再循環(huán)風機的機型，然后合理設計調(diào)節(jié)擋板，以有效提升再循環(huán)煙氣量。

可以說，經(jīng)過上述改造工藝，可促進NOx排放量的減少。此外，運用尾部脫銷工藝，可促使煙氣排放達到國家規(guī)定的超低排放要求。在改造之后，可減少脫硝劑使用量，進而減少環(huán)保成本。

4 實例分析

4.1 概況

在某電廠熱電車間，有1臺循環(huán)流化床鍋爐，速率為310t/h。有兩臺速率為410t/h 鍋爐。其中310t/h 鍋爐通過非催化還原法、脫硝技術(shù)，可滿足鍋爐大氣排放的相關(guān)標準，二氧化硫的質(zhì)量濃度，小于200mg/m3，煙塵濃度小于30mg/m3，氮氧化物濃度小于200g/m3。同時，310t/h 鍋爐通過脫硝技術(shù)和煙氣脫硫技術(shù)，也可達到如上標準。為進一步優(yōu)化煙氣排放，對鍋爐進行優(yōu)化改造。

4.2 改造方法

對于循環(huán)流化床鍋爐，選擇多種污染物的脫硝技術(shù)，確保大氣污染物排放，滿足國家規(guī)定的超低排放限值。在新建燃煤機組上，滿足燃氣輪機的排放限值，煙氣濃度小于10mg/m3，氮氧化物濃度小于50mg/m3，二氧化硫濃度小于35mg/m3。為促進余熱回收的節(jié)能效果，通過開放回路改造以及閉合式回路改造方式。針對煙氣余熱回收，在熱水系統(tǒng)中運用，設置水溫為50℃，極易引起低溫腐蝕。而通過閉合式循環(huán)設計方式，將循環(huán)水泵安裝在回路之中，可有效解決低溫腐蝕現(xiàn)象。同時，針對煙氣余熱回收系統(tǒng)，使其連接熱網(wǎng)板式換熱器，可保證水溫達到70℃，進而建立開放式熱水循環(huán)系統(tǒng)，并加裝調(diào)節(jié)閥門之后，對熱水使用狀況進行調(diào)節(jié)。

4.2.1 氮氧化物

針對流化床鍋爐的煙氣排放，為確保氮氧化物濃度小于50mg/m3，可實施脫硝改造，煙氣脫硝技術(shù)中主要是應用選擇性非催化還原法與選擇性催化還原法。前者主要是通過將稀釋后的脫硝溶劑噴入塔內(nèi)然后將環(huán)境溫度控制在800～1 100℃，促使氮氧化物還原成氮氣與水，脫硝率在50%～60%，一般采用工業(yè)尿素或氨水作為還原劑[5]。該技術(shù)的脫硝率高且還原劑容易獲取，無二次污染的優(yōu)點，具有經(jīng)濟效益高且操作簡單的優(yōu)勢，對鍋爐運行無明顯影響，因此改造之后不會影響鍋爐運行。催化還原法主要是在催化劑的作用下，將環(huán)境溫度控制在320～340℃，使氮氧化物與氨氣混合產(chǎn)生還原反應，從而生成氮氣、氫氣與氧氣，脫硝率在70%左右，但是總體的投資和運營成本較高，且改造之后會影響鍋爐原有結(jié)構(gòu)。結(jié)合實際情況，選擇了非催化還原技術(shù)。

4.2.2 二氧化硫

在煙氣排放控制中，為保證二氧化硫濃度小于35mg/m3，可優(yōu)化改造脫硫塔。在脫硫塔設計中，可選擇復合塔構(gòu)造。在塔內(nèi)設計二氧化硫吸收區(qū)以及煙氣洗滌區(qū)。同時，設計氨氣逃逸、煙氣降溫以及顆粒物逃逸控制區(qū)域。對于不同功能區(qū)，可采取塔盤分隔方式。針對煙氣降溫區(qū)、洗滌區(qū)，可設計五層噴淋層，二氧化硫吸收區(qū)可設計三層，在每一個噴淋層中設計一臺獨立泵。針對二氧化硫的吸收區(qū)空塔，應嚴格控制煙氣流速，保證小于3.5m/s。針對塔本體的進出口壓力，應控制小于1 800Pa。針對吸收區(qū)的上部，可設置高效除霧和水洗裝置，對氮氣逃逸、顆粒物逃逸進行控制。同時，在鍋爐投油燃燒過程中，燃燒形成油灰、油污，即部分未燃的碳氫化合物，進入到吸收塔系統(tǒng)，會對脫硫系統(tǒng)造成影響。針對吸收塔頂部，應設計三級除霧器。

4.2.3 煙塵處理

為優(yōu)化煙氣低排放，保證煙塵濃度小于10mg/m3，可優(yōu)化改造脫硫塔。針對電除塵器，結(jié)合電袋除塵器的使用，可在脫硫塔內(nèi)增加PULS 層，增加洗滌漿液的覆蓋面，增加漿液和煙氣的接觸面積及時間，提升煙塵的脫出效果。

4.3 改造效果

針對流化床鍋爐的改造升級，針對每條支線的松動，需保證氣體的適量供應，防止料循環(huán)出現(xiàn)異常。按照改造結(jié)果分析：流化床鍋爐經(jīng)過改造升級后，煙氣中所包含的煙塵、氮氧化物以及SO2，均實現(xiàn)大幅度的減少排放，滿足超低排放標準，如表1所示。

表1 循環(huán)流化床鍋爐的改造升級前后的效果對比

5 建議和前景

循環(huán)流化床鍋爐，是立足循環(huán)流態(tài)化力量，組織正常燃料的燃燒過程，對高溫固體進行循環(huán)燃燒。在鍋爐系統(tǒng)中，固體顆粒充滿爐膛，是一種懸浮、摻混的燃燒方式。同時，在燃燒經(jīng)過破碎機擊碎之后，在循環(huán)流化床鍋爐中進行充分燃燒，通過分離器導出高溫煙氣，在對流受熱面、尾部煙道換熱之后，通過除塵器經(jīng)過煙囪排出。為此，對于循環(huán)流化床鍋爐的使用，應通過袋式除塵、濕法脫硫以及脫硝技術(shù)，可滿足環(huán)保標準，對煙氣排放進行有效控制。

同時，國家大力提倡節(jié)能環(huán)保，對于正常燃料的焚燒，也出臺了相關(guān)處理標準，在煤炭、其他燃料等資源燃燒中，需進一步加大煙氣處理工藝的技術(shù)改造，在提升燃燒效率的同時，降低污染物排放，達到保護環(huán)境的目的。

現(xiàn)階段，煙氣排放已成為污染防止的重點研究課題，根據(jù)煙氣處理、燃燒技術(shù)要求，以達到煙氣低排放標準。在煙氣處理過程中，按照煙氣處理設備，對可能發(fā)生的環(huán)境因素進行科學分析，積極探索設備改造方案，促進污染物排放的有效控制，進而提高能源利用率，促進資源的有效回收。

6 結(jié)束語

上述幾種改造方式在實踐中得到有效驗證，煙氣中氮氧化物減排效果十分顯著。近年來，隨著環(huán)保壓力日益增大，為滿足環(huán)保標準和要求，企業(yè)必須投入更多資金，加強污染防止，降低污染物的排放量，不然會承擔更高的經(jīng)濟處罰。

針對循環(huán)流化鍋爐，通過改造鍋爐本身，即可促進氮氧化物的超低排放，在滿足環(huán)保要求的同時，從源頭開始治理污染，與尾氣專門治理方案相比，在治理過程中，可節(jié)省消耗品和各類材料投入，進而降低鍋爐運行成本，提升鍋爐燃燒效率，促進經(jīng)濟性的提升。

所以，對于循環(huán)流化床鍋爐，使用超低排放的改造技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，環(huán)保改造方案也得到了效果實踐。需進一步加強鍋爐燃燒技術(shù)、污染物防治技術(shù)的優(yōu)化和創(chuàng)新，以進一步提升“低排放”標準，提升環(huán)保效果。