国家电投山西铝业山西原平034100
摘要：煤炭是我国的主要一次能源，2016年能源消费总量中煤炭占比高达62%。我国的煤炭资源中，高灰分、高硫分、低发热量劣质煤占有较大比例，对劣质煤进行资源化利用是我国能源和环境领域面临的难题之一。循环流化床（circulatingfluidizedbed，CFB）锅炉由于具有极高的燃烧稳定性和广泛的燃料适应性，能实现劣质煤的有效利用。
关键词：循环流化床；锅炉烟气；脱硝方案；研究
引言
燃煤电力行业多采用石灰石-石膏法、循环流化床法等以钙基为脱硫剂的传统烟气脱硫技术，且基于超低排放政策的压力，电力行业已研究出多种脱硫增效技术及改造路线，目前脱硫市场已趋于饱和。
1SCＲ脱硝技术
脱硝技术一般分为燃烧前脱硝、燃烧过程脱硝和燃烧后脱硝。燃烧后脱硝即烟气脱硝，与NO的氧化、还原及吸附的特性有关。SCＲ技术最早于上世纪70年代用于日本电站锅炉的NOx控制，其原理是把氨基还原剂喷入锅炉下游300～400℃的烟道内，在催化剂作用下，利用氨基还原剂的选择性将烟气中NOx还原成无害的N2和H2O。SCＲ是一种成熟的深度烟气氮氧化物后处理技术，无论是新建机组还是在役机组改造，绝大部分燃煤锅炉都可以安装SCＲ装置。典型的烟气脱硝SCＲ工艺具有如下特点:
(1)脱硝效率可以高达90%以上，NOx排放浓度可控制到50mg/m3(标准状态，干基，6%O2)以下;(2)催化剂是工艺关键设备。催化剂在与烟气接触过程中，受到气态化学物质毒害、飞灰堵塞与冲蚀磨损等因素的影响，其活性逐渐降低，通常3～4年增加或更换一层催化剂。对于废弃的催化剂，由于富集了大量痕量重金属元素，需要谨慎处理;(3)反应器内烟气垂直向下流速约4～4．5m/s，催化剂通道内烟气速度约5～7m/s。300MW机组对应的每台SCＲ反应器截面积分别约80～90m2;(4)脱硝系统会增加锅炉烟道系统阻力约700～1000Pa，需提高引风机压头;(5)SCＲ系统的运行会增加空预器入口烟气中SO3浓度，并残留部分未反应的逃逸氨气，二者在空预器低温换热面上反应形成硫酸氢铵，易恶化空预器冷端的堵塞和腐蚀，需要对空预器采取抗硫酸氢铵堵塞措施。
2选择性非催化还原技术脱硝原理
选择性非催化还原技术是将氨水等还原剂直接喷入炉膛内，在800～1050℃的高温下与烟气中的NOx反应生成N2和H2O。在无催化剂作用下，氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx，基本上不与烟气中的O2作用。NH3还原NOx的主要反应:4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O。不同还原剂有不同的反应温度范围，NH3的反应最佳温度区间为850～950℃。温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低;反应温度过低时，氨逃逸增加，不仅使NOx还原率降低，而且逃逸的氨会造成新的环境污染。为了确保锅炉烟气中NOx的脱除效果，选择从炉膛的上部出口加入脱硝还原剂。选择性非催化还原脱硝主要由稀氨水制备与存储系统、稀氨水输送系统、控制分配系统、空气喷射系统、烟气系统、脱硝反应系统、电气控制系统等组成。采用合成氨生产过程中产生的稀氨水或液氨球罐上部的气氨按相关安全规程用冷脱盐水在稀氨水储罐内配制的质量分数为10%～15%的稀氨水作为脱硝还原剂，经稀氨水泵加压后送至氨水喷枪，利用0．5～0．7MPa的压缩空气将稀氨水雾化后喷入锅炉内与烟气中的NOx进行反应。
3中国烟气脱硫技术进展
中国对烟气脱硫技术的研究始于20世纪50年代，主要是针对有色金属冶炼等行业高浓度SO2（>3%，体积分数）烟气，而对于电厂、钢铁等行业低浓度SO2的脱除尚未有工业应用案例。20世纪70年代起，中国开始加大对电力行业脱硫技术的研究，但多未能实现工业化应用。自此中国开始引进国外先进设备及技术，1978年南化公司从日本引进氨-硫铵法脱硫装置；1992年重庆九龙电力公司引进日本三菱重工的石灰石-石膏法技术，并在华能珞璜电厂安装设备运行；随后中国又相继引进了日本的旋转喷雾法及电子束法、芬兰奥斯龙的循环流化床法、挪威ABB公司的海水脱硫法等。这些技术的引进为中国脱硫市场的快速发展奠定了坚实的基础。在引进国外核心技术的同时，中国相关高校、研究单位、环保公司也在相关技术国产化的研发方面不断探索，取得了典型成果：西南电力设计院等开发了喷雾干燥法，并于四川白马电厂完成中试，脱硫率为80%，每年可减排二氧化硫3300t；上海原子核研究所等开发了电子束法并完成10000Nm3/h试验装置；清华大学、东南大学热能工程研究分别完成了循环流化床法小试、中试等。截至2014年底，中国已投运的燃煤机组中石灰石-石膏法占比约92%，海水法、氨法、循环流化床法及其他脱硫方法分别占比约3%、2%、2%和1%。
4CFB燃烧过程的气体污染物排放控制
在CFB定态设计理论中，采用流态速度-循环量二维图谱，能够科学地指导CFB锅炉设计，使得CFB锅炉的设计实现了定量化。最近的研究表明，CFB流态仅仅定量描述是不够的，同时还需要一个指标表征流态的质量水平。经过比较分析，表征流态质量的最简单的参数是床料颗粒的直径，因为床料颗粒直径这个指标既是循环系统性能和操作条件的结果，又是影响CFB燃烧行为的原因。从而可将CFB定态设计理论二维图谱发展到以粒度作为第三轴的三维，将CFB锅炉的流态设计从单纯的“数量”设计发展到“数量”设计“质量”设计。
（1）循环流化床燃烧的炉内高效脱硫超低排放是660MW超超临界CFB锅炉工程必须达到的基本条件。该污染控制的立足点是炉内高效脱硫和低氮燃烧。CFB燃烧中，进入炉膛的石灰石受热分解，生成多孔的CaO[18]；进入炉膛的燃料受热发生热解、着火、燃烧、燃尽，其中的硫转化为SO2。SO2扩散到CaO外表面和内孔表面，被CaO化学吸附捕集下来，形成摩尔体积比CaO更大的CaSO3或CaSO4，引发孔隙直径减小直至完全堵死。脱硫产物层厚度仅仅为几十微米，因此石灰石的利用率有限，石灰石颗粒越小，脱硫反应的表面积越大，脱硫能力越强。（2）基于低氮燃烧的NOx控制CFB燃烧，NOx原始排放低于200mg/m3。我国强行执行超低排放，NOx50mg/m3，CFB锅炉面临极大挑战。CFB锅炉800~900℃低温燃烧，排放的NOx主要是燃料型。床料颗粒的粒度直接影响了密相区燃料颗粒和稀相区燃料颗粒获得氧气的条件，床料粒径减小，燃烧的还原性气氛越浓[16,26-27]，抑制了燃料NOx的生成。
结束语
循环流化床(CFB)锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放低、结构简单、运行灵活等诸多优势，在国内外得到广泛应用，特别是大型循环流化床锅炉的发展和应用在近年来尤为迅速。
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