興起于20世紀下半葉的循環流化床（CFB）鍋爐燃燒技術，以其燃料適應性廣、污染排放低、變負荷能力強等，成為當今商業性最好劣質煤清潔利用技術。截至2016年年底，中國投運的150MW以上的大中型CFB鍋爐超過300臺，其中多數以低熱值煤為主要燃料。

由于CFB鍋爐采用中低溫燃燒，且爐內存在大量還原性物料，減少NOx排放具有天然優勢，通常可以達到200mg/m3（標準狀態，下同）以下，通過爐內脫硫也能實現90%~95%脫硫效率，因此能夠滿足世界上多數國家的排放要求。但是隨著中國環境保護形勢的日趨嚴峻，大氣污染物排放受到越來越嚴格的控制。2014年，國家出臺了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，對于燃煤鍋爐煙氣排放中的氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和煙塵提出了嚴格的限定，即NOx<50mg/m3，SO2<35mg/m3，煙塵<10mg/m3的“超低排放”的指標要求。

傳統CFB鍋爐均無法實現該污染物排放水平。根據統計分析，現行的部分CFB鍋爐由于設計與運行中的不足，仍然存在床溫偏高、爐內脫硫效率不穩定、NOx原始排放高等問題，在一定程度上制約了CFB鍋爐的健康發展。這些問題在超低排放壓力下更加凸顯。為此，許多機組被迫安裝昂貴的污染物脫除設備，選擇與煤粉爐相同的環保工藝路線，這將直接導致燃煤CFB鍋爐低成本污染控制的優勢不復存在。

因此，如何從技術和經濟性角度選擇合適的超低排放技術，是當下CFB鍋爐發展中的重要命題之一。本文基于2臺300MW亞臨界CFB鍋爐，通過理論分析和實驗測試，探索爐內清潔高效燃燒+爐內細石灰石粉脫硫+爐內SNCR脫硝+尾部煙氣循環流化床半干法多污染物聯合脫除的超低排放技術路線，以及在大型CFB鍋爐運行中應用的可行性。

1超低排放多污染物協同脫除技術路線

1.1概述

圖1所示為CFB鍋爐超低排放技術路線的流程圖。首先通過優化CFB鍋爐設計，在保證燃燒效率的前提下，降低污染物初始排放濃度，減輕末端污染物處理負荷。爐后以干式循環流化床凈化技術與裝置為核心，有機結合爐內脫硫，充分利用爐內未完全反應完的CaO，最終實現脫硫、除塵一體化及多污染物協同治理，達到煙氣超低排放的要求。

1.2節能、低排放CFB鍋爐本體設計

1.2.1低床壓設計

CFB鍋爐爐膛內是由底部粗顆粒形成的鼓泡床或湍動床和細顆粒在自由空域形成的快速床組成的復合流態。細顆粒能夠參與循環并能直接影響上部受熱面換熱，被稱為“有效物料”。而粗顆粒由于始終停留在爐膛底部而不參與循環，被稱為“無效物料”。過多的“無效物料”會導致膜式壁底部磨損，增加一次風機壓頭和功耗，增大二次風穿透阻力。因此通過流態重構方式，降低“無效物料”份額，增加細顆粒份額，從而實現CFB鍋爐在低床壓下運行。

為此，設計中采用如下優化措施：

（1）采用蝸殼式旋風分離器，入口煙道采用縮口、偏心布置，煙速提高至28m/s，中心筒采用消旋技術，實現二次分離，灰粒度d50可控制在約20μm。

（2）根據給煤的成灰磨耗特性，將給煤粒度由常規的dmax=10mm、d50=1.5mm降至dmax=7mm、d50=1.0mm。

（3）入爐石灰石粒徑由dmax=1.5mm、d50=0.45mm降至dmax=1.0mm、d50=0.35mm。流態重構后，物料平衡系統特性得到改善，床質量顯著提高，物料循環量增大，運行床壓可顯著降低。

1.2.2低床溫設計

爐膛溫度對污染物排放濃度有顯著影響，由于石灰石脫硫的最佳反應溫度為850℃，而NOx原始排放隨溫度升高逐漸增大，因此爐膛溫度應控制在830~870℃。為此需精細控制爐內吸、放熱量，具體措施為：

（1）優化受熱面布置：增加爐膛內吸熱，如適當增加爐內屏式過熱器和屏式再熱器的面積，或在爐膛內前水冷壁側增加水冷中隔墻等，確保實現低床溫。

（2）分區優化布風板風帽布置：使布風板中間區阻力大于四周區約為500Pa，增強布風均勻性，達到均勻床溫分布的目的。

（3）改進石灰石給料點：石灰石從回料腿給入，與返料灰提前混合、煅燒，有利于提高爐內脫硫石灰石的利用率和脫硫反應效率。

1.2.3二次風口布置

（1）NOx生成控制：延遲二次風進入時間，分別提高下二次風口至布風板以上2.5m處，上二次風口至布風板以上5.6m處，增強還原性區域范圍。此外，流態重構后，床料平均粒徑降低，床質量提高，爐內還原性氣氛進一步增強，從而有效控制NOx生成。

（2）SO2爐內脫除：增強二次風深度，補充爐膛中心氧量，提高爐膛上部氧含量均勻性，從而增強石灰石與SO2的反應，提高脫硫效率。

1.2.4配套輔機設計選型

（1）為滿足鍋爐低床壓和顆粒粒徑調控要求，入爐煤采用兩級破碎+三級篩分方案，石灰石采用柱磨制粉系統。

（2）采用回轉式空氣預熱器，較管式空氣預熱器而言，鍋爐尾部煙道受熱面更容易布置，吹灰效果好，降低了尾部煙道受熱面積灰的風險，解決了排煙溫度高的常見問題。

（3）對300MW機組優化滾筒冷渣機設計，將每臺鍋爐的冷渣機數量由6臺優化為4臺，降低初投資及運行費用的同時優化空間布置，使排渣管大角度彎頭減少，冷渣器運行更加穩定。

（4）鍋爐深度節能運行，優化一、二次風機選型，采用變頻調速方式；采用旋轉式暖風器，在不投暖風器期間可以旋轉換熱面，減小風道阻力。

1.3爐外多污染物聯合脫除系統設計選型及技術特點

（1）精準控制反應溫度：反應溫度是影響半干法脫硫效率最重要參數之一，煙氣攜帶吸收

劑經過文丘里裝置后，與上部噴水混合降溫，在激烈湍流過程中實現高效的脫硫。高壓工藝水噴槍產生的霧化粒徑使得液相反應持續時間在最佳反應狀態；回流式噴霧系統及動態回水響應裝置，精確控制噴入吸收塔內的工藝水量，在合理的反應溫度區間，提供了理想的比表面面積，大大提高了氣–固–液之間的化學反應效率，從而使系統更安全地運行在露點以上約15℃。

（2）精確控制流化床吸收塔內的床層波動：采用高線性物料循環閥，保證床層控制精度；同時采用多灰斗多線程自平衡控制模式，灰斗多料位和物料床層之間協同聯合控制，解決了灰斗灰位平衡問題，進一步保證了床層壓降的精確控制，從而使SO2、Hg等污染物脫除反應順利進行。

（3）最佳噴水位置的設定：配合文丘里裝置，噴水點為物料最為集中部位，確保噴入工藝水的充分蒸發和混合均勻；設置清潔煙氣再循環系統，保證鍋爐在低負荷運行時吸收塔運行穩定，最佳噴水位置點不發生漂移。

（4）多級長程干式消化器：通過在脫硫島內配套新型多級長程消化裝置直接制成消石灰干粉作為吸收劑，符合干法脫硫品質要求，實現較高的SO2脫除效果，提供品質優良的吸收劑。

2實施案例

山西國峰煤電有限責任公司于2015年10月建成并投運2×300MW亞臨界CFB鍋爐。該鍋爐設計與清華大學和東方鍋爐有限公司合作，為國內首臺應用該技術路線的300MW容量CFB鍋爐。實際運行中，重點解決爐內脫硫、爐外脫硫、NOx原始生成三者間的優化配合及鍋爐效率的匹配問題，在現有控制系統基礎上實現精細化低成本控制。

2.1基準運行工況調整

通過鍋爐深度調整試驗，總結出鍋爐額定負荷下，需控制氧量在2.5%，一次風率在37%，下二次風擋板開度在35%，床壓在6kPa，鍋爐輔機電耗、鍋爐效率達到最佳，且NOx原始排放較低（在130mg/m3左右），為大型CFB鍋爐進一步優化運行提供一定數據支持。

2.2爐內鈣硫摩爾比與鍋爐效率的最佳配合試驗研究

爐內噴石灰石脫硫工藝對鍋爐效率產生負影響的因素有煅燒熱消耗、固體排放物熱損失和化學反應時增加煙氣量的排放熱損失，對鍋爐效率產生正影響的因素是硫酸鹽化過程中放熱過程。由于機組絕大部分時間運行在70%~80%額定負荷，針對該負荷對爐內不同鈣硫摩爾比對鍋爐效率的影響進行試驗研究。結果顯示，爐內鈣硫摩爾比控制在1.85~1.90時鍋爐效率較高，且脫硫成本相對較低。

2.3爐內鈣硫摩爾比對NOx初始生成的影響

煤在熱解的過程中，含氮化合物會以HCN和NH3等氣體分子隨揮發分析出，稱為揮發分氮。石灰石煅燒產生的多孔結構，是NO生成天然的催化表面。研究表明，CaO顆粒對于NH3轉化為NO具有強烈的催化作用。因此石灰石加入會導致NOx排放濃度升高。

為了控制NOx和SO2排放，需研究石灰石投入量對NO生成量影響關系。實驗中控制75%負荷，一二次風配比1∶1，省煤器入口氧濃度為3.8%~3.9%，床溫860℃。圖2所示為爐膛出口NOx排放濃度與SO2排放濃度的關系。

隨著石灰石給入量增大，爐內SO2排放濃度逐漸減小。當爐內SO2排放濃度高于600mg/m3時，石灰石加入對NOx原始排放影響極小。當低于600mg/m3時，NOx初始生成濃度迅速增大，且低于400mg/m3時增速更為顯著。這主要是由于，初始情況下由于鈣硫比較低，石灰石反應較為充分，CaO較多轉化為CaSO4，對于NOx生成的催化作用較少。

而隨著鈣硫比升高，未反應的CaO表面增多，對于NOx生成的促進作用增強，導致NOx排放大幅增加。因此，脫硫、脫硝存在一最優平衡點，并非將SO2排放降至越低越好。

2.4爐內脫硫與尾部脫硫匹配實驗

CFB鍋爐爐內投石灰石脫硫時，有部分未完成反應的CaO隨煙氣進入爐外半干法脫硫系統中，繼續參與脫硫反應。爐內脫硫效率降低時，爐外半干法脫硫效率需提高以保證尾部煙氣超低排放，因此需要合理匹配爐內脫硫和爐外脫硫之間的關系。

實驗條件與2.3節相同，實驗結果如圖3所示，隨著Ca/S比增大，SO2生成濃度減小速度逐漸變慢。這主要是由于SO2濃度減小，SO2與CaO碰撞幾率降低，反應速率下降，氣相反應速率降低，脫硫難度增大。

圖4為爐內石灰石給入與半干法生石灰給入量隨爐膛出口SO2排放濃度的變化規律。對于爐外半干法脫硫，鍋爐出口SO2排放值在400~900mg/m3之間時，SO2值每提高100mg/m3左右爐外脫硫劑生石灰的用量增幅較大；而當鍋爐出口SO2排放值小于450mg/m3時，爐外生石灰的用量變化幅度較小。

對于爐內石灰石脫硫則恰恰相反，當鍋爐出口SO2排放值小于450mg/m3時，爐內石灰石用量變化幅度較大。但是如前所述，過多的石灰石加入會催化NOx原始生成增加。因此最為合適的平衡點，應控制爐膛出口SO2排放濃度在500mg/m3，鈣硫比約為2.05。

3經濟效益

3.1投資成本效益

表1所示為改造前后主要污染物排放對比。與濕法工藝路線相比采用本技術路線可以完成超低排放的要求。按目前2×300MW循環流化床鍋爐發電污染物控制典型技術，需配置SNCR系統+除塵器+濕法FGD+濕式電除塵，初期投資約1.6億元。該項目按干法工藝，初期投資約1.2億元，降低投資成本約4000萬元。此外，如考慮濕法廢水處理費用和煙囪防腐增加費用，節約投資將在1億元左右。

3.2運行成本效益

與傳統CFB電站相比其運行成本顯著降低，表現在以下幾個方面：

（1）廠用電率降低：低床壓節能技術將顯著降低風機能耗，按實際床壓降低3.0kPa，則預計降低約0.5%的廠用電率，節電效益約400萬元/年。

（2）運行可靠性提高：流態重構后，CFB鍋爐的水冷壁及相關受熱面磨損嚴重可明顯改善，機組運行可靠性明顯提高。按每臺爐每年減少1次水冷壁泄漏導致的停機損失，節約損失約200萬元/年。

（3）污染物脫除成本降低：低床溫可有效提高爐內脫硫反應效率，降低脫硫劑的消耗，同時可明顯降低NOx初始排放濃度。按年運行小時數5251h，年節約20%脫硝劑（尿素）和20%脫硫劑（石灰石）進行計算，經濟效益為脫硫、脫硝劑節約580萬元。

式中：m為單臺爐尿素耗量（或石灰石耗量），t/h；P為尿素或石灰石單價，元/t；η為尿素或石灰石節約比例。

（4）高效低污染排放的運行優化集成，通過深度調試匹配、節省爐后生石灰量、單元優化與系統整體性能的協同效應，降低運行成本，估算此項年效益約300萬元。

（5）較常規設計而言，低床壓運行要求入爐煤粒徑更細，這會導致磨煤系統設備磨損率增大、電耗增高，年運行維護費用因此將增加約60萬元。

上述5項合計，年節約運行成本為：400+200+580+300–60=1420萬元。

3.3實際運行效果評價

該項目自2015年投產以來，鍋爐實際運行床壓在5.5~6.0kPa，鍋爐平均床溫在870℃左右，SO2、NOx、粉塵排放指標均穩定達到超低排放要求且環保設施有足夠的裕量。非供熱期，雙機運行期間，機組平均發電廠用電率只有6.16%，鍋爐停爐檢查無明顯磨損情況，未發生因水冷壁磨損而導致的機組非停事件。

4結語

在國家“十三五”去產能提效益背景下，推動燃煤電廠超低排放、靈活性改造、廢水零排放的需求日益增強。通過爐內清潔高效燃燒+爐內細石灰石粉脫硫+爐內SNCR脫硝+尾部煙氣循環流化床半干法脫硫、除塵及多污染物（SO2、SO3、Hg等）協同脫除的技術路線，可以在降低機組初期投資和運行成本的同時，實現CFB鍋爐高效、節能、低排放運行，有助于提升循環流化床鍋爐機組的市場競爭力。