循环流化床锅炉污染物排放与控制策略综述

李宁　丁雪松　徐雨红　赵新建　周必茂　王毅斌　杨浩

关键词：循环流化床;氮氧化物;硫氧化物;粉尘;脱除

截至2016年，我国CFB锅炉机组的总投运容量约1亿kW，占火电装机总容量的12%以上。截至2019年年底，我国已有超过40台超临界350 MW机组CFB锅炉投运[1]。循环流化床锅炉具备负荷调节性能好、燃料适应广、燃烧效率高等特点。为了更好地了解该类型锅炉运行性能与特点，本研究综述了该技术的污染物排放水平、控制方法和多污染物协同脱除工艺特点，明确了影响污染物生成、排放和脱除行为的关键因素，为未来使用不同燃料锅炉合理控制污染物排放提供一定的理论指导。

1循环流化床锅炉特点

循环流化床锅炉着火和燃烧稳定，燃烧效率高，具有负荷调节性能好、燃料适应性好、氮氧化物排放少、灰渣综合利用、脱硫效果好、燃烧热强度较大以及节水等特点。但是循环流化床锅炉用电量较大，在使用过程中，受热面易磨损，且维修费较高。同时，较高N₂O排放是该技术发展的难题之一[2]。

2 不同因素对污染物排放的影响

2.1 氮氧化物

燃料型氮氧化物是该锅炉氮氧化物的主要生成机理。

温度提高10 ℃，氮氧化物的排放量增加1.5 mg/m³，床温应该控制在900 ℃以下[3]。当锅炉中煤粉的热值增加时，NOx和SO₂排放浓度升高[3]。加入CaO有利于减少N₂O的排放，但是会增加NO_x的生成量。当氧气含量增加时，NOx及N₂O的排放浓度都会增加。当氧质量分数大于2.6%后，N₂O的排放浓度增长较快。

2.2 硫氧化物

热值高的煤粉含硫量比热值低的煤粉高，同时升温速率会逐渐提高[4]。锅炉燃煤中的含硫物质受热析出的硫与氧气相遇会反应生成二氧化硫，同时，硫氧化物还通过硫酸盐分解产生。当钙硫比为1.5～2.0时，脱硫效率可达80%。脱硫效率在特定温度时会达到最高，当温度低于或高于特定温度时，脱硫效率逐渐下降[3]。投入循环灰有助于降低床温，减少脱硫石灰石含量，提高脱硫效率。

2.3 粉尘

飞灰和灰渣的产生量会随着脱硫用石灰石添加量的增加而增加。劣质燃料作为我国循环流化床的主要燃料，一般情况下，燃料灰分不会低于30%，与煤粉炉相比，飞灰份额较低，但是单位体积烟气的飞灰量一般比煤粉炉高1倍以上[3]。

3 多污染物协同脱除技术及其特点

3.1 传统的联合烟气脱硫脱硝工艺

传统的联合烟气脱硫脱硝工艺将SNCR加装在旋风分离器进口，可实现联合脱硫脱硝。这种分级治理的净化工艺投资运行费用高，占地面积大[5]。

3.2 循环流化床干法脱硫除尘一体化工艺同时脱硫脱硝技术及其特点

脱硝溶液将NO转化为NO₂，吸收剂中的Ca（OH）2与SO₂和NO₂快速发生化学反应。催化氧化吸收脱硝技术对重金属和SO₂等大气污染物的去除有高效的促进作用[5]。该工艺特点：（1）减少投资和运行费用;（2）脱硝效率超过68%，脱硫效率超过95%;（3）工况适应性强;（4）占地面积小、系统简洁和运行可靠;（5）无废水排放和二次污染;（6）启停方便、高效节能;（7）提高脱硫效率;（8）辅助脱除重金属等污染物[5]。

3.3 循环流化床半干法联合脱硫脱硝脱汞技术的特点

循环流化床半干法联合脱硫脱硝脱汞技术，将烟气中的NO氧化为NO₂，NO₂和SO₂溶于水后和碱性吸收剂发生反应，完成脱硫脱硝。颗粒态的汞和二价活性气态汞被脱硫除尘装置去除，HgO需要先氧化为二价活性气态汞，然后去除[6]。該技术特点：（1）脱硫功能与脱硝脱汞功能相互独立;（2）利用外置分离器和循环流化床反应塔，通过相互结合的方式进行;（3）反应塔设置了外置分离器，以实现独立的外循环，同时通过螺旋返料机调控外循环量;（4）采用干态进料的方式，同时占地面积小，投资和运行费用低;（5）在一个反应塔内完成脱硫脱硝脱汞功能;（6）灵活可靠[6]。

3.4 传统湿法“超净排放”技术的特点

传统湿法“超净排放”技术路线会产生Hg等重金属、SO₃和脱硫废水污染。同传统湿法路线相比，“超净排放”工艺留下了干法脱硫配套的“高效低温氧化脱硝”接口，可以达到“NO_x接近零排放”;烟气利用流化床将SO₂排放质量浓度降低至35 mg/Nm³，同时，该工艺能协同脱除SO₃、HCl、HF、Hg及重金属等大气污染物;最后设置布袋除尘器。该工艺不会产生废水和二次污染。同时，亚微米级颗粒遇到雾化水，会因凝并作用长大，成为粗颗粒，被布袋除尘器去除。同时，SO₃等酸性气体在流化床的作用下被脱除成脱硫灰，由布袋除尘器去除，避免了湿法脱硫形成的二次PM_2.5问题[7]。

3.5 循环流化床式的烟气净化装置技术工作原理及特点

工作原理：（1）烟气从反应塔底部进入，流过文丘里装置后形成湍流;（2）再循环飞灰、冷却水和氢氧化钙进入反应塔，与烟气中的多种酸性气体发生反应;（3）烟气中的灰尘和重金属颗粒被除尘器捕获，回到反应塔再循环;（4）若烟气中含有其他需去除的污染物，可将特定吸收剂和氢氧化钙混合。因此，该技术具有很好的灵活性和适应性[8]。

特点：（1）反应剂氢氧化钙等、再循环飞灰以及冷却水可以充分混合;（2）反应剂的利用率很高;（3）耗水量低;（4）投资成本及运行维护费用低;（5）可靠性高;（6）易于控制;（7）占地面积小;（8）配置灵活;（9）可大型化[8]。

4 超低污染物排放的控制策略

在脱硫方面，90%机组采用石灰石-石膏法脱硫;烟气循环流化床脱硫工艺与新型脱硫除尘一体化工艺均采用半干法，一般用于老机组改造或中小机组，其脱硫效率在SO₂浓度较高时不理想;氨法脱硫起步较晚，但是该方法无二次污染、脱硫效率高、二氧化硫可以资源化利用，且氨法吸收速度远快于钙法，具有较为明显的优势[9]。对污染物脱除工艺的优先级进行分析，可以得到如下结果：

（1）SCR+余热回收+CFB+除尘工艺，脱硫和脱硝所需温度与烟温匹配性好，但烟尘导致催化剂失活，阻力增加，需要定期解析催化剂。

（2）CFB+除尘+SCR+余热回收工艺，可有效改善催化剂失活问题，但催化剂需要加热，运行成本增加，需要加热和低频次催化剂解析。

（3）SDS+除尘+SCR+余热回收工艺，改善了催化剂的失活和烟气流动问题，但是当排烟温度较低时，催化剂需要采用热风加热。工艺副产物无法回收利用，需要低频次催化剂解析[10]。

5结语

循环流化床技术由于燃烧温度较低，氮氧化物的产生量较少，同时具有节水、脱硫效率高、燃烧强度大等优点，得到了广泛使用。掌握其氮氧化物、硫氧化物和粉尘形成机理和影响因素，利用循环流化床半干法联合脱硫脱硝脱汞工艺等污染物联合脱除工艺，减少污染物排放，对国内燃煤污染物控制具有十分重要的现实意义。