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燃用劣质煤大型循环流化床锅炉超低排放技术研究与应用

北极星环保网来源:循环流化床发电 柳成亮2018/10/30 10:55:07我要投稿

北极星环保网讯:兴起于20世纪下半叶的循环流化床(CFB)锅炉燃烧技术,以其燃料适应性广、污染排放低、变负荷能力强等,成为当今商业性最好劣质煤清洁利用技术。截至2016年年底,中国投运的150MW以上的大中型CFB锅炉超过300台,其中多数以低热值煤为主要燃料。

由于CFB锅炉采用中低温燃烧,且炉内存在大量还原性物料,减少NOx排放具有天然优势,通常可以达到200mg/m3(标准状态,下同)以下,通过炉内脱硫也能实现90%~95%脱硫效率,因此能够满足世界上多数国家的排放要求。但是随着中国环境保护形势的日趋严峻,大气污染物排放受到越来越严格的控制。2014年,国家出台了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》,对于燃煤锅炉烟气排放中的氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和烟尘提出了严格的限定,即NOx<50mg/m3,SO2<35mg/m3,烟尘<10mg/m3的“超低排放”的指标要求。

传统CFB锅炉均无法实现该污染物排放水平。根据统计分析,现行的部分CFB锅炉由于设计与运行中的不足,仍然存在床温偏高、炉内脱硫效率不稳定、NOx原始排放高等问题,在一定程度上制约了CFB锅炉的健康发展。这些问题在超低排放压力下更加凸显。为此,许多机组被迫安装昂贵的污染物脱除设备,选择与煤粉炉相同的环保工艺路线,这将直接导致燃煤CFB锅炉低成本污染控制的优势不复存在。

因此,如何从技术和经济性角度选择合适的超低排放技术,是当下CFB锅炉发展中的重要命题之一。本文基于2台300MW亚临界CFB锅炉,通过理论分析和实验测试,探索炉内清洁高效燃烧+炉内细石灰石粉脱硫+炉内SNCR脱硝+尾部烟气循环流化床半干法多污染物联合脱除的超低排放技术路线,以及在大型CFB锅炉运行中应用的可行性。

1超低排放多污染物协同脱除技术路线

1.1概述

图1所示为CFB锅炉超低排放技术路线的流程图。首先通过优化CFB锅炉设计,在保证燃烧效率的前提下,降低污染物初始排放浓度,减轻末端污染物处理负荷。炉后以干式循环流化床净化技术与装置为核心,有机结合炉内脱硫,充分利用炉内未完全反应完的CaO,最终实现脱硫、除尘一体化及多污染物协同治理,达到烟气超低排放的要求。

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1.2节能、低排放CFB锅炉本体设计

1.2.1低床压设计

CFB锅炉炉膛内是由底部粗颗粒形成的鼓泡床或湍动床和细颗粒在自由空域形成的快速床组成的复合流态。细颗粒能够参与循环并能直接影响上部受热面换热,被称为“有效物料”。而粗颗粒由于始终停留在炉膛底部而不参与循环,被称为“无效物料”。过多的“无效物料”会导致膜式壁底部磨损,增加一次风机压头和功耗,增大二次风穿透阻力。因此通过流态重构方式,降低“无效物料”份额,增加细颗粒份额,从而实现CFB锅炉在低床压下运行。

为此,设计中采用如下优化措施:

(1)采用蜗壳式旋风分离器,入口烟道采用缩口、偏心布置,烟速提高至28m/s,中心筒采用消旋技术,实现二次分离,灰粒度d50可控制在约20μm。

(2)根据给煤的成灰磨耗特性,将给煤粒度由常规的dmax=10mm、d50=1.5mm降至dmax=7mm、d50=1.0mm。

(3)入炉石灰石粒径由dmax=1.5mm、d50=0.45mm降至dmax=1.0mm、d50=0.35mm。流态重构后,物料平衡系统特性得到改善,床质量显著提高,物料循环量增大,运行床压可显著降低。

1.2.2低床温设计

炉膛温度对污染物排放浓度有显著影响,由于石灰石脱硫的最佳反应温度为850℃,而NOx原始排放随温度升高逐渐增大,因此炉膛温度应控制在830~870℃。为此需精细控制炉内吸、放热量,具体措施为:

(1)优化受热面布置:增加炉膛内吸热,如适当增加炉内屏式过热器和屏式再热器的面积,或在炉膛内前水冷壁侧增加水冷中隔墙等,确保实现低床温。

(2)分区优化布风板风帽布置:使布风板中间区阻力大于四周区约为500Pa,增强布风均匀性,达到均匀床温分布的目的。

(3)改进石灰石给料点:石灰石从回料腿给入,与返料灰提前混合、煅烧,有利于提高炉内脱硫石灰石的利用率和脱硫反应效率。

1.2.3二次风口布置

(1)NOx生成控制:延迟二次风进入时间,分别提高下二次风口至布风板以上2.5m处,上二次风口至布风板以上5.6m处,增强还原性区域范围。此外,流态重构后,床料平均粒径降低,床质量提高,炉内还原性气氛进一步增强,从而有效控制NOx生成。

(2)SO2炉内脱除:增强二次风深度,补充炉膛中心氧量,提高炉膛上部氧含量均匀性,从而增强石灰石与SO2的反应,提高脱硫效率。

延伸阅读:

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