降低循环流化床锅炉排放技术研究

洪卫林

（黄陵矿业煤矸石发电有限公司，陕西 黄陵 727307）

降低循环流化床锅炉排放技术研究

洪卫林

（黄陵矿业煤矸石发电有限公司，陕西 黄陵 727307）

目前，煤炭仍然是我国最重要的一次能源，由煤炭燃烧所引起的环境污染问题却日益凸显。循环流化床锅炉是一种将固体燃料转变为类似流体状态下燃烧，再使用燃烧产生的热能产生蒸汽的设备，具有脱硫效率优、燃烧效率高、适应性广、易于控制污染、投资成本低等优点，已在我国工业企业中获得广泛应用。本文首先介绍了循环流化床锅炉的结构和工作原理，然后分析了其污染物排放形成机理，并提出了降低污染物排放的技术措施。

煤炭；循环流化床锅炉；排放形成机理；减排技术

1 循环流化床锅炉的结构和工作原理

循环流化床锅炉一般是单锅筒式结构，锅炉主体包括前部和尾部两个竖井，前部竖井自上而下依次分为悬浮段、浓相床和一次风室，前部竖井一般使用敖管炉墙，周边设置膜式水冷壁，外侧设置金属护板，尾部竖井自上而下依次设置高温过热器、低温过热器、省煤器及管式空气预热器，尾部竖井常使用轻型炉墙，其中设置多根钢柱起支承作用，前部竖井和尾部竖井之间使用旋风分离器相连通，分离器下部设置回送装置，分离器和燃烧室内部还设有防磨内衬，防磨床内衬使用焊鳍片、焊销钉敷耐磨材料制造[1]。

循环流化床锅炉运行时，根据炉内运动物料性质的不同，其运行系统可以分为燃料循环系统和蒸汽生成系统。燃料循环系统由炉膛、分离器、固体物料再循环设备等组成，炉膛的底部和侧面均设有通风孔，燃烧所产生的热量大部分随着烟气进入分离器,分离器将烟气中的固体燃料分离出来，经过料斗、料腿、返料阀后再返回炉膛燃烧，经过分离后的烟气则通过尾部烟道排出。蒸汽生成系统由对流烟道、过热器、省煤器和空气预热器等组成，来自于锅炉的水首先经过省煤器加热后进入汽包，汽包内的饱和水经集中下降管、分配管进入水冷壁下集箱，加热蒸发后的饱和水经过水冷壁上集箱返回汽包形成饱和蒸汽，然后，饱和蒸汽通过顶棚管、后包墙管进入低温过热器内，使饱和蒸汽加热至额定蒸汽温度，最后，经过汇汽集箱输出至主气管道。

2 循环流化床锅炉燃烧的特点

2.1 适应多种燃料

循环流化床锅炉几乎可以使用一切类型的燃料，如泥煤、褐煤、无烟煤、贫煤、石煤、木屑、炉渣、煤矸石、石油焦、油页岩以及各种工农业垃圾等。这些燃料的重量在整个循环床料中仅占2%～6%，其余的则是脱硫剂、灰渣等不可燃烧的固体颗粒，燃料颗粒燃烧所释放的热量使床层保持足够的温度，确保所有物质均能达到着火点，使炉内各种类型的燃料均能高效燃烧。

2.2 燃烧效率高

循环流化床锅炉运行时，燃料同床料在密闭的回路中进行多次循环燃烧，使燃料具有足够的燃烧时间。燃料循环过程中，燃料颗粒之间相互碰撞粉碎成更加细小的颗粒，促使燃料充分燃尽，释放出巨大的热量，也使燃烧中产生的飞灰中的含碳量降低至1%。循环流化床锅炉的燃烧效率通常可达95%，充分燃烧后产生的灰渣还可作为建筑材料使用[2]。

2.3 热量、质量和动量传递效率高

在循环流化床锅炉中，大量的固体物料在强烈湍流下通过炉膛，在不同的燃烧工况下，通过调节燃料的循环量即可改变炉内物料的分布规律，改善炉内热量、质量和动量的传递效率，使整个炉膛的温度分布较均匀，达到调节输出负荷的目的。通常循环流化床锅炉的负荷调节范围为30%～110%，每分钟可调节负荷约为4%，负荷调节速度快，满足了调峰机组的需求。

2.4 脱硫效率高

循环流化床锅炉内燃烧温度一般是850℃～950℃，低于通常煤的灰熔点，属于低温燃烧，脱硫反应的最佳温度是825℃～850℃。向炉内加入脱硫剂，有利于降低NOx的排放，循环流化床锅炉的NOx排放范围一般为50～150 ppm。在燃烧过程中，床料中的物料均经过多次的循环脱硫反应，因而具有很高的脱硫效率。

2.5 炉膛热负荷高

循环流化床锅炉炉膛单位截面积的热负荷约为3～6 MW/m2，炉膛容积热负荷为1.5～2 MW/m3，在同等条件下，它们分别是普通锅炉的数倍。炉膛热负荷参数越高，表明循环流化床锅炉的燃烧效率越高，有利于减少炉膛体积，减少给煤点数量，使给煤系统大大简化。

3 影响循环流化床锅炉污染物排放的因素

循环流化床锅炉排放的污染物主要有S02、NOx和N2O等，这些污染物主要来源于空气中的氮气，燃料中的硫、氮以及碳氢等化合物，影响这些污染物生成的本质因素是炉内氧化、还原反应的条件。

3.1 燃料特性的影响

燃料中的氮、硫等在高温条件下氧化生成S02、NOx和N2O，这是循环流化床锅炉污染物生成的主要形式，污染物约占总数的60%～80%。因此，燃料中硫、氮的含量越高，相应的氮氧化合物排放量也越高，燃料中氮多数以胺、芳香环等形态存在于褐煤、页岩、烟煤、无烟煤等燃料中。此外，燃料中氧、氢、碳、氮含量之间的比例对污染物排放量的影响很大。O/N比越大，NOx排放量较高；H/C比越高，则NO越难于被还原，故NOx排放量也越高；S/N比越大，则会使SO2排放量较高，而NOx排放量越低。

3.2 燃料粒径的影响

燃料的粒径越小，其燃烧升温速率越快，燃料粒子燃烧速度越快，在短时间内即燃尽，使燃料中的氮、硫等越容易氧化，NO含量增加。但是，当燃料的粒度减小到某一极限值时，燃烧效率虽然大幅提高，却会造成富余燃料燃烧状态，使炉内形成以CO气体为主的还原气氛，NOx被分解还原，并使部分NO还原为 N2。

3.3 过量空气系数的影响

过量空气影响炉内含氧量的高低和炉内燃烧效率。当过量空气系数较小时，由于炉内局部缺氧，炉内还原气氛得到加强，CO浓度增加，延迟了SO2的形成，使H2S含量增加，其中部分又氧化为SO2；当过量空气系数较大时，炉内含氧量增加，燃烧效率提高，加快了氮、硫的析出速度，NOx和SO2含量增加。

3.4 燃烧温度的影响

燃烧温度较高，加快了燃料的热解、氧化反应，增加了氮、硫的活性，使氮、硫在高温下快速析出并氧化生成SO2、NOx等化合物。燃烧温度较大还会使脱硫效率降低，研究表明，燃烧温度为785℃时脱硫效率最高。这是由于CaO内部的小晶粒逐渐融合形成大晶粒，CaO比表面积减少，致使脱硫效率降低；当燃烧温度超过1 000℃后，CaSO4被分解出SO2，增加了SO2的浓度。

3.5 脱硫剂的影响

以石灰石作为脱硫剂时，石灰石颗粒在流化床内首先发生煅烧吸热反应生成CaO和CO2，然后CaO吸收床内释放的SO2，进行固硫反应，从而降低SO2的排放量，但是，CaO既是氮的氧化反应的催化剂，也是CO、H2还原NO的催化剂，一般地，CaO对NOx的生成起的作用较大，当石灰石中Ca/S增大时，NOx排放量显著增加，加热后的石灰石会使SO2浓度降低，从而减少NOx向N2O的转化过程，致使N2O减少、NOx增加[3]。

3.6 一次风率的影响

一次风率的额定值一般为55%，这时NOx的排放量为87～169 ppm。若一次风率较大，则二次风率相应降低，二次风口以下区域的温度水平和氧浓度水平提高，炉内氧化气氛增强，使NOx的生成量增加。研究表明，将一次风率从40%增加至80%时，NOx的排放量增加了250 ppm。

4 降低循环流化床锅炉污染物排放的措施

4.1 使用适宜的床温并采用较低的空气过量系数

较低的床温有利于降低NOx的排放量和脱硫，却使N2O的排放量上升；使用较小的过量空气系数，有利于减少NO和N2O的排放量，但使燃烧效率降低，CO排放量增加。若同时提高床温和降低过量空气系数，则又会使SO2排放量增加，为了解决这个问题，可使用适当粒径的脱硫剂，以增加承载脱硫反应的比表面积，减弱脱硫反应对温度的敏感性和对NOX的刺激增长作用，一般地，床温优选为850～900℃较为适宜，脱硫剂优选粒径为150～300 mm的石灰石即可。

4.2 使用选择性还原剂脱氮

这种方法的原理是在流化床锅炉内特定区域有选择性地加入还原剂，以使NOx或N2O的含量降低的方法，例如，在分离器区域或悬浮段注入液胺、尿素或在床料中加入金属铁等。这种方法操作十分简便，但需要注意的是要考虑还原反应的温度，例如，尿素的反应温度是890℃，液胺的反应温度只有810℃，铁的反应温度为1 200℃。

4.3 分段燃烧法

这种方法通过降低密相床中O2的含量来降低NOx的排放量，但同时也使燃烧效率和脱硫效率降低，对SO2和N2O排放量的影响不大。使用这种方法时，需要注意控制一次风率和二次风率的配比关系，使NOx的排放量达到最低水平。实际上，常取一次风率与二次风率之比为3:1，可基本满足需求，此外，二次风注入位置应设于密相区的上方且距布风板约1.5～3 m处[4]。

4.4 二次燃烧法

二次燃烧法也被称为再燃烧法、二次燃料注射法等，其原理是在分离器的进出口处设置若干个喷嘴向炉内喷射可燃物质，使可燃物质在燃烧时产生高温，促使N2O与H、OH或者其他气体分子反应，实现N2O分解，从而降低N2O的排放量。使用这种方法时，需要控制燃料的燃烧温度和烟气在高温区的停留时间，常用的二次燃料主要有CH4、C2H6、C3H8、液化石油气、木粉、锯末等，其燃烧温度为950℃～1000℃时最佳。

4.5 金属氧化物催化法

这种方法的原理是在流化床床层中加入各种金属氧化物，如Fe2O3、Fe3O4、CaO、Al2O3、MgO等，利用金属氧化物对N2O进行分解。但是，使用这种方法时，人们需要全面考虑燃料类型、燃烧温度、钙硫比、含氧量等因素，操作较为复杂，目前该方法仍处于实验研究阶段。

5 结语

笔者在考察多台循环流化床锅炉的运行情况后，提出了一系列减少循环流化床锅炉污染物排放量的具体措施，如提高床温、降低过量空气系数、使用选择性还原剂脱氮、分段燃烧法、二次燃烧法、金属氧化物催化法、增加循环物料量等。随着循环流化床锅炉的广泛应用，国内外许多学者均已加大了对其污染物排放问题的研究力度，以探索这些排放物生成的原因及规律，找出从源头入手的控制措施，减少环境污染，造福人类。

1 李友荣，卢啸风，吴双应.循环流化床锅炉中的NOx生成机制与控制措施[J].电站系统工程，2000，（16）：248-250.

2 岑可法，倪明江，骆仲泱，等.循环流化床锅炉理论设计与运行[M].北京：中国电力出版社，1997.

3 宫述钧.对综合控制循环流化床锅炉SO2、NOx及N2O排放的探讨[J].广东电力，2007，20（4）：74-77.

4 扬海瑞，吕 俊，复邢兴，等.循环流化床锅炉污染物排放规律的热态研究[J].电站系统工程，2000，（5）：131-134.

Study on Reducing Circulating Fluidized Bed Boiler Emission Technology

Hong Weilin
(Huangling Mining Coal Gangue Power Generation Co., Ltd., Huangling 727307, China)

At present, coal is still the most important primary energy in our country. The environmental pollution caused by coal combustion has become increasingly prominent. Circulating fluidized bed boiler is a kind of solid fuel combustion transformation for the fluid like state, and then use the heat generated by the combustion of steam generating equipment, has excellent desulfurization efficiency, high combustion efficiency, wide adaptability, easy to control pollution and low cost, has been widely used in industrial enterprises in china. In this paper, the structure and working principle of circulating fluidized bed boiler are introduced firstly, then the formation mechanism of pollutant emission is analyzed, and the technical measures to reduce pollutant emission are put forward.

coal; circulating fluidized bed boiler; emission formation mechanism; emission reduction technology

TM621.2

A

1008-9500(2017)09-0099-03

2017-07-05

洪卫林（1984-），男，山西阳泉人，助理工程师，从事锅炉专业日常运行管理工作。