循环流化床锅炉污染物排放与控制

内蒙古京海煤矸石发电有限责任公司 王少东

1 循环流化床锅炉污染物的种类及成因

1.1 硫氧化物

某煤矸石电厂循环流化床锅炉主要以煤炭等化石资源作为燃料，燃煤中含有一定成分的硫化物，在高温条件下，燃煤持续析出硫分，在充分燃烧条件下使得硫分和氧气进行反应，以二氧化硫作为反应产物，以及在硫酸盐经过分解后产生二氧化硫。同时，为取得脱硫效果，需要在锅炉运行期间投入适量石灰石，石灰石在煅烧状态下出现分解现象，产生二氧化钙和氧化钙，氧化钙和二氧化硫相互接触后进行有氧反应，最终形成硫酸钙。而在循环流化床实际温度超出标准温度时，氧化钙内部结构在高温条件下发生变化，明显降低二氧化硫和氧化钙反应速率，最终造成加快了硫酸钙分解速度、所采集二氧化硫持续释放的后果，总体产生更多数量的硫氧化物作为锅炉污染物。

正常情况下，需要把循环流化床锅炉的内部温度控制在900℃以内，超出这一标准则会明显增加污染物排放量[1]。为了控制污染物排放达标，实现超低排放要求，某煤矸石电厂进行了超低排放改造，在引风机系统前增加了脱硫塔，采用福建龙净环保股份有限公司循环流化床脱硫除尘一体化工艺，采用炉外二次脱硫，实现超低排放要求。

1.2 氮氧化物

氮氧化物是循环流化床锅炉运行期间因煤粉燃烧产生的含氮氧化物总称，以一氧化氮为主，占比在93%左右。锅炉常温燃煤期间，氮气在高温环境下进行燃烧时持续产生一氧化氮和二氧化氮，以及少量在瞬间反应时形成的物质。同时，氮氧化物产生量和炉膛燃烧温度、煤粉实际含氮量、氧气含量等工艺参数有着密切联系。以炉膛燃烧温度为例，燃烧温度和氮氧化物排放量成正比，燃烧温度每提升10℃，则会新增1.5mg/m3左右的氮氧化物排放量，正常工况时把炉膛燃烧温度控制在900℃以内[2]。循环流化床锅炉低负荷时氮氧化物排放量大，调整控制困难，某煤矸石电厂进行了烟气再循环改造，实现了循环流化床锅炉可调精准送氧，低氮燃烧，使氮氧化物得到了有效的控制。

1.3 粉尘颗粒物

粉尘颗粒物包括飞灰、灰渣等，在循环流化床锅炉运行期间，如果使用劣质燃料，炉膛内部无法充分进行燃烧反应，使得燃料持续产生飞灰，飞灰占比在30%以上，单位体积烟气飞灰量是常规煤粉炉的2倍以上。同时，粉尘颗粒物排放情况受到锅炉炉型、除尘设施种类、燃煤灰分等多项因素影响，执行脱硝工艺与脱硫工艺时还会产生额外的次生物，此类次生物最终成为粉尘颗粒物的重要组成部分。

2 循环流化床锅炉污染物的排放与控制技术

2.1 除尘技术

除尘技术以减少烟气颗粒物排放量为应用目标，技术种类包括电除尘、袋式除尘、电袋复合式除尘，工作人员综合分析燃煤性质、现场运行条件、锅炉类型、飞灰性质来选择恰当的除尘技术。

2.1.1 电除尘技术

在带电条件下，凭借高压电场作用力使得烟尘颗粒物出现电离现象，由于烟尘颗粒物所带正负电荷存在差异，驱使颗粒向两极运动，最终附落在电极位置，后续采取振打、高压水冲刷等物理手段，清理电极表面吸附的烟尘颗粒物，使其自然落入灰斗内部，再由工作人员定期清理灰斗，即可把烟尘颗粒物实际排放量控制在较低水准，避免烟尘直接排放而出现扬尘、落尘、雾霾等环境污染问题。此项技术有着适用范围广、装置结构简单、易于维护管理、除尘效果不受炉膛燃烧温度与粉尘浓度等因素明显影响的优势，平均除尘效率在99.2%以上，可以把锅炉出口烟尘浓度控制在20mg/m3以内[3]。

同时，电除尘技术具体采取湿式电除尘、移动电极除尘、离线振打三种清灰形式。其中，湿式电除尘是在电极板附落带电颗粒物后，使用水流冲刷电极板表面灰尘颗粒，以外排废水或是中水作为补充水，可以额外起到减少三氧化硫与汞化合物的排放控制效果。移动电极除尘是配备移动电极板来预防反电晕现象出现，再使用清灰刷来刷除表面带电颗粒物，可以预防二次扬尘现象出现，但对除尘器的制造工艺、安装质量有着严格要求。离线振打是由除尘器定期关闭烟气挡板或是烟气通道，在切断电源情况下，持续振打电极板表面，并通过调节配风量来稳定流场。

2.1.2 袋式除尘技术

袋式除尘技术本质上属于一类物理过滤技术，在锅炉周边配备袋式除尘器，根据颗粒重量来实施多种除尘手段，把重量较大的带电颗粒物落入灰斗内部，其他细小颗粒经过滤料过滤后再掉入袋内，工作人员定期清理滤口部位堆积物，从而高效去除流体内颗粒污染物。此项技术有着良好环境适应性，适用于各类发电厂项目，根据实际除尘需要做好除尘器选型配置工作，以燃料化学成分作为滤料选材依据，以燃料和烟气化学成分作为滤袋选型依据。根据实际应用情况来看，袋式除尘器可以把有效除尘效率维持在99.5%以上，出口烟尘浓度不超过20mg/m3，配备小口径滤网时可以把出口烟尘浓度控制在10mg/m3以内。

2.1.3 电袋复合式除尘技术

某煤矸石电厂将原有的电除尘系统改造为由电除尘、袋式除尘两项技术交织融合形成电袋复合式除尘，除尘系统率先把锅炉排放的烟尘颗粒通过电极板进行清除，再把剩余灰尘通过布斗进行收集过滤，以此来取得更为理想的净化排烟效果。正常情况下，配备工艺成熟的一体式电袋复合除尘器，除尘器出口烟气浓度不超过5mg/m3，有着占地面积小、使用寿命长、过滤阻力低的优势。

2.2 脱硫技术

脱硫技术以控制硫氧化物等污染物实际排放量为应用目标，技术种类包括石灰石-石膏湿法脱硫、烟气循环流化床脱硫、氨法脱硫等。各项技术的脱硫效率、运行可靠性、能耗水平存在明显差异，工作人员需要综合分析二氧化硫入口浓度、项目所处地域、单机容量、锅炉型号等因素，挑选最为适宜的脱硫技术。

石灰石-石膏湿法脱硫技术。在锅炉周边配备喷淋式吸收塔，在吸收塔内部投加含有石灰石粉末的吸收剂，把锅炉所排放烟气吸入吸收塔，控制烟气和吸收剂相互接触，从而吸收二氧化硫、氯化氢等酸性气体，经过化学反应后产生亚硫酸钙等产物，再把产物强制进行氧化反应，最终获取具备利用价值的石膏等副产品，把脱硫处理完毕的干净烟气经由除雾器向外排放。此项技术有着工艺成熟、运行稳定的优势，平均脱硫效率超过98.5%，脱硫系统由吸收、烟气、吸收剂制备、石膏脱水储存等模块组成，可以根据烟气进口侧条件来动态调整脱硫系统运行状态[4]。

烟气循环流化床脱硫技术。某煤矸石电厂改造后的脱硫系统由流化床吸收塔、塔外吸收剂等部分组成，空预器出口烟气经原有电除尘器除尘后，从底部进入吸收塔，在吸收塔的进口段，高温烟气与加入的消石灰、循环脱硫灰充分预混合，进行初步的脱硫反应；烟气通过吸收塔下部的文丘里管的加速，进入循环流化床床体；物料在循环流化床里，气固两相由于气流的作用，产生激烈的湍动与混合，充分接触，在上升的过程中，不断形成絮状物向下返回，而絮状物在激烈湍动中又不断解体重新被气流提升，使得气固间的滑落速度高达单颗粒滑落速度的数10倍；吸收塔顶部结构进一步强化了絮状物的返回，提高了塔内颗粒的床层密度，使得床内的Ca/S比高达50以上，SO2充分反应。

锅炉所排放烟气先后经过吸收塔和塔外吸收剂进行循环处理，在吸收剂和烟气接触期间来脱除硫化物，脱硫效率取决于烟气停留时间、反应温度、钙硫比等条件，可以额外配备烟气清洗模块来维持吸收塔烟气负荷稳定状态。此项技术适用于以中低硫煤作为燃料的循环流化床锅炉，把石膏副产物后续用于制备干粉砂浆、路基材料等用途。

氨法脱硫技术。配备吸收塔，以氨水、氨气作为吸收剂，控制锅炉所排烟气和吸收剂相互接触，接触期间与二氧化硫进行化学反应，生成亚硫酸铵、亚硫酸铵和剩余烟气进行二次反应来生成亚硫酸氢铵，利用反应产物来脱除烟气所含的二氧化硫等污染物，并把最终产物作为肥料原料，实现回收利用目标。根据实际脱硫情况来看，此项技术的平均脱硫效率超过98%，取决于吸收剂pH值、停留时间、塔内气流分布等因素，必须定期更换全新吸收剂，或是滤除吸收剂内所含氯、氟等杂质，以及在吸收塔上加装超声波团聚器，从而保障脱硫效果、预防氨逃逸问题出现。

2.3 脱硝技术

脱硝技术以控制氮氧化物排放量为应用目标，当前普遍搭配采取源头治理技术和管道末端治理技术，源头治理技术以低氮燃烧技术为主，管道末端治理技术包括选择性催化还原技术、选择性非催化还原技术，具体如下。

2.3.1 低氮燃烧技术

加装低氮燃烧系统，配备低氮燃烧器，通过调节空气流动方向，在燃烧器出口部位分级送风，把空气和煤粉相互混合，以此来减少氮氧化物生成量，简单来讲，通过改变氮氧化物生成环境来减少锅炉炉膛出口氮氧化物实际排放量。此项技术有着工艺成熟、系统结构简单的优势，但氮氧化物减排效果会受到燃烧方式、发电机组容量等因素影响，平均减排率仅为20%～50%，实际减排效果并不理想。工作人员可以采取空气分级燃烧、燃料分级燃烧、低氮燃烧器燃料/空气分级等其他技术，以氮氧化物减排率指标要求、燃料种类、发电机组容量作为技术选择依据。

某煤矸石电厂通过改造烟气再循环系统，系统设置1台烟气再循环风机，将烟气从引风机出口混合烟道抽取增压后，经烟气再循环管路送往一次风机入口，与新鲜的一次冷风混合后，进入炉膛参与硫化燃烧，降低了炉膛出口烟气的含氧量，从而抑制了氮氧化物的生成，实现了低氮燃烧，使氮氧化物排放值得到有效控制。

2.3.2 选择性催化还原技术

以脱硝还原剂作为催化剂，持续向锅炉尾部投加催化剂，催化剂和烟气相互接触后进行化学反应，把一氧化氮、二氧化氮等有害成分经过化学反应来还原成氮气、水等无害成分。脱硝系统由还原剂储存模块、混合模块、反应器等部分组成，需要在省煤器和空气预热器间隔位置安装反应器。此项技术的平均脱硫效率超过90%，适用于运行温度在320～420℃以内的循环流化床锅炉。

2.3.3 选择性非催化还原技术

以氨气作为还原剂，持续向烟气高温区域注入还原剂，还原剂和烟气充分混合，在900～1100℃高温环境内进行化学反应，以氮氧化合物作为反应产物。此项技术有着无需额外使用催化剂、脱硝成本低廉的优势，但对环境温度条件有着严格要求，且平均脱硝效率较低，仅为35%～40%。

2.4 多污染物协同脱除技术

多污染物协同脱除技术也被称为超低排放技术，强调对循环流化床锅炉运行期间产生的全部种类污染物进行统一消除，把污染物实际排放浓度控制在《电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）等现行规范排放限值以内。正常情况下，采取干法脱硫除尘一体化技术，使用脱硝溶液，持续把一氧化氮转换为二氧化氮，二氧化氮、二氧化硫和吸收剂内氢氧化钙成分进行化学反应，以此来去除大气污染物和重金属污染物，此项工艺有着造价成本低廉、脱硝脱氮效率高、工况适应能力强、无二次污染与废水排放的优势，平均脱氮效率在95%以上，平均脱硝效率在68%以上。

此外，也可采取半干法联合脱硫脱硝脱汞技术，把一氧化氮经过氧化处理后转换为二氧化氮，二氧化氮、二氧化硫溶于水后与碱性吸收剂进行反应，实现脱硫脱硝目标，并使用脱硫除尘装置来脱除颗粒态汞成分，保持脱硫功能、脱硝脱汞功能独立使用状态[5]。