興起于20世紀(jì)下半葉的循環(huán)流化床（CFB）鍋爐燃燒技術(shù)，以其燃料適應(yīng)性廣、污染排放低、變負(fù)荷能力強(qiáng)等，成為當(dāng)今商業(yè)性最好劣質(zhì)煤清潔利用技術(shù)。截至2016年年底，中國投運(yùn)的150MW以上的大中型CFB鍋爐超過300臺，其中多數(shù)以低熱值煤為主要燃料。

由于CFB鍋爐采用中低溫燃燒，且爐內(nèi)存在大量還原性物料，減少NOx排放具有天然優(yōu)勢，通常可以達(dá)到200mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同）以下，通過爐內(nèi)脫硫也能實現(xiàn)90%~95%脫硫效率，因此能夠滿足世界上多數(shù)國家的排放要求。但是隨著中國環(huán)境保護(hù)形勢的日趨嚴(yán)峻，大氣污染物排放受到越來越嚴(yán)格的控制。2014年，國家出臺了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，對于燃煤鍋爐煙氣排放中的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和煙塵提出了嚴(yán)格的限定，即NOx<50mg/m3，SO2<35mg/m3，煙塵<10mg/m3的“超低排放”的指標(biāo)要求。

傳統(tǒng)CFB鍋爐均無法實現(xiàn)該污染物排放水平。根據(jù)統(tǒng)計分析，現(xiàn)行的部分CFB鍋爐由于設(shè)計與運(yùn)行中的不足，仍然存在床溫偏高、爐內(nèi)脫硫效率不穩(wěn)定、NOx原始排放高等問題，在一定程度上制約了CFB鍋爐的健康發(fā)展。這些問題在超低排放壓力下更加凸顯。為此，許多機(jī)組被迫安裝昂貴的污染物脫除設(shè)備，選擇與煤粉爐相同的環(huán)保工藝路線，這將直接導(dǎo)致燃煤CFB鍋爐低成本污染控制的優(yōu)勢不復(fù)存在。

因此，如何從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性角度選擇合適的超低排放技術(shù)，是當(dāng)下CFB鍋爐發(fā)展中的重要命題之一。本文基于2臺300MW亞臨界CFB鍋爐，通過理論分析和實驗測試，探索爐內(nèi)清潔高效燃燒+爐內(nèi)細(xì)石灰石粉脫硫+爐內(nèi)SNCR脫硝+尾部煙氣循環(huán)流化床半干法多污染物聯(lián)合脫除的超低排放技術(shù)路線，以及在大型CFB鍋爐運(yùn)行中應(yīng)用的可行性。

1超低排放多污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線

1.1概述

圖1所示為CFB鍋爐超低排放技術(shù)路線的流程圖。首先通過優(yōu)化CFB鍋爐設(shè)計，在保證燃燒效率的前提下，降低污染物初始排放濃度，減輕末端污染物處理負(fù)荷。爐后以干式循環(huán)流化床凈化技術(shù)與裝置為核心，有機(jī)結(jié)合爐內(nèi)脫硫，充分利用爐內(nèi)未完全反應(yīng)完的CaO，最終實現(xiàn)脫硫、除塵一體化及多污染物協(xié)同治理，達(dá)到煙氣超低排放的要求。

1.2節(jié)能、低排放CFB鍋爐本體設(shè)計

1.2.1低床壓設(shè)計

CFB鍋爐爐膛內(nèi)是由底部粗顆粒形成的鼓泡床或湍動床和細(xì)顆粒在自由空域形成的快速床組成的復(fù)合流態(tài)。細(xì)顆粒能夠參與循環(huán)并能直接影響上部受熱面換熱，被稱為“有效物料”。而粗顆粒由于始終停留在爐膛底部而不參與循環(huán)，被稱為“無效物料”。過多的“無效物料”會導(dǎo)致膜式壁底部磨損，增加一次風(fēng)機(jī)壓頭和功耗，增大二次風(fēng)穿透阻力。因此通過流態(tài)重構(gòu)方式，降低“無效物料”份額，增加細(xì)顆粒份額，從而實現(xiàn)CFB鍋爐在低床壓下運(yùn)行。

為此，設(shè)計中采用如下優(yōu)化措施：

（1）采用蝸殼式旋風(fēng)分離器，入口煙道采用縮口、偏心布置，煙速提高至28m/s，中心筒采用消旋技術(shù)，實現(xiàn)二次分離，灰粒度d50可控制在約20μm。

（2）根據(jù)給煤的成灰磨耗特性，將給煤粒度由常規(guī)的dmax=10mm、d50=1.5mm降至dmax=7mm、d50=1.0mm。

（3）入爐石灰石粒徑由dmax=1.5mm、d50=0.45mm降至dmax=1.0mm、d50=0.35mm。流態(tài)重構(gòu)后，物料平衡系統(tǒng)特性得到改善，床質(zhì)量顯著提高，物料循環(huán)量增大，運(yùn)行床壓可顯著降低。

1.2.2低床溫設(shè)計

爐膛溫度對污染物排放濃度有顯著影響，由于石灰石脫硫的最佳反應(yīng)溫度為850℃，而NOx原始排放隨溫度升高逐漸增大，因此爐膛溫度應(yīng)控制在830~870℃。為此需精細(xì)控制爐內(nèi)吸、放熱量，具體措施為：

（1）優(yōu)化受熱面布置：增加爐膛內(nèi)吸熱，如適當(dāng)增加爐內(nèi)屏式過熱器和屏式再熱器的面積，或在爐膛內(nèi)前水冷壁側(cè)增加水冷中隔墻等，確保實現(xiàn)低床溫。

（2）分區(qū)優(yōu)化布風(fēng)板風(fēng)帽布置：使布風(fēng)板中間區(qū)阻力大于四周區(qū)約為500Pa，增強(qiáng)布風(fēng)均勻性，達(dá)到均勻床溫分布的目的。

（3）改進(jìn)石灰石給料點：石灰石從回料腿給入，與返料灰提前混合、煅燒，有利于提高爐內(nèi)脫硫石灰石的利用率和脫硫反應(yīng)效率。

1.2.3二次風(fēng)口布置

（1）NOx生成控制：延遲二次風(fēng)進(jìn)入時間，分別提高下二次風(fēng)口至布風(fēng)板以上2.5m處，上二次風(fēng)口至布風(fēng)板以上5.6m處，增強(qiáng)還原性區(qū)域范圍。此外，流態(tài)重構(gòu)后，床料平均粒徑降低，床質(zhì)量提高，爐內(nèi)還原性氣氛進(jìn)一步增強(qiáng)，從而有效控制NOx生成。

（2）SO2爐內(nèi)脫除：增強(qiáng)二次風(fēng)深度，補(bǔ)充爐膛中心氧量，提高爐膛上部氧含量均勻性，從而增強(qiáng)石灰石與SO2的反應(yīng)，提高脫硫效率。

1.2.4配套輔機(jī)設(shè)計選型

（1）為滿足鍋爐低床壓和顆粒粒徑調(diào)控要求，入爐煤采用兩級破碎+三級篩分方案，石灰石采用柱磨制粉系統(tǒng)。

（2）采用回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，較管式空氣預(yù)熱器而言，鍋爐尾部煙道受熱面更容易布置，吹灰效果好，降低了尾部煙道受熱面積灰的風(fēng)險，解決了排煙溫度高的常見問題。

（3）對300MW機(jī)組優(yōu)化滾筒冷渣機(jī)設(shè)計，將每臺鍋爐的冷渣機(jī)數(shù)量由6臺優(yōu)化為4臺，降低初投資及運(yùn)行費用的同時優(yōu)化空間布置，使排渣管大角度彎頭減少，冷渣器運(yùn)行更加穩(wěn)定。

（4）鍋爐深度節(jié)能運(yùn)行，優(yōu)化一、二次風(fēng)機(jī)選型，采用變頻調(diào)速方式；采用旋轉(zhuǎn)式暖風(fēng)器，在不投暖風(fēng)器期間可以旋轉(zhuǎn)換熱面，減小風(fēng)道阻力。

1.3爐外多污染物聯(lián)合脫除系統(tǒng)設(shè)計選型及技術(shù)特點

（1）精準(zhǔn)控制反應(yīng)溫度：反應(yīng)溫度是影響半干法脫硫效率最重要參數(shù)之一，煙氣攜帶吸收

劑經(jīng)過文丘里裝置后，與上部噴水混合降溫，在激烈湍流過程中實現(xiàn)高效的脫硫。高壓工藝水噴槍產(chǎn)生的霧化粒徑使得液相反應(yīng)持續(xù)時間在最佳反應(yīng)狀態(tài)；回流式噴霧系統(tǒng)及動態(tài)回水響應(yīng)裝置，精確控制噴入吸收塔內(nèi)的工藝水量，在合理的反應(yīng)溫度區(qū)間，提供了理想的比表面面積，大大提高了氣–固–液之間的化學(xué)反應(yīng)效率，從而使系統(tǒng)更安全地運(yùn)行在露點以上約15℃。

（2）精確控制流化床吸收塔內(nèi)的床層波動：采用高線性物料循環(huán)閥，保證床層控制精度；同時采用多灰斗多線程自平衡控制模式，灰斗多料位和物料床層之間協(xié)同聯(lián)合控制，解決了灰斗灰位平衡問題，進(jìn)一步保證了床層壓降的精確控制，從而使SO2、Hg等污染物脫除反應(yīng)順利進(jìn)行。

（3）最佳噴水位置的設(shè)定：配合文丘里裝置，噴水點為物料最為集中部位，確保噴入工藝水的充分蒸發(fā)和混合均勻；設(shè)置清潔煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，保證鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時吸收塔運(yùn)行穩(wěn)定，最佳噴水位置點不發(fā)生漂移。

（4）多級長程干式消化器：通過在脫硫島內(nèi)配套新型多級長程消化裝置直接制成消石灰干粉作為吸收劑，符合干法脫硫品質(zhì)要求，實現(xiàn)較高的SO2脫除效果，提供品質(zhì)優(yōu)良的吸收劑。

2實施案例

山西國峰煤電有限責(zé)任公司于2015年10月建成并投運(yùn)2×300MW亞臨界CFB鍋爐。該鍋爐設(shè)計與清華大學(xué)和東方鍋爐有限公司合作，為國內(nèi)首臺應(yīng)用該技術(shù)路線的300MW容量CFB鍋爐。實際運(yùn)行中，重點解決爐內(nèi)脫硫、爐外脫硫、NOx原始生成三者間的優(yōu)化配合及鍋爐效率的匹配問題，在現(xiàn)有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)精細(xì)化低成本控制。

2.1基準(zhǔn)運(yùn)行工況調(diào)整

通過鍋爐深度調(diào)整試驗，總結(jié)出鍋爐額定負(fù)荷下，需控制氧量在2.5%，一次風(fēng)率在37%，下二次風(fēng)擋板開度在35%，床壓在6kPa，鍋爐輔機(jī)電耗、鍋爐效率達(dá)到最佳，且NOx原始排放較低（在130mg/m3左右），為大型CFB鍋爐進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)行提供一定數(shù)據(jù)支持。

2.2爐內(nèi)鈣硫摩爾比與鍋爐效率的最佳配合試驗研究

爐內(nèi)噴石灰石脫硫工藝對鍋爐效率產(chǎn)生負(fù)影響的因素有煅燒熱消耗、固體排放物熱損失和化學(xué)反應(yīng)時增加煙氣量的排放熱損失，對鍋爐效率產(chǎn)生正影響的因素是硫酸鹽化過程中放熱過程。由于機(jī)組絕大部分時間運(yùn)行在70%~80%額定負(fù)荷，針對該負(fù)荷對爐內(nèi)不同鈣硫摩爾比對鍋爐效率的影響進(jìn)行試驗研究。結(jié)果顯示，爐內(nèi)鈣硫摩爾比控制在1.85~1.90時鍋爐效率較高，且脫硫成本相對較低。

2.3爐內(nèi)鈣硫摩爾比對NOx初始生成的影響

煤在熱解的過程中，含氮化合物會以HCN和NH3等氣體分子隨揮發(fā)分析出，稱為揮發(fā)分氮。石灰石煅燒產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)，是NO生成天然的催化表面。研究表明，CaO顆粒對于NH3轉(zhuǎn)化為NO具有強(qiáng)烈的催化作用。因此石灰石加入會導(dǎo)致NOx排放濃度升高。

為了控制NOx和SO2排放，需研究石灰石投入量對NO生成量影響關(guān)系。實驗中控制75%負(fù)荷，一二次風(fēng)配比1∶1，省煤器入口氧濃度為3.8%~3.9%，床溫860℃。圖2所示為爐膛出口NOx排放濃度與SO2排放濃度的關(guān)系。

隨著石灰石給入量增大，爐內(nèi)SO2排放濃度逐漸減小。當(dāng)爐內(nèi)SO2排放濃度高于600mg/m3時，石灰石加入對NOx原始排放影響極小。當(dāng)?shù)陀?00mg/m3時，NOx初始生成濃度迅速增大，且低于400mg/m3時增速更為顯著。這主要是由于，初始情況下由于鈣硫比較低，石灰石反應(yīng)較為充分，CaO較多轉(zhuǎn)化為CaSO4，對于NOx生成的催化作用較少。

而隨著鈣硫比升高，未反應(yīng)的CaO表面增多，對于NOx生成的促進(jìn)作用增強(qiáng)，導(dǎo)致NOx排放大幅增加。因此，脫硫、脫硝存在一最優(yōu)平衡點，并非將SO2排放降至越低越好。

2.4爐內(nèi)脫硫與尾部脫硫匹配實驗

CFB鍋爐爐內(nèi)投石灰石脫硫時，有部分未完成反應(yīng)的CaO隨煙氣進(jìn)入爐外半干法脫硫系統(tǒng)中，繼續(xù)參與脫硫反應(yīng)。爐內(nèi)脫硫效率降低時，爐外半干法脫硫效率需提高以保證尾部煙氣超低排放，因此需要合理匹配爐內(nèi)脫硫和爐外脫硫之間的關(guān)系。

實驗條件與2.3節(jié)相同，實驗結(jié)果如圖3所示，隨著Ca/S比增大，SO2生成濃度減小速度逐漸變慢。這主要是由于SO2濃度減小，SO2與CaO碰撞幾率降低，反應(yīng)速率下降，氣相反應(yīng)速率降低，脫硫難度增大。

圖4為爐內(nèi)石灰石給入與半干法生石灰給入量隨爐膛出口SO2排放濃度的變化規(guī)律。對于爐外半干法脫硫，鍋爐出口SO2排放值在400~900mg/m3之間時，SO2值每提高100mg/m3左右爐外脫硫劑生石灰的用量增幅較大；而當(dāng)鍋爐出口SO2排放值小于450mg/m3時，爐外生石灰的用量變化幅度較小。

對于爐內(nèi)石灰石脫硫則恰恰相反，當(dāng)鍋爐出口SO2排放值小于450mg/m3時，爐內(nèi)石灰石用量變化幅度較大。但是如前所述，過多的石灰石加入會催化NOx原始生成增加。因此最為合適的平衡點，應(yīng)控制爐膛出口SO2排放濃度在500mg/m3，鈣硫比約為2.05。

3經(jīng)濟(jì)效益

3.1投資成本效益

表1所示為改造前后主要污染物排放對比。與濕法工藝路線相比采用本技術(shù)路線可以完成超低排放的要求。按目前2×300MW循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電污染物控制典型技術(shù)，需配置SNCR系統(tǒng)+除塵器+濕法FGD+濕式電除塵，初期投資約1.6億元。該項目按干法工藝，初期投資約1.2億元，降低投資成本約4000萬元。此外，如考慮濕法廢水處理費用和煙囪防腐增加費用，節(jié)約投資將在1億元左右。

3.2運(yùn)行成本效益

與傳統(tǒng)CFB電站相比其運(yùn)行成本顯著降低，表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）廠用電率降低：低床壓節(jié)能技術(shù)將顯著降低風(fēng)機(jī)能耗，按實際床壓降低3.0kPa，則預(yù)計降低約0.5%的廠用電率，節(jié)電效益約400萬元/年。

（2）運(yùn)行可靠性提高：流態(tài)重構(gòu)后，CFB鍋爐的水冷壁及相關(guān)受熱面磨損嚴(yán)重可明顯改善，機(jī)組運(yùn)行可靠性明顯提高。按每臺爐每年減少1次水冷壁泄漏導(dǎo)致的停機(jī)損失，節(jié)約損失約200萬元/年。

（3）污染物脫除成本降低：低床溫可有效提高爐內(nèi)脫硫反應(yīng)效率，降低脫硫劑的消耗，同時可明顯降低NOx初始排放濃度。按年運(yùn)行小時數(shù)5251h，年節(jié)約20%脫硝劑（尿素）和20%脫硫劑（石灰石）進(jìn)行計算，經(jīng)濟(jì)效益為脫硫、脫硝劑節(jié)約580萬元。

式中：m為單臺爐尿素耗量（或石灰石耗量），t/h；P為尿素或石灰石單價，元/t；η為尿素或石灰石節(jié)約比例。

（4）高效低污染排放的運(yùn)行優(yōu)化集成，通過深度調(diào)試匹配、節(jié)省爐后生石灰量、單元優(yōu)化與系統(tǒng)整體性能的協(xié)同效應(yīng)，降低運(yùn)行成本，估算此項年效益約300萬元。

（5）較常規(guī)設(shè)計而言，低床壓運(yùn)行要求入爐煤粒徑更細(xì)，這會導(dǎo)致磨煤系統(tǒng)設(shè)備磨損率增大、電耗增高，年運(yùn)行維護(hù)費用因此將增加約60萬元。

上述5項合計，年節(jié)約運(yùn)行成本為：400+200+580+300–60=1420萬元。

3.3實際運(yùn)行效果評價

該項目自2015年投產(chǎn)以來，鍋爐實際運(yùn)行床壓在5.5~6.0kPa，鍋爐平均床溫在870℃左右，SO2、NOx、粉塵排放指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到超低排放要求且環(huán)保設(shè)施有足夠的裕量。非供熱期，雙機(jī)運(yùn)行期間，機(jī)組平均發(fā)電廠用電率只有6.16%，鍋爐停爐檢查無明顯磨損情況，未發(fā)生因水冷壁磨損而導(dǎo)致的機(jī)組非停事件。

4結(jié)語

在國家“十三五”去產(chǎn)能提效益背景下，推動燃煤電廠超低排放、靈活性改造、廢水零排放的需求日益增強(qiáng)。通過爐內(nèi)清潔高效燃燒+爐內(nèi)細(xì)石灰石粉脫硫+爐內(nèi)SNCR脫硝+尾部煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫、除塵及多污染物（SO2、SO3、Hg等）協(xié)同脫除的技術(shù)路線，可以在降低機(jī)組初期投資和運(yùn)行成本的同時，實現(xiàn)CFB鍋爐高效、節(jié)能、低排放運(yùn)行，有助于提升循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組的市場競爭力。