随着国家对燃煤电厂、热源厂污染物排放要求的不断提高, 超低排放已成为决定燃煤电厂、热源厂能否运行的关键指标。为此, 全国成千上万燃煤电厂、热源厂投入大量资金加装除尘、脱硫、脱硝装置, 对锅炉岛进行环保改造, 这既增加了设备资金投入, 又提高了锅炉岛运行、维护成本。如果燃煤锅炉初始烟气产生的污染物较少, 甚至锅炉烟气初始排放就能达到超低排放要求, 则燃煤电厂、热源厂投入的脱硫、脱硝、除尘设备就能大大减少, 燃煤电厂、热源厂的经济效益就会明显提高。近年来, 太原锅炉集团有限公司与清华大学合作, 在流态重构节能型循环流化床锅炉的基础上, 探索研制超低排放循环流化床锅炉。多台50 MWe循环流化床锅炉的鉴定试验已取得阶段性成果。

1 超低排放循环流化床锅炉

超低排放是指锅炉烟气中尘、二氧化硫、氮氧化物排放质量浓度[基准含氧量(体积分数)为6%]分别不超过10、35、50 mg·Nm^-3。目前燃煤电厂、热源厂在役的常规循环流化床锅炉烟气初始NO_x的排放质量浓度一般大于300 mg·Nm^-3, 有的甚至更高, 极个别由于煤种因素可能低于200 mg·Nm^-3。不投入石灰石时, 锅炉烟气中SO_x初始排放质量浓度一般在1 500 mg·Nm^-3以上, 投入石灰石后一般在300~400 mg·Nm^-3。常规循环流化床锅炉烟气初始排放SO_x和NO_x质量浓度远远超过锅炉岛超低排放值, 因此, 大多数燃煤电厂、热源厂只能选择加装投资大、运行成本高的SCR脱硝和湿法脱硫设备。如果燃煤电厂、热源厂锅炉烟气初始排放值较低, 能够实现低于或者接近超低排放值, 则采用简单的炉内选择性非催化还原(SNCR)脱硝或热备、炉内石灰石+炉后半干法脱硫或热备, 就可以满足超低排放要求, 从而大大降低设备投资和运行成本。

2 超低排放循环流化床锅炉的设计基础 2.1 煤的分析

锅炉烟气中的SO₂和NO_x是由煤燃烧生成的, 因此, 设计超低排放循环流化床锅炉首先必须对设计煤种特性进行分析。常规循环流化床锅炉设计时, 锅炉制造厂需要用户提供设计煤种的化学元素分析结果和煤的粒径分布, 其主要目的是进行锅炉热力计算、烟风阻力计算和结构布置等。

超低排放循环流化床锅炉设计时, 除完成上述工作以外, 对选定的设计煤种、设计石灰石也要进行取样试烧试验。试烧过程中, 测定不同燃烧工况下烟气中SO₂和NO_x的含量、灰的成灰磨耗特性、石灰石烧结特性和脱硫活性等。将试烧试验结果作为循环流化床锅炉床温、还原气场及分离器优化设计的基础。

2.2 NO_x的生成

烟气中NO_x主要包括NO、NO₂和N₂O。NO_x的生成分为三种类型, 即燃料型、温度型、快速温度型。循环流化床燃烧属于低温燃烧技术, 燃烧温度一般控制在800~900 ℃之间, 因此, 循环流化床锅炉烟气中的NO_x主要是燃料型, NO_x中的N元素来自于煤, 与空气中的N元素关系不大。循环流化床锅炉烟气中NO_x主要成分是NO, 占95%以上, 另有少量的NO₂和N₂O^[1]。

循环流化床燃烧也属于分段燃烧。燃料型NO_x主要在煤的干馏燃烧过程中生成于流化床和密相区, 因此, 合理控制此区间的燃烧温度、氧量就能降低NO_x的生成量。在一个足够大的流化床和密相区空间里, 严格控制燃烧温度、氧量和燃烧物料的颗粒粒径, 以便生成大量的CO, 并将NO还原成N₂。其化学反应过程为

C+O₂=CO₂

CO₂+C=2CO

2NO+2CO=2CO₂+N₂

由于循环流化床燃烧属于分段燃烧, 循环流化床锅炉炉内完全可以设计一个还原区, 这样既可以抑制NO的生成, 又可以还原NO, 且对锅炉燃烧、传热基本没有影响, 而其他燃烧方式目前还不具备此条件。因此, 循环流化床锅炉具备实现NO_x初始超低排放的先决条件。

2.3 SO_x的生成

煤中的硫除单质硫外, 主要分有机硫和无机硫两部分。有机硫是指与C、H等结合生成的复杂化合物(C_xH_yS_z); 无机硫主要是黄铁矿硫(FeS₂)和硫酸盐硫(CaSO₄等)。其中, 黄铁矿硫和有机硫及单质硫是可燃硫, 占煤中硫分的90%以上:硫酸盐硫是不可燃硫, 占煤中硫分的5%~10%, 是煤中灰分的组成成分。

煤在燃烧过程中, 所有的可燃硫都会随着受热从煤中析出。在氧化性气氛中, 可燃硫均会被氧化成SO₂。循环流化床锅炉烟气排放的SO_x中, 一般SO₂占98%左右, SO₃只占0.5%~2%左右, 相当于煤中1%~2%的硫分以SO₃的形式析出^[1]。

煤在循环流化床锅炉中燃烧, 黄铁矿硫(FeS₂)在300 ℃时即开始失去硫分, 但其大量分解则发生在650 ℃以上。在氧化气氛中, FeS₂直接生成SO₂。有机硫在煤中是均匀分布的, 一般在煤被加热至400 ℃时即开始大量分解析出, 但对不同煤种稍有差异。有机硫经过燃烧分解析出, 氧化后生成SO₂。在循环流化床锅炉中, 单质硫从流化床到密相区、稀相区、分离器、返料器都可能生成SO₂。反应方程式为

S+O₂=SO₂。

2.4 CaO的生成和脱硫

目前降低循环流化床锅炉烟气初始SO₂排放最便捷方法是采用石灰石干法炉内脱硫, 将CaCO₃送入炉膛内煅烧, 分解出的CaO与烟气中的SO₂发生反应, 生成CaSO₄随炉渣排出。该过程主要分为两步:

(1) 石灰石在流化床锅炉中煅烧, 石灰石中的CaCO₃煅烧分解为CaO析出CO₂。反应方程式为

CaCO₃=CaO+CO₂

(2) 煅烧生成的CaO表面呈多孔状, 孔隙为硫的固化反应奠定了基础。硫的固化反应即CaO与SO₂反应生成硫酸盐。其反应方程式为

CaO+SO₂+1/2O₂=CaSO₄

影响循环流化床锅炉脱硫的主要因素为:

(1) 床温

当床温低于800 ℃时, CaO孔隙减少, 孔径小, 反应速度低; 当床温高于950 ℃时, CaO内部的孔隙结构会发生部分烧结, 降低CaO与SO₂的反应速度, 导致脱硫效率降低。

(2) 石灰石入炉粒径

石灰石入炉粒径分布对脱硫效率也有较大的影响。理论上, 石灰石粒径越小炉内脱硫效果越好, 因为减小石灰石粒径能增加其表面积, 从而提高反应面积。如果石灰石粒径太小, 分离器捕捉能力差, 就会有很大一部分随烟气逃逸, 从而不能随物料进行多次循环并与SO₂长时间发生化学反应, 反而增加尾部烟道的飞灰量。最佳的石灰石粒径分布与该锅炉分离器切割粒径有关, 分离器对脱硫效率影响很大。

(3) 石灰石品质

石灰石品质对脱硫效率影响十分敏感。不同品质的石灰石反应性能差异很大, 在CaCO₃含量、晶体结构和孔隙特征上也有所不同。一般应对石灰石做热重分析, 测定其反应率指标, 从而准确推算钙硫摩尔比。

3 超低排放循环流化床锅炉工程设计

超低排放循环流化床锅炉是在节能型流态重构循环流化床锅炉的基础上延伸设计开发的。该锅炉采用单汽包、单炉膛、自然循环、全悬吊结构。锅炉主体结构由膜式水冷壁炉膛、两台高温绝热分离器和尾部对流竖井烟道组成。50 MWe循环流化床锅炉基本结构如图 1所示。炉膛内部布置水冷屏和过热屏, 尾部竖井布置包墙过热器、对流过热器、省煤器和空气预热器。为了确保锅炉在流态重构后仍能满足传热要求, 对超低排放循环流化床锅炉的燃烧热量分配和主要部件做了较大的改进。下面对主要部件改进原理和方向作简要描述。

3.1 流化床床温设计

流化床床温的合理确定是循环流化床锅炉能否实现超低排放的重要基础。在超低排放循环流化床锅炉设计中, 首先依据煤种、循环物料流态、受热面结构等确定合理的流化床床温。该床温既要满足炉内石灰石的煅烧要求, 又要抑制NO的生成。流化床床温与流化床面积、收缩率、炉膛受热面积、物料燃烧热量分配、循环物料质量、风的配比等因素有关, 工程上一般控制在800~900 ℃, 以控制在850~880 ℃为佳。目前在役的常规循环流化床锅炉床温一般在900 ℃以上。

3.2 流化床和密相区还原气场设计

由于循环流化床锅炉烟气中NO形成主要集中在流化床和密相区, 因此超低排放循环流化床锅炉必须在此相应设计一贫氧区, 这样既抑制NO的生成, 又可大量生成CO, 使NO与CO发生化学反应, 将NO还原成N₂。炉膛内生成CO需要具备一定的燃烧温度、燃烧物料的表面积、含碳量和欠氧等条件。还原气场设计如图 2所示。

3.2.1 欠氧燃烧

循环流化床锅炉床上物料含碳丰富, 气固混合强烈, 温度较高, 物料燃烧速度较快, 如果此时减少氧气供给, 物料燃烧后烟气中会生成大量CO。循环流化床锅炉床上氧气是由一次风提供的, 减少一次风量就能减少供氧量。早期的循环流化床锅炉一次风占总风量的55%左右, 超低排放循环流化床锅炉一次风量占总风量的40%~45%, 降低了10%~15%。

3.2.2 低料层阻力

增加有效物料床存量, 提高物料床质量是还原气场设计的必要条件。提高物料床质量, 燃料颗粒表面积增大, 可提高燃料燃烧速度, 有利于CO形成, 同时可以保证循环流化床锅炉运行时物料携带量, 保证传热的需要。降低料层阻力, 虽然减小了一次风量, 但仍可保证物料正常流化, 可以降低一次风机耗电量。循环流化床锅炉要实现低料层阻力运行, 分离器的分离效率是关键。

3.2.3 提升二次风高度

循环流化床锅炉属于分段燃烧。为了确保物料燃尽、炉内传热, 二次风以上炉膛部分氧量必须是过剩的。目前一般设计过剩空气系数为1.2~1.25。提升二次风高度, 拉大二次风与布风板之间的距离, 可为NO和CO发生充分的化学反应留出足够的时间与空间。

3.3 分离器设计

分离器是超低排放循环流化床锅炉的一个关键部件。一般要求分离器对分离物料切割粒径d₅₀在10 μm以下, 否则循环物料的床质量不能满足传热和循环燃烧需要。超低排放循环流化床锅炉必须对分离器进行优化设计。分离器的优化设计集中体现在分离器入口形状, 流速, 加速段、分离器直径, 中心筒的形状与布置等。

4 工程应用

基于前文提出的超低排放原理设计的50 MWe超低排放循环流化床锅炉(锅炉1)于2015年4月在山西霍氏自备电厂投入运行。2016年8月国家特种设备检测研究院对该锅炉燃用不同煤种时的性能进行了鉴定试验。该锅炉设计参数见表 1。鉴定试验煤种元素分析结果见表 2, 其中:Q_net为低位发热量; M_ar、V_daf、A_ar分别为水分、挥发分、灰分质量分数; C_ar、H_ar、O_ar、N_ar、S_ar分别为碳元素、氢元素、氧元素、氮元素、硫元素质量分数。

燃用煤种1时, 锅炉蒸发量为222~224 t·h^-1, 床温为830~860 ℃^[2]。投运石灰石后锅炉烟气中SO₂和NO_x的初始排放质量浓度分别为9.88、49.83 mg·Nm^-3, 钙硫摩尔比为1.6^[3]。燃用煤种2(贫煤)时, 锅炉蒸发量为214~216 t·h^-1, 床温为830~860 ℃^[2]。此时, 未投运石灰石情况下锅炉烟气中SO₂和NO_x的初始排放质量浓度分别为676.70、26.69 mg·Nm^-3[4]。

2016年10月国家特种设备检测研究院对2016年3月在山东临清三和纺织集团自备电厂投入运行的50 MWe超低排放循环流化床锅炉(锅炉2)进行了鉴定试验。该锅炉设计参数见表 3。鉴定试验煤种为贫煤, 其元素分析结果见表 4。

试验时, 锅炉蒸发量为222.85~223.5 t·h^-1, 床温为830~860 ℃。投运石灰石后锅炉烟气中SO₂和NO_x的初始排放质量浓度分别为22.6、46.18 mg·Nm^-3, 钙硫摩尔比为1.82^[5]。

上述试验结果表明, 基于超低排放原理设计的循环流化床锅炉燃用不同煤种并投运石灰石后, 其烟气中SO₂、NO_x的初始排放质量浓度均低于35、50 mg·Nm^-3的超低排放要求。

5 结语

为实现循环流化床锅炉的超低排放, 通过对流化床床温、流化床和密相区还原气场、分离器等的优化, 对流态重构循环流化床锅炉进行了超低排放优化设计。锅炉的实际运行试验结果表明, 所开发的循环流化床锅炉烟气中NO_x、SO_x初始排放质量浓度达到了超低排放要求。研究为该类型循环流化床锅炉的进一步推广应用奠定了基础。