75t 循环流化床锅炉烟气超洁净排放技术的研究与应用

潘惠敏，张立新

（1.山东华聚能源股份有限公司兴隆庄矿电厂，山东 济宁272100；2.兖矿集团兴隆庄煤矿，山东 济宁 272100）

0 引 言

全国各地推出燃煤机组“超洁净排放”的环保要求，要求现有燃煤设施严格控制污染物的排放，大气污染物排放标准值为：NOX≤50mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、粉尘≤5mg/Nm3。

目前，大型电厂锅炉超低排放基本采用烟气尾部新增SCR 脱硝，半干法或湿法脱硫等技术路线。这些技术投资费用多、需要场地面积大、操作复杂，运行费用高，水消耗量大，设备和管线易发生磨损和堵塞，需要经常维修，对于中小型循环流化床而言均不是特别适合。

1 现状分析

兴隆庄矿电厂3# 锅炉为燃烧纯煤泥的75t 中温中压循环流化床锅炉，燃料为粒度0～10mm 的纯煤泥，属于超细煤泥，碳酸钙与超细煤泥对灰熔点的影响，加上矿井水中含钠离子较高，加上浮选药剂的影响，在旋风分离器中易结灰垢，造成锅炉返料中断，影响锅炉运行，根据“超洁净排放”的环保要求，无法达到超洁净排放。

兴隆庄矿电厂针对存在问题，结合现有技术成立纯煤泥75t 中温中压循环流化床锅炉烟气超洁净排放技术的研究项目组。

2 研究方案

通过炉内脱硝，最大程度降低NOx 原生浓度，可为循环流化床锅炉实现SO2和NOx 超低排放的奠定良好基础。目前循环流化床锅炉运行过程中脱硫工艺多采用炉内脱硫、半干法或湿法脱硫；脱硝工艺采用SNCR 脱硝、锅炉低氮燃烧或SCR 脱硝。

该方案以100%全烧煤泥75t 中温中压循环流化床锅炉和国家脱硝、脱硫等更严格环保政策为工程背景，采用流化床低床温、低床压运行的“定态设计”理论，综合了两种先进的设计理念与技术特色，以高倍率循环流化床流态图谱为指导，以大颗粒燃烬为限制指标，适当降低构成循环床下部鼓泡床的无效床存量，避免多余存料量引起的风机能耗和受热面磨损，可实现高效节能和长运行周期。通过合理布局二次风进口，改善锅炉中心缺氧燃烧现象，降低NOx 生成量，实现全原生态煤泥稳定燃烧，降低炉内NOx 初始排放浓度，达到初始排放浓度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

主要通过两步使3# 炉达到超洁净排放环保要求的问题，一是通过技术措施控制煤泥的稳定燃烧，并实现炉内较低初始排放浓度，二是锅炉尾部烟气进一步通过脱硫除尘一体化技术即炉内脱硫+SNCR 脱硝+ 预电除尘+ 炉后半干法脱硫+ 布袋除尘，采用“一炉一塔”的串联布置形式实现超洁净排放浓度。

主要手段是：①改进分离器的分离效率；②改进物料回送装置的流动特性；③注意控制燃料粒度达到设计要求；④更新传热系数和燃烧份额分配设计导则。

3 锅炉烟气通过技术措施实现炉内较低初始排放浓度

主要是对分离器、回料器优化、增加水冷受热面积、流化床布风板和优化一二次风以及优化尾部受热面来降低锅炉烟气等初始排放浓度；

3.1 分离器、回料器优化

循环流化床的炉内传热传热系数与气固两相流密切相关，提高炉内灰的浓度可相应提高传热系数，提高物料的循环量就需相应优化旋风分离器以提高分离效率，这同时也增加了床内细灰的份额，为调整风量分配提供有利条件。

根据全煤泥煤质、灰的物理特性以及设定各部分风速、边界条件，分离器优化具体措施是偏置式中心筒材质由ZG26Ni4Mn3NRe 更换为0Cr25Ni20，优化中心筒结构和增加镍元素含量以增加中心筒的强度与韧性；分离器直径（mm）由Φ3000 调整到Φ3300，中心筒直径由Φ1200 调整到Φ1300，料腿内径由Φ450 调整到Φ400。

分离器效率提高后，循环物料中的细灰份额增加，适当减少床存量低床压运行依然可以保证锅炉正常运行。床存量降低后，二次风区域物料浓度降低，二次风穿透扰动效果增强，炉膛上部气固混合效果得以改进，提高了锅炉燃烧效率。

3.2 增加水冷受热面积

通过增加水冷受热面，锅炉床温控制在（850～900）℃，炉膛整体温度水平稳定控制在900 ℃以下，炉膛出口烟气设计温度880 ℃。

3.3 流化床布风板和一二次风优化

调整循环流化床一二次风配为4：6，减小布风板面积，优化风帽结构，风帽直径Φ76，小孔8-Φ10.5，接管Φ38x4，风室风压可控制在6000Pa；减少二次风喷口数量，前后墙双层布置，共设16 个Φ160 的喷口；炉膛出口空气过量系数降至1.2 以下。

3.4 尾部受热面的优化

改变循环流化床尾部受热面的次序，由传统受热面顺序变为先从高温过热器到低温过热器，再经过光管省煤器到空气预热器，通过受热面次序的调整可以降低排放浓度。

经过以上技术措施的实施锅炉出口氮氧化物原始排放浓度可以实现≤100mg/N.m3。

4 纯煤泥锅炉通过脱硫除尘一体化装置实现超洁净排放

脱硫除尘一体化装置包括SNCR 脱硝技术，和炉内喷钙+尾部半干法脱硫工艺两部分。

4.1 SNCR 脱硝技术

SNCR 是不用催化剂，只在高温区加入还原剂NH3、尿素等，喷入炉内与NOx 进行选择性反应。还原剂喷入炉膛温度为820～960℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3 并与烟气中的NOx 进行SNCR反应生成N2。

SNCR 脱硝工艺的效率能够达到50%以上，能够确保烟气氮氧化物排放浓度≤50mg/N·m3。

4.2 脱硫采用炉内喷钙+尾部半干法脱硫工艺

4.2.1 炉内喷钙脱硫工艺

炉内喷钙脱硫工艺：石灰石（即CaCO3）在高温下煅烧分解成CaO，用CaO 作吸收剂脱硫，脱硫产物是硫酸钙，其主要化学反应及反应式如下：

石灰石粉由罐车输送至石灰石粉仓，粉仓设有库顶收尘器、压力释放阀，锥部设有气化板，在石灰石输送时可有效的防止石灰石搭桥，利于石灰石的输送使用。

石灰石从粉仓下出口经过变频星型卸灰阀调节达到需要的添加量，再用喷射泵送入锅炉参加混合反应，吸收烟气中的酸性气体。

4.2.2 尾部半干法脱硫工艺

锅炉烟气由烟道底部进入吸收塔，在吸收塔内，高温烟气与加入的吸收剂、循环脱硫灰充分预混合，进行吸收剂与HCl、HF 的反应。

流化床中气固间传热、传质效果很好，SO3可以全部去除。另外排烟温度始终控制在高于露点温度15℃以上，因此排烟不需要再加热，同时整个系统也不需要其他的防腐处理。

4.2.3 除尘工艺

净化后的含尘烟气从吸收塔顶部侧向排出，然后转向进入脱硫除尘器，再通过引风机排入烟囱。经除尘器捕集下来的固体颗粒，通过除尘器下的再循环系统，返回吸收塔继续参加反应，如此循环，多余的少量脱硫灰渣通过物料输送至脱硫灰仓内，再通过罐车或二级输送设备外排。

在循环流化床脱硫塔中，Ca（OH）2与烟气中的SO2和几乎全部的SO3，HCl，HF 等完成化学反应。

锅炉烟气通过预电除尘器(除尘效率达到80%以上)后经过尾部半干法脱硫，然后经过布袋除尘器(除尘效率达到)，实现烟尘排放浓度≤5mg/N·m3。

5 研究制定了旋风分离器结垢处理技术

进一步研究揭示了碳酸钙与超细煤泥对灰熔点的影响，矿井水中含钠离子较高，加上浮选药剂的影响，在旋风分离器中易结灰垢，经化验和分析大部分为钙长石、钠长石，结垢增厚导致旋风分离器下料腿内径变小，易导致锅炉返料中断，影响锅炉运行。

项目组通过对燃料分析、烟气模型建模、运行温度调整，研究了钙长石、钠长石生长对物料循环的影响，并采取了掺烧混煤、石英砂，控制钙硫比、控制床温等综合措施对钙长石进行抑制及消除，实现了锅炉在超细煤泥和现有条件下的稳定燃烧。

6 现场应用测试

以上技术方案在现场进行了实施并应用，在应用过程中对锅炉效率、烟气排放情况进行了测试，测试结果如下：

1）锅炉热效率。在锅炉运行状况、燃料、灰渣系统、汽水系统符合测试要求的情况下，测试结果为锅炉热效率90.06%，排烟温度152.6℃，过量空气系数1.41，锅炉热效率优于《锅炉节能技术监督管理规程》中额定工况下热效率限定值（86%），属于高效锅炉。

2）锅炉初始烟气排放测试。在中温中压循环流化床锅炉75t（95%以上）时进行检测。

测试结果表明75t 中温中压循环流化床锅炉达到初始排放浓度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

3）锅炉脱硫塔后烟气排放测试。检测结果显示75t 中温中压循环流化床锅炉实现了锅炉烟气超洁净排放，排放浓度：SO2＜35mg/m3；NOX＜50mg/m3；烟尘＜5mg/m3。

锅炉及超低排系统运行正常，烟气排放控制效果良好，现场测试结果与国家环保要求规定的技术指标相符。

通过锅炉试运行，本台锅炉在全煤泥燃烧情况下，循环流化床锅炉的稳定燃烧并实现较低的初始排放浓度；同时在高灰分、高水份的低热值燃料情况下，烟气污染物实现超低排放。

7 结束语

经过两年多的安全稳定运行，兴隆庄矿电厂在对分离器、回料器优化、增加水冷受热面积、流化床布风板和优化一二次风以及优化尾部受热面的3#锅炉在全煤泥燃烧情况下，烟气污染物排放实现超低排放并能安全稳定运行，其技术在国内同类型循环流化床锅炉处于领先地位。

本项目成功实施后，兖矿集团又在南屯电力、济三电力2×50MW 和2×135MW 机组超低排改造和低氮燃烧改造工程中推广应用。