循环流化床锅炉多污染物协同控制技术应用探讨

李万忠，李浩杰

（1.内蒙古国电能源投资有限公司金山热电厂，呼和浩特 010110；2.内蒙古电力科学研究院环保所，呼和浩特 010020）

1 概述

循环流化床锅炉燃烧技术是清洁煤技术中商业化程度最好的优选技术之一，其具有煤种适应性强、负荷可调节范围大、燃烧稳定、炉内燃烧时可添加石灰石实现低成本脱硫、分级燃烧能有效降低NOx排放、灰渣可综合利用等优点。我国已经成为世界上拥有循环流化床锅炉数量最多、技术示范最多的国家，已积累了大量的经验，形成了完整的设计理论体系，目前循环流化床锅炉已在600MW机组上得到应用，在燃煤锅炉中占有重要的地位。

当前，我国的经济增长与环境容量的矛盾日益突出，国家已出台更为严格的大气污染物排放标准，其中包括2011年7月29日颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）。新标准再一次大幅调低了燃煤发电厂烟尘、SOx、NOx等污染物的排放限值，并首次提出了重金属汞排放限值低于30ng/Nm3，这就意味着燃煤电厂烟气今后将必须同时进行尘、硫、氮和汞等多污染物的脱除。循环流化床锅炉通过炉内投入石灰石可实现成本脱硫，但采用该工艺脱硫效率一般在80%左右，锅炉出口SOx排放浓度无法达到100mg/Nm3的要求，为满足排放要求，必须设置炉外脱硫装置；如果炉内投入了石灰石，势必导致飞灰中比电阻增加，直接会影响到除尘器的选型；循环流化床锅炉采用分级燃烧方式，燃烧温度较低，NOx生成浓度通常在200～300mg/Nm3之间，也无法满足排放限值低于100mg/Nm3的要求，仍需设置烟气脱硝装置，而脱硝过程中氨逃逸所形成的亚硫酸氢氨对下游的除尘器运行也会带来一定的影响；除尘器出口烟尘排放浓度会影响到湿法脱硫装置的运行稳定性和副产品品质；对于重金属汞排放限值低于30mg/Nm3的要求，需根据燃料中重金属汞的含量及烟气中重金属汞的形态、气态单质汞的含量来确定是否需单独设置脱汞装置。

火电厂依据国家环保法律法规和标准要求阶段性完成了单一污染物的控制，先后建设了高效除尘设备和脱硫装置，发达地区的一些火电厂进行了脱硝改造，近两年新上机组同步实施了脱硝装置建设，削减了烟尘、SOx、NOx等污染物的排放量。在一系列环保项目实施过程中，国内的环保企业或引进国外技术、或自主研发、或引进吸收国外技术再创新，形成了一批较成熟的除尘、脱硫和脱硝技术。火电厂通常会将除尘器、脱硫装置和脱硝装置分开建设或分步实施，并根据各环保企业的专长来确定实施厂家，而实施厂家往往只关注自身所承接的项目范围，很少会系统性考虑对上下游设备之间的关联作用和相互影响，最终导致各种脱除设备或装置之间会相互造成一些不利的影响，而相互之间可利用的积极因素没有得到有效挖掘。因此从国际环保技术发展方向看，研究开发高效、经济的多种污染物协同控制技术并进行系统集成已成为一种必然趋势。

2 各种污染物治理工艺路线的选择

目前现有的火电厂均安装有除尘器，采用循环流化床锅炉的机组还有大部分尚未安装脱硫装置和脱硝装置，《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）中已明确要求现有火电厂到2014年7月1日前通过改造来满足污染物排放限值要求，因此选择一条适合火电厂自身特点的多污染物治理工艺路线尤为重要。

2.1 火电厂除尘技术工艺路线

目前，我国的静电除尘技术已处于国际领先水平，应用比例在90%以上。由于我国燃煤的灰分较高，煤质和负荷多变，要稳定达到30mg/Nm3的烟尘排放限值，需采用6电场以上的电除尘器。国内现役机组电除尘器以4电场为主，绝大多数没有增加电场的空间，须采用袋式除尘技术、电袋复合除尘技术或移动电极等新工艺。而循环流化床锅炉如考虑在炉内投入石灰石来实现脱硫，将影响到飞灰的比电阻，对电除尘器的除尘效率会带来不利影响。即使炉内不脱硫，考虑到除尘器下游的湿法脱硫装置不设置旁路系统，在锅炉投油点火时，应避免油污进入到脱硫系统内，导致吸收剂被污染，造成喷嘴、管道和皮带脱水机滤布堵塞现象发生。因此在选择除尘器型式时需考虑投油时对除尘器的保护措施。

2.2 火电厂脱硫技术工艺路线

目前，我国火电厂脱硫技术已形成了石灰石-石膏湿法脱硫工艺为主，海水脱硫工艺、烟气循环流化床脱硫工艺、氨法脱硫工艺为辅的技术路线。其中石灰石-石膏湿法脱硫工艺占93%，海水脱硫工艺占3%，烟气循环流化床脱硫工艺占3%，氨法脱硫工艺占2%。石灰石-石膏湿法脱硫技术具有脱硫效率高、技术成熟、运行可靠性高、石灰石资源丰富价廉易得、石膏便于综合利用等特点，该工艺的最佳脱硫效率在95%左右，脱硫效率超过96%后，脱硫能耗会大大增加；烟气循环流化床脱硫技术脱硫效率通常为85%～90%，如果要进一步提高脱硫效率，势必会导致吸收剂的耗量大大增加；海水脱硫工艺和氨法脱硫工艺在应用上受到一定的限制，主要是要考虑海水或氨水的来源。循环流化床锅炉如有炉内脱硫装置，可考虑炉内脱硫和炉外循环流化床脱硫的复合脱硫方式，利用炉内脱硫时残余的石灰和外加的消石灰一起作为吸收剂在脱硫塔内进行反应，达到SOx满足排放标准的要求。

2.3 火电厂脱硝技术工艺路线

目前国内火电厂采用脱硝技术主要有选择性催化还原法（SCR），选择性非催化还原法（SNCR） 和氧化吸收法（COA）。已投运的烟气脱硝机组95%以上采用选择性催化还原法技术，原因是这些机组以煤粉锅炉为主，而循环流化床锅炉因其NOx排放浓度低，要达到排放限值仅需50%～60%的脱硝效率，且锅炉炉膛出口处设置的旋风分离器有利于氨与NOx的充分混合，采用选择性非催化还原法工艺既能够满足排放要求，又具有投资省、运行费用低等优点，因此选择性非催化还原法是循环流化床锅炉烟气脱硝技术中比较理想的工艺。氧化吸收法具有投资省、脱硝效率较选择性非催化还原法高等优点，但使用该工艺时需结合脱硫装置来实现脱硝的目的。

3 多污染物协同控制技术应用的可行性

随着国家对大气污染物控制的种类增加，火电厂需要设置的环保设施增多，如果不统筹性进行考虑，而是孤立地考虑单一污染物的治理措施，势必会导致烟气污染物治理系统更加庞大复杂，系统设备占地大、能耗高、运行风险大、副产物二次污染等问题发生。一些火电厂已先后建成了除尘器、脱硫装置和脱硝装置，实际运行中发现这些环保设施在运行中会相互作用、相互影响，其中既有积极的因素，也有消极的因素，通过开展多污染物协同控制技术应用试验与研究，可以实现烟气污染物综合治理系统扬长避短，充分发挥其多污染物协同控制的作用。

3.1 选择性非催化还原法脱硝技术、循环流化床干法脱硫技术和袋式除尘技术对多污染物的协同控制分析

循环流化床锅炉脱硝装置采用SNCR工艺，在锅炉炉膛出口和旋风分离器入口之间烟道上布置喷枪，此处烟气温度通常在800℃～900℃之间，处于使用该工艺理想的反应温度区间，氨水或尿素溶液作为还原剂通过喷枪喷入烟道与烟气接触，借助旋风分离器实现氨与烟气中NOx的充分混合并发生反应，达到对烟气脱硝的目的。行业标准规范要求氨逃逸率应小于10ppm，在满足这一要求的前提下，脱硝效率可保证60%，如果锅炉未进行脱硝处理时出口NOx浓度小于250mg/Nm3，锅炉脱硝时则可满足出口NOx浓度小于100mg/Nm3的排放要求；如果锅炉未进行脱硝处理时出口NOx浓度大于250mg/Nm3，为满足锅炉出口NOx浓度排放达标，需适当提高还原剂添加量，氨逃逸率将大于10ppm，此时应考虑逃逸的氨在不造成空预器堵塞的情况下进入循环流化床干法脱硫装置内，在脱硫反应过程中将氨消耗掉，满足烟囱出口氨的排放指标要求。

循环流化床锅炉脱硫装置采用循环流化床干法脱硫工艺，脱硫效率可长期达到90%，如果入炉煤含硫量较低，脱硫塔入口SOx浓度小于1000mg/Nm3，脱硫后烟气中的SOx浓度小于100mg/Nm3，可满足排放限制要求；如果入炉煤含硫量较高，脱硫塔入口浓度小于1500mg/Nm3，此时应考虑向炉内添加石灰石，通过炉内脱硫实现脱硫塔入口浓度小于1000mg/Nm3，再通过炉外脱硫装置脱硫后实现达标排放，炉外脱硫时一部分吸收剂来自烟气中残留的石灰，其余则来自外部加入的石灰，采用该脱硫工艺可有效避免下游设备和烟道的腐蚀，防腐工作可大大简化。此外，PM2.5以下超细粉尘在脱硫增湿过程中会实现凝聚和黏附，有利于后续袋式除尘器对PM2.5以下超细粉尘捕集的效率。

除尘采用袋式除尘工艺，袋式除尘器可满足烟尘出口排放浓度小于30mg/Nm3，甚至可实现更低的排放值，袋式除尘器不仅具有除尘功能，对脱硫效率的提升也起到了积极的作用。吸收剂附着在滤袋外表面，与烟气中的SOx接触充分，还能起到进一步发生脱硫反应的作用。此外，袋式除尘器还能起到脱汞的作用，对于固态汞化合物的脱除效率可达到99%以上，对气态汞也有一定的脱除效率。一般情况下烟气中的汞通过袋式除尘器后即可实现达标排放，如果烟气中的汞含量过高，可在除尘器入口烟道内喷入少量活性炭，通过活性炭对汞的吸附作用实现脱汞的目的。活性炭与脱硫副产物一起被除尘器捕集落入灰斗中，通过返料输送装置少量外排，绝大部分返回脱硫塔，进而实现循环利用。

采用上述工艺组合，不仅可实现脱硝、脱硫和除尘的目的，还可实现脱汞，此外还可有效控制氨逃逸量和提高PM2.5以下超细粉尘的捕集率，各装置除实现自身的主要功能外，还对其它装置实现协同作用，有利于实现对烟气多污染物的协同控制，不但可降低整个污染治理系统的造价，而且有利于整个污染治理系统稳定运行。

3.2 选择性非催化还原法脱硝技术、袋式除尘技术和石灰石-石膏法脱硫技术对多污染物的协同控制分析

循环流化床锅炉脱硝装置采用SNCR工艺，不仅要考虑氨逃逸率对空预器的影响，而且要考虑对袋式除尘器滤袋的影响，避免逃逸的氨与烟气中的SO3生成硫酸氢铵，黏附在滤袋外表面，造成糊袋现象发生。因此，为提高脱硝效率而适当加大还原剂的投入量，必须对袋式除尘器的滤袋进行必要的表面处理和保护，以保证袋式除尘器稳定可靠运行。在此情况下，袋式除尘器的清灰力度需适度，使滤袋表面保留一定厚度的粉饼层，实现对硫酸氢铵的拦截和包覆，可有效避免糊袋现象发生，同时可对氨起到相应的脱除作用。

袋式除尘器出口烟尘排放浓度低有利于下游的石灰石-石膏法脱硫装置的稳定运行，吸收剂浆液可不被烟尘污染，有利于脱硫效率和脱硫副产物品质的保证。脱硫过程中可对烟气中的氨同步脱除，也能起到进一步除尘的作用，但脱硫装置主要功能为脱硫，烟尘排放浓度应在上游的袋式除尘器出口就保证达标。在袋式除尘器入口烟道内喷入少量活性炭，通过活性炭对汞的吸附作用可以实现脱汞的目的，但活性炭无法实现循环利用，与本文章节3.1中提出的工艺组合相比，活性炭的耗量较大。

采用上述工艺组合，可实现对烟尘、SOx、NOx、汞的脱除，各装置之间也存在协同控制，需熟知和掌握彼此之间的相互影响，充分利用整个污染治理系统的潜力。

3.3 氧化吸收法脱硝技术、循环流化床干法脱硫技术和袋式除尘技术对多污染物的协同控制分析

循环流化床锅炉脱硝装置采用COA工艺，在脱硫塔入口烟道处通过向烟气中喷入KMnO4、NaClO等氧化性溶液，利用添加剂的催化和氧化作用，促使烟气中的O2和NO发生氧化反应生成NO2，与H2O发生反应生成HNO3，再与吸收剂Ca(OH)2发生反应生成Ca(NO3)2，从而实现脱硝过程。脱硝添加剂具有催化氧化功能，在催化氧化NO转化为NO2的同时，也会将烟气中一部分SO2催化氧化成SO3；而干法系统对SO3的脱除效率极佳，几乎可以全部脱除。因此采用COA工艺后对系统整体的脱硫效率有一定的提高。

COA脱硝系统单独设置，与脱硫系统既相对独立，又相互作用，脱硫塔不仅起到脱硫的作用，而且脱硝反应也主要在脱硫塔内完成，合理匹配脱硝和脱硫之间的交互关系，对脱硫系统的正常运行不会造成不利的影响，而在一定程度上又有利于脱硫效率的提高。实际运行中，可通过脱硫出口的烟气温度控制脱硝添加剂中水量和脱硫增湿水量的平衡。

采用上述工艺组合，脱硝添加剂还具有氧化单质汞的作用，促使烟气中的单质汞部分转化成氧化汞，可在后续的除尘过程中加以脱除，因此脱硝过程和除尘过程可以实现联合脱汞，使整个污染治理系统得到有效简化，占地面积大幅减少，主要占地设备集中体现在循环流化床干法脱硫装置和袋式除尘器上，脱硝剂制备系统占地很小，脱硝反应设备则借用脱硫塔，而脱汞功能的实现不需要添加其它设备。

4 结语

多种污染物协同控制技术已经成为当前各科研机构和环保企业研究的热点，也得到了工程设计单位和火电厂的广泛关注。本文结合循环流化床锅炉的烟气特征，提出上述几种多种污染物综合治理的工艺路线，旨在为火电厂在考虑烟气净化处理工艺选择和装置集成时提供一些参考性建议。现有火电厂已有一种或两种以上针对单项污染物的治理设施，如何因地制宜地选择技改路线，以满足当前及今后一个阶段的大气污染物排放要求，需要多方考察、充分论证，力争一次性解决问题，避免重复投资、重复建设。新建火电厂在选择大气污染物治理工艺方案时，应统筹兼顾，全面考虑，即使当前某个污染物暂时不在治理范围内，也应为将来的治理留有余地。