超低排放循环流化床锅炉的设计及其应用

北极星环保网讯:随着国家对燃煤电厂、热源厂污染物排放要求的不断提高，超低排放已成为决定燃煤电厂、热源厂能否运行的关键指标。为此，全国成千上万燃煤电厂、热源厂投入大量资金加装除尘、脱硫脱硝装置，对锅炉岛进行环保改造，这既增加了设备资金投入，又提高了锅炉岛运行、维护成本。如果燃煤锅炉初始烟气产生的污染物较少，甚至锅炉烟气初始排放就能达到超低排放要求，则燃煤电厂、热源厂投入的脱硫、脱硝、除尘设备就能大大减少，燃煤电厂、热源厂的经济效益就会明显提高。近年来，太原锅炉集团有限公司与清华大学合作，在流态重构节能型循环流化床锅炉的基础上，探索研制超低排放循环流化床锅炉。多台50MW循环流化床锅炉的鉴定试验已取得阶段性成果。

1超低排放循环流化床锅炉

超低排放是指锅炉烟气中尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度[基准含氧量(体积分数)为6%]分别不超过10、25、50mg˙Nm-2。目前燃煤电厂、热源厂在役的常规循环流化床锅炉烟气初始NOx的排放质量浓度一般大于200mg˙Nm-2，有的甚至更高，极个别由于煤种因素可能低于200mg˙Nm-2。

不投入石灰石时，锅炉烟气中SOx初始排放质量浓度一般在1500mg˙Nm-2以上，投入石灰石后一般在200～400mg˙Nm-2。常规循环流化床锅炉烟气初始排放SOx和NOx质量浓度远远超过锅炉岛超低排放值，因此，大多数燃煤电厂、热源厂只能选择加装投资大、运行成本高的SCR脱硝和湿法脱硫设备。

如果燃煤电厂、热源厂锅炉烟气初始排放值较低，能够实现低于或者接近超低排放值，则采用简单的炉内选择性非催化还原(SNCR)脱硝或热备、炉内石灰石+炉后半干法脱硫或热备，就可以满足超低排放要求，从而大大降低设备投资和运行成本。

2超低排放循环流化床锅炉的设计基础

2.1煤的分析

锅炉烟气中的SO2和NOx是由煤燃烧生成的，因此，设计超低排放循环流化床锅炉首先必须对设计煤种特性进行分析。常规循环流化床锅炉设计时，锅炉制造厂需要用户提供设计煤种的化学元素分析结果和煤的粒径分布，其主要目的是进行锅炉热力计算、烟风阻力计算和结构布置等。

超低排放循环流化床锅炉设计时，除完成上述工作以外，对选定的设计煤种、设计石灰石也要进行取样试烧试验。试烧过程中，测定不同燃烧工况下烟气中SO2和NOx的含量、灰的成灰磨耗特性、石灰石烧结特性和脱硫活性等。将试烧试验结果作为循环流化床锅炉床温、还原气场及分离器优化设计的基础。

2.2 NOx的生成

烟气中NOx主要包括NO、NO2和N2O。NOx的生成分为三种类型，即燃料型、温度型、快速温度型。循环流化床燃烧属于低温燃烧技术，燃烧温度一般控制在800～900℃之间，因此，循环流化床锅炉烟气中的NOx主要是燃料型，NOx中的N元素来自于煤，与空气中的N元素关系不大。循环流化床锅炉烟气中NOx主要成分是NO，占95%以上，另有少量的NO2和N2O。

循环流化床燃烧也属于分段燃烧。燃料型NOx主要在煤的干馏燃烧过程中生成于流化床和密相区，因此，合理控制此区间的燃烧温度、氧量就能降低NOx的生成量。在一个足够大的流化床和密相区空间里，严格控制燃烧温度、氧量和燃烧物料的颗粒粒径，以便生成大量的CO，并将NO还原成N2。其化学反应过程为

2.3SOx的生成

煤中的硫除单质硫外，主要分有机硫和无机硫两部分。有机硫是指与C、H等结合生成的复杂化合物(CxHySz);无机硫主要是黄铁矿硫(FeS2)和硫酸盐硫(CaSO4等)。其中，黄铁矿硫和有机硫及单质硫是可燃硫，占煤中硫分的90%以上：硫酸盐硫是不可燃硫，占煤中硫分的5%～10%，是煤中灰分的组成成分。

煤在燃烧过程中，所有的可燃硫都会随着受热从煤中析出。在氧化性气氛中，可燃硫均会被氧化成SO2。循环流化床锅炉烟气排放的SOx中，一般SO2占98%左右，SO2只占0.5%～2%左右，相当于煤中1%～2%的硫分以SO2的形式析出。

煤在循环流化床锅炉中燃烧，黄铁矿硫(FeS2)在200℃时即开始失去硫分，但其大量分解则发生在650℃以上。在氧化气氛中，FeS2直接生成SO2。有机硫在煤中是均匀分布的，一般在煤被加热至400℃时即开始大量分解析出，但对不同煤种稍有差异。有机硫经过燃烧分解析出，氧化后生成SO2。在循环流化床锅炉中，单质硫从流化床到密相区、稀相区、分离器、返料器都可能生成SO2。反应方程式为

S+O2=SO2。

2.4CaO的生成和脱硫

目前降低循环流化床锅炉烟气初始SO2排放最便捷方法是采用石灰石干法炉内脱硫，将CaCO3送入炉膛内煅烧，分解出的CaO与烟气中的SO2发生反应，生成CaSO4随炉渣排出。该过程主要分为两步：

(1)石灰石在流化床锅炉中煅烧，石灰石中的CaCO3煅烧分解为CaO析出CO2。反应方程式为

CaCO3=CaO+CO2

(2)煅烧生成的CaO表面呈多孔状，孔隙为硫的固化反应奠定了基础。硫的固化反应即CaO与SO2反应生成硫酸盐。其反应方程式为

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4

延伸阅读：

2×300MW循环流化床锅炉SNCR脱硝系统优化运行及问题分析

循环流化床锅炉SNCR脱硝喷枪选择和最佳雾场分布图

超临界循环流化床机组超低排放脱硫除尘技术路线对比分析研究

循环流化床锅炉炉内掺烧石灰石脱硫对烟尘浓度的影响分析