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)流化床鍋爐的設(shè)計及其應(yīng)用摘要：為滿足鍋爐島污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，降低鍋爐島系統(tǒng)投資和運行成本，通過控制爐膛溫度，減小床料粒徑，優(yōu)化床料質(zhì)量，增大循環(huán)流率，擴充貧氧區(qū)，抑制NO、SO2生成，提高局部CO濃度和CaO的固硫率，對流態(tài)重構(gòu)循環(huán)流化床鍋爐進行了超低排放優(yōu)化設(shè)計。鍋爐的實際運行試驗結(jié)果表明，所開發(fā)的循環(huán)流化床鍋爐煙氣中NOx、SOx初始排放濃度小于或接近于鍋爐島超低排放值。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；超低排放；設(shè)計

中圖分類號：TK229.6文獻標(biāo)志碼：A

DesignandApplicationofUltralowEmission

CirculatingFluidizedBedBoilers

DUQinru

（TaiyuanBoilerGroupCo.，Ltd.，Taiyuan030008，China）

Abstract：Inordertomeettherequirementsofthepollutantsemissionintheboilerisland，thereductionoftheboilerislandsysteminvestmentandtheoperationcost，andtheimprovementoftheoperationreliabilityrate，theoptimizationdesignofcirculatingfluidizedbed（CFB）boilerbasedonfluidizationstatereconstructionwasconductedbythecontrolofthefurnacetemperature，thereductionofthebedmaterialsize，theoptimizationofthebedmaterialquality，theincreaseofthecirculationflowrate，theexpansionoftheoxygenpoorzone，theinhibitionoftheNOandSO2formation，theimprovementofthelocalCOconcentration，andtheincreaseofsulfurfixationratebyCaO.TheactualoperationresultsshowedthattheinitialemissionsofNOxandSOxinthefluegasofCFBboilerwaslessthanorclosetotheultralowemissionoftheboilerisland.

Keywords：circulatingfluidizedbedboiler；ultralowemission；design

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。近年來，太原鍋爐集團有限公司與清華大學(xué)合作，在流態(tài)重構(gòu)節(jié)能型循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)上，探索研制超低排放循環(huán)流化床鍋爐。多臺50MWe循環(huán)流化床鍋爐的鑒定試驗已取得階段性成果。

1超低排放循環(huán)流化床鍋爐

超低排放是指鍋爐煙氣中塵、二氧化硫、氮氧化物排放質(zhì)量濃度[基準(zhǔn)含氧量（體積分數(shù)）為6%]分別不超過10、35、50mg·Nm-3。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300mg·Nm-3，有的甚至更高，極個別由于煤種因素可能低于200mg·Nm-3。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-3以上，投入石灰石后一般在300～400mg·Nm-3。常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐煙氣初始排放SOx和NOx質(zhì)量濃度遠遠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投資大、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)備投資和運行成本。

能源研究與信息2024年第34卷

第1期杜琴如：超低排放循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計及其應(yīng)用

2超低排放循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計基礎(chǔ)

2.1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)。

2.2NOx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[1]。

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

C+O2=CO2

CO2+C=2CO

2NO+2CO=2CO2+N2

由于循環(huán)流化床燃燒屬于分段燃燒，循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)完全可以設(shè)計一個還原區(qū)，這樣既可以抑制NO的生成，又可以還原NO，且對鍋爐燃燒、傳熱基本沒有影響，而其他燃燒方式目前還不具備此條件。因此，循環(huán)流化床鍋爐具備實現(xiàn)NOx初始超低排放的先決條件。

2.3SOx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）和硫酸鹽硫（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：硫酸鹽硫是不可燃硫，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，SO3只占0.5%～2%左右，相當(dāng)于煤中1%～2%的硫分以SO3的形式析出[1]。

煤在循環(huán)流化床鍋爐中燃燒，黃鐵礦硫（FeS2）在300℃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排放最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)生成硫酸鹽。其反應(yīng)方程式為

CaO+SO2+1/2O2=CaSO4

影響循環(huán)流化床鍋爐脫硫的主要因素為：

（1）床溫

當(dāng)床溫低于800℃時，CaO孔隙減少，孔徑小，反應(yīng)速度低；當(dāng)床溫高于950℃時，CaO內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會發(fā)生部分燒結(jié)，降低CaO與SO2的反應(yīng)速度，導(dǎo)致脫硫效率降低。

（2）石灰石入爐粒徑

石灰石入爐粒徑分布對脫硫效率也有較大的影響。理論上，石灰石粒徑越小爐內(nèi)脫硫效果越好，因為減小石灰石粒徑能增加其表面積，從而提高反應(yīng)面積。如果石灰石粒徑太小，分離器捕捉能力差，就會有很大一部分隨煙氣逃逸，從而不能隨物料進行多次循環(huán)并與SO2長時間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反而增加尾部煙道的飛灰量。最佳的石灰石粒徑分布與該鍋爐分離器切割粒徑有關(guān)，分離器對脫硫效率影響很大。

（3）石灰石品質(zhì)

石灰石品質(zhì)對脫硫效率影響十分敏感。不同品質(zhì)的石灰石反應(yīng)性能差異很大，在CaCO3含量、晶體結(jié)構(gòu)和孔隙特征上也有所不同。一般應(yīng)對石灰石做熱重分析，測定其反應(yīng)率指標(biāo)，從而準(zhǔn)確推算鈣硫摩爾比。

3超低排放循環(huán)流化床鍋爐工程設(shè)計

超低排放循環(huán)流化床鍋爐是在節(jié)能型流態(tài)重構(gòu)循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)上延伸設(shè)計開發(fā)的。該鍋爐采用單汽包、單爐膛、自然循環(huán)、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐主體結(jié)構(gòu)由膜式水冷壁爐膛、兩臺高溫絕熱分離器和尾部對流豎井煙道組成。50MWe循環(huán)流化床鍋爐基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐膛內(nèi)部布置水冷屏和過熱屏，尾部豎井布置包墻過熱器、對流過熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器。為了確保鍋爐在流態(tài)重構(gòu)后仍能滿足傳熱要求，對超低排放循環(huán)流化床鍋爐的燃燒熱量分配和主要部件做了較大的改進。下面對主要部件改進原理和方向作簡要描述。

圖150MWe循環(huán)流化床鍋爐基本結(jié)構(gòu)

Fig.1Fundamentalstructureof50MWeCFBboiler

3.1流化床床溫設(shè)計

流化床床溫的合理確定是循環(huán)流化床鍋爐能否實現(xiàn)超低排放的重要基礎(chǔ)。在超低排放循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計中，首先依據(jù)煤種、循環(huán)物料流態(tài)、受熱面結(jié)構(gòu)等確定合理的流化床床溫。該床溫既要滿足爐內(nèi)石灰石的煅燒要求，又要抑制NO的生成。流化床床溫與流化床面積、收縮率、爐膛受熱面積、物料燃燒熱量分配、循環(huán)物料質(zhì)量、風(fēng)的配比等因素有關(guān)，工程上一般控制在800～900℃，以控制在850～880℃為佳。目前在役的常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐床溫一般在900℃以上。

3.2流化床和密相區(qū)還原氣場設(shè)計

由于循環(huán)流化床鍋爐煙氣中NO形成主要集中在流化床和密相區(qū)，因此超低排放循環(huán)流化床鍋爐必須在此相應(yīng)設(shè)計一貧氧區(qū)，這樣既抑制NO的生成，又可大量生成CO，使NO與CO發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將NO還原成N2。爐膛內(nèi)生成CO需要具備一定的燃燒溫度、燃燒物料的表面積、含碳量和欠氧等條件。還原氣場設(shè)計如圖2所示。

3.2.1欠氧燃燒

循環(huán)流化床鍋爐床上物料含碳豐富，氣固混合強烈，溫度較高，物料燃燒速度較快，如果此時減少氧氣供給，物料燃燒后煙氣中會生成大量CO。循環(huán)流化床鍋爐床上氧氣是由一次風(fēng)提供的，減少一次風(fēng)量就能減少供氧量。早期的循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)占總風(fēng)量的55%左右，超低排放循環(huán)流化床鍋爐一次風(fēng)量占總風(fēng)量的40%～45%，降低了10%～15%。

3.2.2低料層阻力

增加有效物料床存量，提高物料床質(zhì)量是還原氣場設(shè)計的必要條件。提高物料床質(zhì)量，燃料顆粒表面積增大，可提高燃料燃燒速度，有利于CO形成，同時可以保證循環(huán)流化床鍋爐運行時物料攜帶量，保證傳熱的需要。降低料層阻力，雖然減小了一次風(fēng)量，但仍可保證物料正常流化，可以降低一次風(fēng)機耗電量。循環(huán)流化床鍋爐要實現(xiàn)低料層阻力運行，分離器的分離效率是關(guān)鍵。

3.2.3提升二次風(fēng)高度

循環(huán)流化床鍋爐屬于分段燃燒。為了確保物料燃盡、爐內(nèi)傳熱，二次風(fēng)以上爐膛部分氧量必須是過剩的。目前一般設(shè)計過?？諝庀禂?shù)為1.2～1.25。提升二次風(fēng)高度，拉大二次風(fēng)與布風(fēng)板之間的距離，可為NO和CO發(fā)生充分的化學(xué)反應(yīng)留出足夠的時間與空間。

3.3分離器設(shè)計

分離器是超低排放循環(huán)流化床鍋爐的一個關(guān)鍵部件。一般要求分離器對分離物料切割粒徑d50在10μm以下，否則循環(huán)物料的床質(zhì)量不能滿足傳熱和循環(huán)燃燒需要。超低排放循環(huán)流化床鍋爐必須對分離器進行優(yōu)化設(shè)計。分離器的優(yōu)化設(shè)計集中體現(xiàn)在分離器入口形狀，流速，加速段、分離器直徑，中心筒的形狀與布置等。

4工程應(yīng)用

基于前文提出的超低排放原理設(shè)計的50MWe超低排放循環(huán)流化床鍋爐（鍋爐1）于2024年4月在山西霍氏自備電廠投入運行。2024年8月國家特種設(shè)備檢測研究院對該鍋爐燃用不同煤種時的性能進行了鑒定試驗。該鍋爐設(shè)計參數(shù)見表1。鑒定試驗煤種元素分析結(jié)果見表2，其中：Qnet為低位發(fā)熱量；Mar、Vdaf、Aar分別為水分、揮發(fā)分、灰分質(zhì)量分數(shù)；Car、Har、Oar、Nar、Sar分別為碳元素、氫元素、氧元素、氮元素、硫元素質(zhì)量分數(shù)。

表1鍋爐1設(shè)計參數(shù)

Tab.1Designparametersofboiler

燃用煤種1時，鍋爐蒸發(fā)量為222～224t·h-1，