南昌江能熱動工程技術(shù)有限責(zé)任公司

隨著國家對燃煤電廠、熱源廠污染物排放要求的不斷提高，超低排放已成為決定燃煤電廠、熱源廠能否運行的關(guān)鍵指標(biāo)。為此，全國成千上萬燃煤電廠、熱源廠投入大量資金加裝除塵、脫硫脫硝裝置，對鍋爐島進(jìn)行環(huán)保改造，這既增加了設(shè)備資金投入，又提高了鍋爐島運行、維護成本。如果燃煤鍋爐初始煙氣產(chǎn)生的污染物較少，甚至鍋爐煙氣初始排放就能達(dá)到超低排放要求，則燃煤電廠、熱源廠投入的脫硫、脫硝、除塵設(shè)備就能大大減少，燃煤電廠、熱源廠的經(jīng)濟效益就會明顯提高。超低排放循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計及其應(yīng)用。

超低排放循環(huán)流化床鍋爐

超低排放是指鍋爐煙氣中塵、氮氧化物排放質(zhì)量濃度[基準(zhǔn)含氧量(體積分?jǐn)?shù))為6%]分別不超過10、25、50mg˙Nm-2。目前燃煤電廠、熱源廠在役的常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐煙氣初始NOx的排放質(zhì)量濃度一般大于200mg˙Nm-2，有的甚至更個別由于煤種因素可能低于200mg˙Nm-2。

不投入石灰石時，鍋爐煙氣中SOx初始排放質(zhì)量濃度一般在1500mg˙Nm-2以上，投入石灰石后一般在200～400mg˙Nm-2。常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐煙氣初始排放SOx和NOx質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鍋爐島超低排放值，因此，大多數(shù)燃煤電廠、熱源廠只能選擇加裝成本大、運行成本高的SCR脫硝和濕法脫硫設(shè)備。

如果燃煤電廠、熱源廠鍋爐煙氣初始排放值較低，能夠?qū)崿F(xiàn)低于或者接近超低排放值，則采用簡單的爐內(nèi)選擇性非催化還原(SNCR)脫硝或熱備、爐內(nèi)石灰石+爐后半干法脫硫或熱備，就可以滿足超低排放要求，從而大大降低設(shè)備和運行成本。

超低排放循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計基礎(chǔ)

煤的分析

鍋爐煙氣中的SO2和NOx是由煤燃燒生成的，因此，設(shè)計超低排放循環(huán)流化床鍋爐首先必須對設(shè)計煤種特性進(jìn)行分析。常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計時，鍋爐制造廠需要用戶提供設(shè)計煤種的化學(xué)元素分析結(jié)果和煤的粒徑分布，其主要目的是進(jìn)行鍋爐熱力計算、煙風(fēng)阻力計算和結(jié)構(gòu)布置等。

超低排放循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計時，除完成上述工作以外，對選定的設(shè)計煤種、設(shè)計石灰石也要進(jìn)行取樣試燒試驗。試燒過程中，測定不同燃燒工況下煙氣中SO2和NOx的含量、灰的成灰磨耗特性、石灰石燒結(jié)特性和脫硫活性等。將試燒試驗結(jié)果作為循環(huán)流化床鍋爐床溫、還原氣場及分離器優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。

NOx的生成

煙氣中NOx主要包括NO、NO2和N2O。NOx的生成分為三種類型，即燃料型、溫度型、快速溫度型。循環(huán)流化床燃燒屬于低溫燃燒技術(shù)，燃燒溫度一般控制在800～900℃之間，因此，循環(huán)流化床鍋爐煙氣中的NOx主要是燃料型，NOx中的N元素來自于煤，與空氣中的N元素關(guān)系不大。循環(huán)流化床鍋爐煙氣中NOx主要成分是NO，占95%以上，另有少量的NO2和N2O。

循環(huán)流化床燃燒也屬于分段燃燒。燃料型NOx主要在煤的干餾燃燒過程中生成于流化床和密相區(qū)，因此，合理控制此區(qū)間的燃燒溫度、氧量就能降低NOx的生成量。在一個足夠大的流化床和密相區(qū)空間里，嚴(yán)格控制燃燒溫度、氧量和燃燒物料的顆粒粒徑，以便生成大量的CO，并將NO還原成N2。其化學(xué)反應(yīng)過程為

超低排放循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計及其應(yīng)用

SOx的生成

煤中的硫除單質(zhì)硫外，主要分有機硫和無機硫兩部分。有機硫是指與C、H等結(jié)合生成的復(fù)雜化合物(CxHySz);無機硫主要是黃鐵礦硫(FeS2)和鹽硫(CaSO4等)。其中，黃鐵礦硫和有機硫及單質(zhì)硫是可燃硫，占煤中硫分的90%以上鹽硫是不可燃硫，占煤中硫分的5%～10%，是煤中灰分的組成成分。

煤在燃燒過程中，所有的可燃硫都會隨著受熱從煤中析出。在氧化性氣氛中，可燃硫均會被氧化成SO2。循環(huán)流化床鍋爐煙氣排放的SOx中，一般SO2占98%左右，SO2只占0.5%～2%左右，相當(dāng)于煤中1%～2%的硫分以SO2的形式析出。

煤在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒，黃鐵礦硫(FeS2)在200℃時即開始失去硫分，但其大量分解則發(fā)生在650℃以上。在氧化氣氛中，F(xiàn)eS2直接生成SO2。有機硫在煤中是均勻分布的，一般在煤被加熱至400℃時即開始大量分解析出，但對不同煤種稍有差異。有機硫經(jīng)過燃燒分解析出，氧化后生成SO2。在循環(huán)流化床鍋爐中，單質(zhì)硫從流化床到密相區(qū)、稀相區(qū)、分離器、返料器都可能生成SO2。反應(yīng)方程式為

S+O2=SO2。

2.4CaO的生成和脫硫

目前降低循環(huán)流化床鍋爐煙氣初始SO2排放便捷方法是采用石灰石干法爐內(nèi)脫硫，將CaCO3送入爐膛內(nèi)煅燒，分解出的CaO與煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)，生成CaSO4隨爐渣排出。該過程主要分為兩步：

(1)石灰石在流化床鍋爐中煅燒，石灰石中的CaCO3煅燒分解為CaO析出CO2。反應(yīng)方程式為

CaCO3=CaO+CO2

(2)煅燒生成的CaO表面呈多孔狀，孔隙為硫的固化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。硫的固化反應(yīng)即CaO與SO2反應(yīng)生成鹽。其反應(yīng)方程式為

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4