循环流化床锅炉烟气超低排放改造分析

柯芳标

（中国石油化工股份有限公司茂名分公司，广东茂名 525000）

针对化石能源，在矿物燃料燃烧过程中，会排放大量的污染物。根据数据调查，我国每年有75%的SO2排入大气之中，其中有55%粉尘、65%的NOx来源于煤炭直接燃烧。所以，合理和文明用能，优化清洁煤燃烧技术，优化低污染和高效化技术，减少SO2和NOx排放量，是大气保护的重要研究课题。本工作立足循环流化床锅炉较低，探讨烟气超低排放改造的相关工艺。

1 循环流化床锅炉的工艺流程

1.1 燃烧储存和燃烧

煤炭燃料，在进入厂内过磅后，卸到煤棚堆放，石油焦燃料，通过皮带输送到煤棚，然后煤炭与石油焦经过混合搅拌，沿着燃料输送装置送入锅炉炉前燃烧仓，通过炉前给煤机输送至锅炉进行燃烧。

1.2 烟气处理与净化

燃料燃烧会产生有害气体与物质，如烟尘、酸性气体或重金属物质等，如何实现污染物的无害化、清洁化处理，避免对环境造成二次污染，是锅炉燃烧的重点研究课题。利用烟气净化基础，如袋式除尘器、湿式反应塔或干式反应塔技术，可有效去除酸性气体。

1.3 炉渣、炉灰处理

针对锅炉燃烧，燃料在经过燃烧之后，一般会产生大量炉渣，约占据20%重量。对炉渣进行加工处理，可制作成砖、道路施工材料。对于炉灰，可利用布袋除尘器回收如图1所示。

图1 锅炉燃烧工艺技术流程

2 燃煤锅炉的NOx的作用机理

在煤燃烧阶段，所产生NOx成分主要为二氧化氮、NO，两者共同组成NOx，还包含少量氧化二氮。而NOx排放量、生成量，和煤炭燃烧方式直接相关，尤其是空气过量系数、燃烧温度相关。为此，处于煤燃烧阶段，NOx的途径主要如下：

2.1 热力型NOx

这种类型NOx，是处于高温下，在空气产生氮气，占据20%。

2.2 燃烧型NOx

在燃料成分中，包含氮化物。处于燃烧阶段，因热分解以及氧化作用，进而产生燃烧性NOx。同时，处于燃烧阶段，某些含氮有机化合物，因为挥发作用进行热裂解，进而产生CN、N 等产物。在氧化之后，逐渐产生NOx。此外，在部分焦炭之中，剩余氮气因燃烧氧化，生成NOx。所以，燃烧型NOx会划分为焦炭NOx以及NOx。

根据相关实验表明，处于燃烧状态下，在燃煤锅炉之中，仅有22%燃烧氮气被转化成NOx。同时，加上空气量影响，并通过空气系数表示，在燃烧阶段，其空气量值，主要指化学当量比之下，过量空气系数值定义为1，如果大于1，则表示空气过量。如果小于1，则表示空气量不足。若过量空气系数低于1，则燃烧型NOx值基本为零，并随着过量空气系数值的增加，NOx值随之增加，对于开发燃烧型NOx具有重要保障。

2.3 快速性NOx

在燃烧阶段，燃料、氮气成分的碳氢离子团，产生CH 反应，就会产生NOx。处于循环流化床锅炉内，氮气燃烧就会逐渐氮化，继而产生NOx。同时，因还原性反应，NOx就会逐渐还原为N2。所以，对于还原反应以及氧化反应，对NOx浓度都会有影响。

3 低氮燃烧的改造工艺

3.1 扩大二次风的喷口，减少密集区的氮气含量

处于密集区位置，当燃料颗粒进入到炉膛之后，便开始升温着火。提高二次风喷口的位置之后，能够减少密集区的含氧量。同时，降低一次风比例，确保密集区处于还原性状态。当减少过量空气系数值后，对NOx有着良好抑制作用。对于未完全燃烧燃料，运输到稀相区之后，对二次风氧量进行补充，即可继续燃烧，在降低位置温度之后，也能够限制NOx的产生。

3.2 提升分离器效率

根据相关实验显示，针对循环流化床的锅炉燃烧，其粒径大小，对NOx产生有着直接影响。如果颗粒较细，能够提升炉膛的传热效果，确保炉膛内燃烧热量能够平均分配，促使炉膛温度处于均匀分配状态，防止密集区发生局部超温问题。同时，物料越细，燃烧速率越高，可加速氧气的消耗量，促进一氧化碳生成，进而增加碳粒表面的还原性，对NOx生成有着良好抑制效果。如果细颗粒的表面体积较大，则焦炭对NOx有着较好的还原性能。所以，对于循环流化床锅炉，开展改造分离，可有效提升分离效率，提高返料量。如果物料中的细颗粒较多，也能够增加循环灰浓度，对NOx产生有着抑制效果。

3.3 烟气再循环技术

针对引风机的出口烟气，经过风机，将其引入到炉膛的密集区，因烟气含氧量不够，在经过电除尘之后，可减少粉尘浓度。当进入到炉膛之后，可减少含氧浓度，对NOx产生进行抑制。此外，可有效补充一次风量。针对流换热区域，由于烟气含量较少，可减弱流换热。当再循环烟气进入至密集区，对于燃烧颗粒，可提升其扰动作用，有利于提升一次燃烧速率。同时，当烟气进入到炉膛之后，对其风量、流速以及压力，按照锅炉燃烧工况，再进行科学设计，能够适应不同的负荷状态，满足不同工况条件下的烟气量。在设计过程中，需精确选择再循环风机的机型，然后合理设计调节挡板，以有效提升再循环烟气量。

可以说，经过上述改造工艺，可促进NOx排放量的减少。此外，运用尾部脱销工艺，可促使烟气排放达到国家规定的超低排放要求。在改造之后，可减少脱硝剂使用量，进而减少环保成本。

4 实例分析

4.1 概况

在某电厂热电车间，有1台循环流化床锅炉，速率为310t/h。有两台速率为410t/h 锅炉。其中310t/h 锅炉通过非催化还原法、脱硝技术，可满足锅炉大气排放的相关标准，二氧化硫的质量浓度，小于200mg/m3，烟尘浓度小于30mg/m3，氮氧化物浓度小于200g/m3。同时，310t/h 锅炉通过脱硝技术和烟气脱硫技术，也可达到如上标准。为进一步优化烟气排放，对锅炉进行优化改造。

4.2 改造方法

对于循环流化床锅炉，选择多种污染物的脱硝技术，确保大气污染物排放，满足国家规定的超低排放限值。在新建燃煤机组上，满足燃气轮机的排放限值，烟气浓度小于10mg/m3，氮氧化物浓度小于50mg/m3，二氧化硫浓度小于35mg/m3。为促进余热回收的节能效果，通过开放回路改造以及闭合式回路改造方式。针对烟气余热回收，在热水系统中运用，设置水温为50℃，极易引起低温腐蚀。而通过闭合式循环设计方式，将循环水泵安装在回路之中，可有效解决低温腐蚀现象。同时，针对烟气余热回收系统，使其连接热网板式换热器，可保证水温达到70℃，进而建立开放式热水循环系统，并加装调节阀门之后，对热水使用状况进行调节。

4.2.1 氮氧化物

针对流化床锅炉的烟气排放，为确保氮氧化物浓度小于50mg/m3，可实施脱硝改造，烟气脱硝技术中主要是应用选择性非催化还原法与选择性催化还原法。前者主要是通过将稀释后的脱硝溶剂喷入塔内然后将环境温度控制在800～1 100℃，促使氮氧化物还原成氮气与水，脱硝率在50%～60%，一般采用工业尿素或氨水作为还原剂[5]。该技术的脱硝率高且还原剂容易获取，无二次污染的优点，具有经济效益高且操作简单的优势，对锅炉运行无明显影响，因此改造之后不会影响锅炉运行。催化还原法主要是在催化剂的作用下，将环境温度控制在320～340℃，使氮氧化物与氨气混合产生还原反应，从而生成氮气、氢气与氧气，脱硝率在70%左右，但是总体的投资和运营成本较高，且改造之后会影响锅炉原有结构。结合实际情况，选择了非催化还原技术。

4.2.2 二氧化硫

在烟气排放控制中，为保证二氧化硫浓度小于35mg/m3，可优化改造脱硫塔。在脱硫塔设计中，可选择复合塔构造。在塔内设计二氧化硫吸收区以及烟气洗涤区。同时，设计氨气逃逸、烟气降温以及颗粒物逃逸控制区域。对于不同功能区，可采取塔盘分隔方式。针对烟气降温区、洗涤区，可设计五层喷淋层，二氧化硫吸收区可设计三层，在每一个喷淋层中设计一台独立泵。针对二氧化硫的吸收区空塔，应严格控制烟气流速，保证小于3.5m/s。针对塔本体的进出口压力，应控制小于1 800Pa。针对吸收区的上部，可设置高效除雾和水洗装置，对氮气逃逸、颗粒物逃逸进行控制。同时，在锅炉投油燃烧过程中，燃烧形成油灰、油污，即部分未燃的碳氢化合物，进入到吸收塔系统，会对脱硫系统造成影响。针对吸收塔顶部，应设计三级除雾器。

4.2.3 烟尘处理

为优化烟气低排放，保证烟尘浓度小于10mg/m3，可优化改造脱硫塔。针对电除尘器，结合电袋除尘器的使用，可在脱硫塔内增加PULS 层，增加洗涤浆液的覆盖面，增加浆液和烟气的接触面积及时间，提升烟尘的脱出效果。

4.3 改造效果

针对流化床锅炉的改造升级，针对每条支线的松动，需保证气体的适量供应，防止料循环出现异常。按照改造结果分析：流化床锅炉经过改造升级后，烟气中所包含的烟尘、氮氧化物以及SO2，均实现大幅度的减少排放，满足超低排放标准，如表1所示。

表1 循环流化床锅炉的改造升级前后的效果对比

5 建议和前景

循环流化床锅炉，是立足循环流态化力量，组织正常燃料的燃烧过程，对高温固体进行循环燃烧。在锅炉系统中，固体颗粒充满炉膛，是一种悬浮、掺混的燃烧方式。同时，在燃烧经过破碎机击碎之后，在循环流化床锅炉中进行充分燃烧，通过分离器导出高温烟气，在对流受热面、尾部烟道换热之后，通过除尘器经过烟囱排出。为此，对于循环流化床锅炉的使用，应通过袋式除尘、湿法脱硫以及脱硝技术，可满足环保标准，对烟气排放进行有效控制。

同时，国家大力提倡节能环保，对于正常燃料的焚烧，也出台了相关处理标准，在煤炭、其他燃料等资源燃烧中，需进一步加大烟气处理工艺的技术改造，在提升燃烧效率的同时，降低污染物排放，达到保护环境的目的。

现阶段，烟气排放已成为污染防止的重点研究课题，根据烟气处理、燃烧技术要求，以达到烟气低排放标准。在烟气处理过程中，按照烟气处理设备，对可能发生的环境因素进行科学分析，积极探索设备改造方案，促进污染物排放的有效控制，进而提高能源利用率，促进资源的有效回收。

6 结束语

上述几种改造方式在实践中得到有效验证，烟气中氮氧化物减排效果十分显著。近年来，随着环保压力日益增大，为满足环保标准和要求，企业必须投入更多资金，加强污染防止，降低污染物的排放量，不然会承担更高的经济处罚。

针对循环流化锅炉，通过改造锅炉本身，即可促进氮氧化物的超低排放，在满足环保要求的同时，从源头开始治理污染，与尾气专门治理方案相比，在治理过程中，可节省消耗品和各类材料投入，进而降低锅炉运行成本，提升锅炉燃烧效率，促进经济性的提升。

所以，对于循环流化床锅炉，使用超低排放的改造技术，具有明显的技术优势，环保改造方案也得到了效果实践。需进一步加强锅炉燃烧技术、污染物防治技术的优化和创新，以进一步提升“低排放”标准，提升环保效果。