75t 循環流化床鍋爐煙氣超潔凈排放技術的研究與應用

潘惠敏，張立新

（1.山東華聚能源股份有限公司興隆莊礦電廠，山東 濟寧272100；2.兗礦集團興隆莊煤礦，山東 濟寧 272100）

0 引 言

全國各地推出燃煤機組“超潔凈排放”的環保要求，要求現有燃煤設施嚴格控制污染物的排放，大氣污染物排放標準值為：NOX≤50mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、粉塵≤5mg/Nm3。

目前，大型電廠鍋爐超低排放基本采用煙氣尾部新增SCR 脫硝，半干法或濕法脫硫等技術路線。這些技術投資費用多、需要場地面積大、操作復雜，運行費用高，水消耗量大，設備和管線易發生磨損和堵塞，需要經常維修，對于中小型循環流化床而言均不是特別適合。

1 現狀分析

興隆莊礦電廠3# 鍋爐為燃燒純煤泥的75t 中溫中壓循環流化床鍋爐，燃料為粒度0～10mm 的純煤泥，屬于超細煤泥，碳酸鈣與超細煤泥對灰熔點的影響，加上礦井水中含鈉離子較高，加上浮選藥劑的影響，在旋風分離器中易結灰垢，造成鍋爐返料中斷，影響鍋爐運行，根據“超潔凈排放”的環保要求，無法達到超潔凈排放。

興隆莊礦電廠針對存在問題，結合現有技術成立純煤泥75t 中溫中壓循環流化床鍋爐煙氣超潔凈排放技術的研究項目組。

2 研究方案

通過爐內脫硝，最大程度降低NOx 原生濃度，可為循環流化床鍋爐實現SO2和NOx 超低排放的奠定良好基礎。目前循環流化床鍋爐運行過程中脫硫工藝多采用爐內脫硫、半干法或濕法脫硫；脫硝工藝采用SNCR 脫硝、鍋爐低氮燃燒或SCR 脫硝。

該方案以100%全燒煤泥75t 中溫中壓循環流化床鍋爐和國家脫硝、脫硫等更嚴格環保政策為工程背景，采用流化床低床溫、低床壓運行的“定態設計”理論，綜合了兩種先進的設計理念與技術特色，以高倍率循環流化床流態圖譜為指導，以大顆粒燃燼為限制指標，適當降低構成循環床下部鼓泡床的無效床存量，避免多余存料量引起的風機能耗和受熱面磨損，可實現高效節能和長運行周期。通過合理布局二次風進口，改善鍋爐中心缺氧燃燒現象，降低NOx 生成量，實現全原生態煤泥穩定燃燒，降低爐內NOx 初始排放濃度，達到初始排放濃度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

主要通過兩步使3# 爐達到超潔凈排放環保要求的問題，一是通過技術措施控制煤泥的穩定燃燒，并實現爐內較低初始排放濃度，二是鍋爐尾部煙氣進一步通過脫硫除塵一體化技術即爐內脫硫+SNCR 脫硝+ 預電除塵+ 爐后半干法脫硫+ 布袋除塵，采用“一爐一塔”的串聯布置形式實現超潔凈排放濃度。

主要手段是：①改進分離器的分離效率；②改進物料回送裝置的流動特性；③注意控制燃料粒度達到設計要求；④更新傳熱系數和燃燒份額分配設計導則。

3 鍋爐煙氣通過技術措施實現爐內較低初始排放濃度

主要是對分離器、回料器優化、增加水冷受熱面積、流化床布風板和優化一二次風以及優化尾部受熱面來降低鍋爐煙氣等初始排放濃度；

3.1 分離器、回料器優化

循環流化床的爐內傳熱傳熱系數與氣固兩相流密切相關，提高爐內灰的濃度可相應提高傳熱系數，提高物料的循環量就需相應優化旋風分離器以提高分離效率，這同時也增加了床內細灰的份額，為調整風量分配提供有利條件。

根據全煤泥煤質、灰的物理特性以及設定各部分風速、邊界條件，分離器優化具體措施是偏置式中心筒材質由ZG26Ni4Mn3NRe 更換為0Cr25Ni20，優化中心筒結構和增加鎳元素含量以增加中心筒的強度與韌性；分離器直徑（mm）由Φ3000 調整到Φ3300，中心筒直徑由Φ1200 調整到Φ1300，料腿內徑由Φ450 調整到Φ400。

分離器效率提高后，循環物料中的細灰份額增加，適當減少床存量低床壓運行依然可以保證鍋爐正常運行。床存量降低后，二次風區域物料濃度降低，二次風穿透擾動效果增強，爐膛上部氣固混合效果得以改進，提高了鍋爐燃燒效率。

3.2 增加水冷受熱面積

通過增加水冷受熱面，鍋爐床溫控制在（850～900）℃，爐膛整體溫度水平穩定控制在900 ℃以下，爐膛出口煙氣設計溫度880 ℃。

3.3 流化床布風板和一二次風優化

調整循環流化床一二次風配為4：6，減小布風板面積，優化風帽結構，風帽直徑Φ76，小孔8-Φ10.5，接管Φ38x4，風室風壓可控制在6000Pa；減少二次風噴口數量，前后墻雙層布置，共設16 個Φ160 的噴口；爐膛出口空氣過量系數降至1.2 以下。

3.4 尾部受熱面的優化

改變循環流化床尾部受熱面的次序，由傳統受熱面順序變為先從高溫過熱器到低溫過熱器，再經過光管省煤器到空氣預熱器，通過受熱面次序的調整可以降低排放濃度。

經過以上技術措施的實施鍋爐出口氮氧化物原始排放濃度可以實現≤100mg/N.m3。

4 純煤泥鍋爐通過脫硫除塵一體化裝置實現超潔凈排放

脫硫除塵一體化裝置包括SNCR 脫硝技術，和爐內噴鈣+尾部半干法脫硫工藝兩部分。

4.1 SNCR 脫硝技術

SNCR 是不用催化劑，只在高溫區加入還原劑NH3、尿素等，噴入爐內與NOx 進行選擇性反應。還原劑噴入爐膛溫度為820～960℃的區域，該還原劑迅速熱分解成NH3 并與煙氣中的NOx 進行SNCR反應生成N2。

SNCR 脫硝工藝的效率能夠達到50%以上，能夠確保煙氣氮氧化物排放濃度≤50mg/N·m3。

4.2 脫硫采用爐內噴鈣+尾部半干法脫硫工藝

4.2.1 爐內噴鈣脫硫工藝

爐內噴鈣脫硫工藝：石灰石（即CaCO3）在高溫下煅燒分解成CaO，用CaO 作吸收劑脫硫，脫硫產物是硫酸鈣，其主要化學反應及反應式如下：

石灰石粉由罐車輸送至石灰石粉倉，粉倉設有庫頂收塵器、壓力釋放閥，錐部設有氣化板，在石灰石輸送時可有效的防止石灰石搭橋，利于石灰石的輸送使用。

石灰石從粉倉下出口經過變頻星型卸灰閥調節達到需要的添加量，再用噴射泵送入鍋爐參加混合反應，吸收煙氣中的酸性氣體。

4.2.2 尾部半干法脫硫工藝

鍋爐煙氣由煙道底部進入吸收塔，在吸收塔內，高溫煙氣與加入的吸收劑、循環脫硫灰充分預混合，進行吸收劑與HCl、HF 的反應。

流化床中氣固間傳熱、傳質效果很好，SO3可以全部去除。另外排煙溫度始終控制在高于露點溫度15℃以上，因此排煙不需要再加熱，同時整個系統也不需要其他的防腐處理。

4.2.3 除塵工藝

凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側向排出，然后轉向進入脫硫除塵器，再通過引風機排入煙囪。經除塵器捕集下來的固體顆粒，通過除塵器下的再循環系統，返回吸收塔繼續參加反應，如此循環，多余的少量脫硫灰渣通過物料輸送至脫硫灰倉內，再通過罐車或二級輸送設備外排。

在循環流化床脫硫塔中，Ca（OH）2與煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3，HCl，HF 等完成化學反應。

鍋爐煙氣通過預電除塵器(除塵效率達到80%以上)后經過尾部半干法脫硫，然后經過布袋除塵器(除塵效率達到)，實現煙塵排放濃度≤5mg/N·m3。

5 研究制定了旋風分離器結垢處理技術

進一步研究揭示了碳酸鈣與超細煤泥對灰熔點的影響，礦井水中含鈉離子較高，加上浮選藥劑的影響，在旋風分離器中易結灰垢，經化驗和分析大部分為鈣長石、鈉長石，結垢增厚導致旋風分離器下料腿內徑變小，易導致鍋爐返料中斷，影響鍋爐運行。

項目組通過對燃料分析、煙氣模型建模、運行溫度調整，研究了鈣長石、鈉長石生長對物料循環的影響，并采取了摻燒混煤、石英砂，控制鈣硫比、控制床溫等綜合措施對鈣長石進行抑制及消除，實現了鍋爐在超細煤泥和現有條件下的穩定燃燒。

6 現場應用測試

以上技術方案在現場進行了實施并應用，在應用過程中對鍋爐效率、煙氣排放情況進行了測試，測試結果如下：

1）鍋爐熱效率。在鍋爐運行狀況、燃料、灰渣系統、汽水系統符合測試要求的情況下，測試結果為鍋爐熱效率90.06%，排煙溫度152.6℃，過量空氣系數1.41，鍋爐熱效率優于《鍋爐節能技術監督管理規程》中額定工況下熱效率限定值（86%），屬于高效鍋爐。

2）鍋爐初始煙氣排放測試。在中溫中壓循環流化床鍋爐75t（95%以上）時進行檢測。

測試結果表明75t 中溫中壓循環流化床鍋爐達到初始排放濃度：SO2＜200mg/m3；NOX＜100mg/m3。

3）鍋爐脫硫塔后煙氣排放測試。檢測結果顯示75t 中溫中壓循環流化床鍋爐實現了鍋爐煙氣超潔凈排放，排放濃度：SO2＜35mg/m3；NOX＜50mg/m3；煙塵＜5mg/m3。

鍋爐及超低排系統運行正常，煙氣排放控制效果良好，現場測試結果與國家環保要求規定的技術指標相符。

通過鍋爐試運行，本臺鍋爐在全煤泥燃燒情況下，循環流化床鍋爐的穩定燃燒并實現較低的初始排放濃度；同時在高灰分、高水份的低熱值燃料情況下，煙氣污染物實現超低排放。

7 結束語

經過兩年多的安全穩定運行，興隆莊礦電廠在對分離器、回料器優化、增加水冷受熱面積、流化床布風板和優化一二次風以及優化尾部受熱面的3#鍋爐在全煤泥燃燒情況下，煙氣污染物排放實現超低排放并能安全穩定運行，其技術在國內同類型循環流化床鍋爐處于領先地位。

本項目成功實施后，兗礦集團又在南屯電力、濟三電力2×50MW 和2×135MW 機組超低排改造和低氮燃燒改造工程中推廣應用。