大型循环流化床锅炉超低排放技术应用分析

中国电建集团江西省电力建设有限公司 曾庆明

随着环保要求的不断提升，传统的CFB 锅炉技术面临着新的挑战和改进需求，急需通过技术创新和应用升级以满足更为严格的超低排放要求，推动清洁能源技术的发展与应用。

以某厂为例，其近期完成了大型循环流化床锅炉的超低排放改造项目，该项目是对现有的2×300MW 级别的CFB 锅炉进行技术升级，为该锅炉设计专门的超低排放系统，具体系统组成包括低碳燃烧配风系统、SNCR 尿素喷射脱硝系统、炉内喷钙脱硫系统、循环流化半干法脱硝系统，以满足最新的环保排放标准。

改造前该厂NOx 排放水平为150mg/m3，SO2排放水平为200mg/m3，颗粒物排放为50mg/m3。通过采用优化的氧化剂分配技术，在炉内安装的低NOx 燃烧器以及引入SO2减排和飞灰控制技术，改造后的实测数据表明NOx 排放降至50mg/m3以下，SO2排放水平减至35mg/m3，颗粒物排放控制在5mg/m3，均远低于国家规定的超低排放标准。此外工程的整体投资约为1.6亿元，预计每年可减少二氧化硫排放量750t，氮氧化物排放量530t，颗粒物排放量80t，该项目不仅显著改善了当地的空气质量，还提高了CFB 锅炉的运行效率，经济效益和环境效益获得双丰收。

1 超低排放系统组成分析

1.1 低碳燃烧配风系统

低碳燃烧配风系统需要优化燃烧空气的分配和利用实现燃料的充分燃烧，从而减少污染物的产生，该系统主要依靠对锅炉燃烧空气的精确控制与调节，以达到降低氮氧化物（NOx）排放的目的，以本次项目为例，低碳燃烧配风系统通常包含两个核心部件，分别为分级燃烧技术与风量调节技术。分级燃烧技术将燃烧空气分为主要燃烧空气和过剩空气，其中主要燃烧空气用于维持稳定的火焰和高效的燃烧过程，而过剩空气则负责进一步完善燃烧，确保燃料充分燃烧，同时最大限度地减少NOx 的生成；风量调节技术则更侧重于通过先进的控制系统实时监控并精确调整燃烧所需的空气量，保证最佳的空燃比，以实现燃料的充分燃烧，同时也能有效减少不完全燃烧导致的碳排放和其他污染物的生成[1]。

1.2 SNCR 尿素喷射脱硝系统

尿素喷射脱硝系统系统工作原理主要基于将还原剂（通常是尿素或氨水）直接喷入锅炉炉膛中，利用高温（约850℃至1100℃之间）条件下还原剂与NOx 发生化学反应，将NOx 还原为氮气（N2）和水蒸气（H2O），从而达到减少氮氧化物排放量的目的，以本次项目为例，具体设计参数如下：脱硝效率60%～80%、最佳作用温度850～1100℃、尿素消耗量210～250kg/t NOx、成本相对较低、设备复杂度低、二次污染风险中等。

该系统还可利用控制喷射系统精确注入适量的还原剂到锅炉的高温区域，可有效避免过量还原剂带来的二次污染问题，喷射系统的设计与调整对于实现最佳脱硝效率至关重要，需考虑到锅炉的运行状态、燃料类型和燃烧特性等因素，以保证还原剂能够均匀分布并完成充分反应。该系统相比其他系统具有设备简单、投资成本较低、维护操作简便等优点，但其脱硝效率和适用范围受到更多限制，因此在决定采用SNCR 技术时，需综合考虑锅炉的具体条件和排放要求，以及可能的经济与环境效益[2]。

1.3 炉内喷钙脱硫系统

该系统主要针对烟气中的SO2进行脱除处理，主要工作原理是在锅炉炉内通过喷射石灰石粉末或其他含钙材料，在本次项目所用的系统中，与烟气中的SO2发生化学反应后会然后生成硫酸钙等固态产物，从而达到脱硫的目的。炉内喷钙系统设计时需考虑石灰石的粒度、喷射位置和喷射量等关键参数，这些因素都直接影响脱硫效率，优化的粒度能保证石灰石充分燃烧生成活性高的石灰（CaO），而合适的喷射位置则确保了石灰石与烟气有足够的接触时间和混合程度以提高反应效率，适宜的喷射量保证了有足够的脱硫剂参与反应，实现更高的脱硫率，具体设计参数如下：石灰石粒250～400μm、喷射位置在炉膛上部或近燃烧区、喷射量浓度调整为SO2浓度的1.5～2.0倍化学当量、炉温850℃～900℃、脱硫效率≥95%。

炉内喷钙脱硫的优点在于系统简单、投资成本较低，且由于炉温高脱硫反应速率快，可以实现高效脱硫，并且反应产物可作为工业或建材领域的原料二次利用，减少废物的排放。此外为了达到超低排放标准，CFB 锅炉的炉内喷钙脱硫系统通常与低氮燃烧技术、精细控制飞灰排放的除尘设备等一起构成综合脱硝脱硫系统，保证污染物排放达到或优于国家的环保要求。

1.4 循环流化半干法脱硝系统

循环流化半干法脱硝系统主要目的是显著降低NOx 的排放量，该系统通过将脱硝剂注入燃烧过程中实现高效的NOx 减排，而在CFB 锅炉的运行过程中燃料与空气充分混合燃烧，产生的高温气体中含有NOx，循环流化半干法脱硝系统工作时利用一个特制的喷射装置在锅炉的高温区域喷入脱硝剂，如尿素或氨水等，这些脱硝剂在高温下迅速分解成能有效与NOx 发生化学反应的活性物质，促使NOx 还原转化为氮气和水蒸气，这一过程不仅能够有效降低NOx 的排放，同时由于其操作在半干态下进行，避免了湿法处理带来的二次污染问题。

2 大型循环流化床锅炉超低排放技术应用要点

2.1 NOx 减排技术

2.1.1 选择性催化还原（SCR）技术

该技术核心是在高效催化剂的作用下，使用还原剂与NOx 发生选择性化学反应，然后在250～400℃的温度范围内将NOx 直接还原成氮气以及水蒸气，从而实现有效的脱硝，而在具体设计原理方面，需加入一些相关计算进一步提高应用效率，比如在NOx 减排量计算方面应用公式如下：H=（B-A）×J，其中：H表示减排量（mg/m3）,B表示初始NOx 浓度（mg/m3），A表示最终NOx 浓度（mg/m3），J表示烟气流量（Nm3/h）。

而后在技术应用的过程中，将系统位于锅炉的烟气出口和空预器之间，确保烟气能够适宜温度，以铝钛复合氧化物为常用催化剂，该催化剂能在较宽的温度范围内稳定工作且抗硫性能好，还原剂与烟气混合需均匀，使用混合器或喷射装置保证氨气与NOx充分接触，且催化剂在使用一定周期后活性降低，因此需要进行再生清洗或更换以保持脱硝效率[3]。

2.1.2 选择性非催化还原（SNCR）技术

SNCR 通过向锅炉燃烧区域注入还原剂，通常是氨水（NH3）或尿素溶液，实现在高温下（通常在900℃至1050℃之间）直接与NOx 反应，将其还原为氮气（N2）和水蒸气（H2O），从而降低NOx 的排放量，具体应用过程需根据NOx 还原效率计算公式进行：N=（1-Cout/Cin）×100%，其中：N表示NOx的还原效率（%），Cin表示处理后的NOx 浓度（mg/m3），而Cout表示处理前的NOx 浓度（mg/m3）。

具体操作时，首先需要确定最佳的喷射位置和温度窗口，以保证还原剂能够在最适宜的反应温度范围内充分与NOx 发生反应，同时控制喷射量也至关重要，过量的还原剂不仅浪费还可能导致氨逃逸问题，而不足则无法达到预期的降低NOx 排放的效果，因此精确的控制系统和反馈机制对于调整喷射量，保证SNCR 技术的效率和经济性至关重要。

2.2 SO2减排技术

2.2.1 干法脱硝

该技术具体操作时还原剂被以液态或气态形式通过专门设计的喷嘴均匀喷入到锅炉的高温区域，在该温度下还原剂能迅速分解产生活性基团，与NOx 发生反应转化为氮气和水，从而实现脱硝，同时选取合适的喷射位置和保证足够的反应时间是实现高效脱硝的关键，过低的温度会导致还原剂分解不完全，影响脱硝效率，而温度过高则可能增加N2O 的生成量，不利于环境保护[4]。

2.2.2 半干法/湿法脱硝

半干法脱硫又称喷雾干燥吸收法（SDA），是通过将脱硫剂（通常是石灰石或石灰浆液）以雾化的形式喷入烟气中，与烟气中的SO2发生化学反应生成干燥的硫酸盐粉末，从而达到脱硫的目的，这一过程发生在专门设计的反应塔内，脱硫剂与SO2的接触充分，脱硫效率可达85%以上。例如采用直径为120μm 的喷雾粒子，相较于传统的200μm 粒子可将脱硫效率从原来的85%提升到90%以上，此外通过优化反应塔设计，如增加反应区高度可进一步提升脱硫效率。

湿法脱硫（WFGD）技术是目前应用最广泛的脱硫方法之一，其工作原理是将含SO2的烟气与石灰石/石灰水溶液混合，SO2与溶液中的CaCO3或Ca（OH）2反应，生成不溶于水的CaSO3并进一步氧化成CaSO4（石膏），此过程中需要添加适量的氧化剂（如空气）以促进反应的完全进行，湿法脱硫装置通常包括吸收塔、石灰石制备和供给系统、石膏脱水及处理系统等，该方法的脱硫效率极高，可达95%以上，且产生的石膏可以作为建筑材料的原料，实现资源的再利用，然而湿法脱硫的缺点是设备投资和运行成本相对较高，同时也会产生大量的废水，需要进一步处理才能排放。该两种方法在选择的过程中，一定要对其进行技术对比，根据不同特性进行选择，两者技术具体对比内容如表1所示。

表1 半干法与湿法脱硝技术对比表

2.3 飞灰控制技术

电除尘器。主要由带电的放电极和接地的收集极组成，形成强大的电场，当含尘烟气通过电场时，飞灰颗粒在放电极周围被电离区的高能电子轰击而带电，正负带电的粉尘颗粒分别向相反电性的极板移动，并被捕集到收集极上。随着时间推移，这些颗粒形成一层灰尘，在重力和振打等作用下脱落，经由底部的卸灰系统排出，从而实现烟气的净化[5]。

布袋除尘器。核心部件是由特定材料制成的滤袋，通常材料需要耐高温、耐腐蚀，并具有良好的透气性和过滤效率，CFB 锅炉烟气经过冷却和预处理后才引入布袋除尘器，在运行过程中含尘烟气通过滤袋，粉尘被滤袋表面拦截，净化后的气体通过滤袋内部排出，随着操作时间延长滤袋表面积聚的粉尘会增加，导致阻力上升，为保证系统正常工作和高效除尘，需定期对滤袋进行清灰以降低滤袋的阻力。清灰方法主要有两种，分别为脉冲喷吹和反吹风。脉冲喷吹是通过压缩空气的快速膨胀形成强烈的气流冲击波，打击滤袋，使附着在滤袋表面的粉尘脱落；反吹风则是向滤袋内部吹入一定压力的空气或惰性气体，从内而外对滤袋进行反向清洁，也能有效地去除粉尘，这两种清灰方式各有优势，可根据实际情况和设备配置灵活选择[6]。

综上所述，通过对大型循环流化床锅炉超低排放技术的有效应用后，能够进一步提高脱离效率，同时确保在额定负荷状态下使系统脱硫效率以及脱硝效率得到改善，同时确保该系统运行成本得到有效节约，为此需要不断提高重视，强化技术应用，确保行业的可持续性发展。