摘要：循環(huán)流化床(CFB)鍋爐傳統(tǒng)的爐內(nèi)脫硫和低溫分級(jí)燃燒等技術(shù)不能滿足近零排放(即超凈排放)的環(huán)保要求，因此結(jié)合CFB鍋爐污染物排放控制實(shí)踐，本文提出了采用“爐內(nèi)脫硫+尾部濕法煙氣脫硫技術(shù)、SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)、濕式電除塵器技術(shù)”的技術(shù)路線，來實(shí)現(xiàn)CFB鍋爐近零排放，即達(dá)到現(xiàn)行燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組排放平：SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3、煙塵≤5mg/Nm3。近零排放技術(shù)更有利于充分發(fā)揮CFB鍋爐燃用劣質(zhì)、高硫燃料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是今后大型CFB鍋爐的必然發(fā)展趨勢(shì)。

引言

“火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”(GB 13223-2011)對(duì)重點(diǎn)地區(qū)燃煤鍋爐的SO2、NOx及煙塵排放濃度提出了嚴(yán)格的要求，即分別小于50、100、20mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，6%O2，下同)，對(duì)重金屬汞(Hg)的排放也要求在0.03mg/m3以下。與此同時(shí)，一些地方和發(fā)電集團(tuán)又對(duì)火電廠煙氣污染物排放限值進(jìn)一步趨嚴(yán)，提出了“近零排放”、“超凈排放”、“綠色發(fā)電”的要求，即電廠煙氣污染物排放要達(dá)到現(xiàn)行燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組排放水平(SO2<35mg/m3、NOx<50mg/m3、煙塵<5mg/m3)，這樣傳統(tǒng)的CFB鍋爐通過爐內(nèi)加石灰石脫硫、低溫分級(jí)燃燒的低氮排放及煙塵濃度完全不能滿足“近零排放”的要求，因此必須進(jìn)行深度脫硫、深度脫硝及深度除塵。本文分析了CFB鍋爐近零排放技術(shù)，提出了近零排放的技術(shù)路線圖。

1 CFB鍋爐SO2近零排放技術(shù)分析

部分CFB鍋爐通過爐內(nèi)加石灰石并在一定條件下(如合適的床溫、Ca/S比、高活性的石灰石等)其計(jì)算脫硫效率(包含煤的自身脫硫率)可達(dá)90%甚至99%，SO2排放濃度(一般小于200mg/m3)可滿足非重點(diǎn)地區(qū)的環(huán)保要求，但仍滿足不了重點(diǎn)地區(qū)的要求，更不用說近零排放要求，特別是對(duì)一些高硫、低熱值的劣質(zhì)燃料如洗煤泥、煤矸石、油頁(yè)巖、石油焦、石煤等等，而這些正是煤粉爐不能燃用而CFB鍋爐最適合的燃料;另外還有許多CFB鍋爐由于各種原因光靠爐內(nèi)脫硫僅能達(dá)到50%左右的脫硫效率，因此需要采用尾部煙氣脫硫技術(shù)來達(dá)標(biāo)排放，這是必然的趨勢(shì)[1]。

目前火電廠成熟應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)主要有石灰石/石膏濕法、氨法、MgO法、海水法、煙氣循環(huán)流化床法等等。據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，在燃煤脫硫機(jī)組中石灰石/石膏濕法約占92%、海水法占3%、煙氣循環(huán)流化床法占2%、氨法占2%、其他占1%。對(duì)于CFB鍋爐，盡管爐內(nèi)能脫除50%以上的SO2，使得尾部脫硫系統(tǒng)SO2入口濃度大大降低，但要將SO2排放濃度降低到35mg/Nm3以下的近零排放要求，作者推薦采用濕法脫硫技術(shù)而不要采用許多研究者推薦的干法或半干法技術(shù)[2-4]，這里以石灰石/石膏濕法和煙氣循環(huán)流化床法作比較來說明。

首先在脫硫率上，目前石灰石/石膏濕法有各種成熟的提效技術(shù)，可使脫硫率穩(wěn)定達(dá)到98%以上，加上CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫，整體脫硫率很容易達(dá)到99%以上，使SO2濃度滿足近零排放要求，而煙氣循環(huán)流化床法盡管在低硫條件下也能達(dá)到95%以上的脫硫率，但條件苛刻，實(shí)際運(yùn)行中受煤種變化、石灰粉品質(zhì)以及運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)，特別是在低負(fù)荷下脫硫塔床層壓降難以維持等各種因素，實(shí)際脫硫率不能穩(wěn)定，造成SO2濃度達(dá)不到近零排放要求。其次在經(jīng)濟(jì)性方面，實(shí)踐表明，煙氣循環(huán)流化床法盡管初投資較低，但為了提高脫硫效率其實(shí)際鈣硫摩爾比會(huì)達(dá)到1.6以上，脫硫劑年消耗費(fèi)用將比濕法脫硫高出50%～100%以上，而且運(yùn)行電耗也很高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性比濕法差。目前濕法的國(guó)產(chǎn)化程度很高，系統(tǒng)內(nèi)腐蝕、磨損、堵塞等問題已得到很好的解決和控制，其投資和運(yùn)行成本已大大下降。第三，采用濕法可減少爐內(nèi)脫硫的比例甚至不投用爐內(nèi)脫硫，使CFB鍋爐的灰渣實(shí)現(xiàn)很好的綜合利用，且脫硫本身副產(chǎn)品能得到很好利用，而采用煙氣循環(huán)流化床法后脫硫副產(chǎn)品性質(zhì)不穩(wěn)定，對(duì)粉煤灰的綜合利用有著嚴(yán)重的影響，可能產(chǎn)生新的固體廢棄物處理難題。第四，采用濕法可有效地實(shí)現(xiàn)煙塵的協(xié)同治理，結(jié)合干法除塵器和濕式電除塵器，可使煙塵達(dá)到5mg/Nm3以下的近零排放要求，而煙氣循環(huán)流化床法則難以做到，針對(duì)CFB鍋爐推出的“SNCR+CFB-FGD+COA”的煙氣凈化系統(tǒng)即使采用布袋除塵器也不能解決煙塵近零排放問題[5-6]。

綜上所述，CFB鍋爐要達(dá)到SO2小于35mg/m3的近零排放要求，濕法脫硫工藝是首選，即便是SO2排放要求不高的機(jī)組，也應(yīng)如此。只有在特殊條件下，如嚴(yán)重缺水或壽命短的老機(jī)組、采用半干法脫硫又能滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求的，才考慮選用半干法煙氣脫硫技術(shù)。

2 CFB鍋爐NOx近零排放技術(shù)分析

大部分CFB鍋爐的運(yùn)行床溫控制在850～950℃，可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒和分級(jí)燃燒，在合適的運(yùn)行參數(shù)下，NOx的排放濃度可控制在200mg/m3以下，但也有部分揮發(fā)分較高的煤種以及運(yùn)行床溫較高的CFB鍋爐,NOx排放濃度可達(dá)到400mg/m3，滿足不了近零排放要求，需要加裝尾部煙氣脫硝系統(tǒng)。目前在電廠控制NOx排放的主要方法有選擇性非催化還原SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)、選擇性催化還原SCR(Selective Catalytic Reduction)等。

SNCR的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低;缺點(diǎn)是對(duì)溫度依賴性強(qiáng)，對(duì)煤粉爐來說，大部分脫硝率只有30%左右，這是因?yàn)樵诿悍坼仩t中還原劑的穿透深度較長(zhǎng)，無法保證還原劑與煙氣達(dá)到最佳的混合，另外反應(yīng)時(shí)間也較短。但對(duì)于CFB鍋爐，情況有所不同[7]：1)CFB鍋爐的NOx初始排放濃度因其低溫燃燒和分級(jí)燃燒方式而相對(duì)較低，較低的燃燒溫度使得熱力型NOx與燃料型NOx大量減少;2)CFB鍋爐具有一個(gè)非常有效的還原劑噴入點(diǎn)和混合反應(yīng)器—旋風(fēng)分離器，旋風(fēng)分離器內(nèi)溫度一般在850℃左右，正處于SNCR反應(yīng)溫度范圍之內(nèi);分離器內(nèi)的煙氣擾動(dòng)強(qiáng)烈且流動(dòng)路徑較長(zhǎng),利于噴入的還原劑和煙氣之間迅速而均勻地混合和還原劑在反應(yīng)區(qū)獲得較長(zhǎng)停留時(shí)間;從而保證了更高的脫硝效率。目前已有大量的SNCR系統(tǒng)在CFB鍋爐中應(yīng)用，如秦皇島秦?zé)岚l(fā)電有限責(zé)任公司2×300MW機(jī)組、華能白山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司2×330MW機(jī)組、國(guó)華寧東2×330MW機(jī)組、江蘇徐礦綜合利用發(fā)電有限公司2×300MW機(jī)組等等，SNCR裝置的脫硝效率可以保證在50%以上，甚至高達(dá)80%以上[8]。

SCR技術(shù)的NOX的脫除率可達(dá)80%～95%，目前我國(guó)絕大多數(shù)電廠將SCR技術(shù)作為控制NOX的主要手段，據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計(jì)，2012年新投運(yùn)的9000萬kW容量的脫硝機(jī)組中98%以上是SCR法，2013年投運(yùn)的2億kW脫硝機(jī)組和簽訂的合同中也基本上采用SCR法。目前SCR一般是高飛灰布置，即電除塵器之前。對(duì)燃用高灰煤的CFB鍋爐，飛灰有一定程度的磨損性，其中的一些有害物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒，降低脫硝效率，同時(shí)煙氣中的SO3在會(huì)同SCR反應(yīng)中逃逸的氨反應(yīng)，生成NH4HSO4。而NH4HSO4是一種粘性很大的一種物質(zhì)，會(huì)附著在催化劑上，隔絕催化劑與煙氣，使得反應(yīng)無法進(jìn)行，并使尾部空預(yù)器嚴(yán)重堵塞。對(duì)此可通過選取合適的催化劑節(jié)距、壁厚等以及運(yùn)行中控制氨逃逸、聲波吹灰和蒸汽吹灰聯(lián)合使用來滿足高灰條件的要求。

對(duì)于CFB鍋爐NOx的近零排放，單純的SNCR有時(shí)還難以滿足要求，例如當(dāng)原始NOx的排放濃度為200mg/m3時(shí)，要到達(dá)50mg/m3要求，至少需要75%的脫硝效率，SNCR不一定能保證，這時(shí)可以采用SNCR+SCR混合法，即將SNCR工藝的還原劑氨(或尿素)噴到旋風(fēng)分離器入口，逃逸的氨可在SCR催化劑反應(yīng)，進(jìn)一步脫除NOx。它是把SNCR工藝的低費(fèi)用特點(diǎn)同SCR工藝的高脫硝率進(jìn)行有效結(jié)合的一種揚(yáng)長(zhǎng)避短的混合工藝，特別適合現(xiàn)有CFB鍋爐脫硝的分部實(shí)施，即先安裝SNCR工藝，當(dāng)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格后，再安裝SCR裝置。對(duì)于新建大型CFB鍋爐，建議將SNCR作為常規(guī)配置，而至少要在尾部預(yù)留“1+1”SCR催化劑的空間，當(dāng)SNCR滿足不了環(huán)保要求時(shí)，再安裝1層SCR裝置，當(dāng)催化劑的活性降低或者要求更高的效率時(shí)，布置第2層催化劑。

3 CFB鍋爐煙塵近零排放技術(shù)分析

同煤粉爐一樣，采用常規(guī)的電除塵器技術(shù)以及電除塵新技術(shù)，包括低低溫電除塵技術(shù)、新型高壓電源和控制技術(shù)、移動(dòng)電極電除塵技術(shù)、機(jī)電多復(fù)式雙區(qū)電除塵技術(shù)、煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)、粉塵凝聚技術(shù)等，除塵器出口煙塵排放或許可達(dá)到20mg/m3重點(diǎn)地區(qū)的環(huán)保要求，而即使采用電袋復(fù)合除塵或純袋式除塵器，煙塵排放還是難以達(dá)到5mg/m3的近零排放要求，此時(shí)必需采用濕式電除塵器(WESP)技術(shù)。WESP通過在除塵器上部設(shè)的噴水系統(tǒng)，將水霧噴向電場(chǎng)，水霧在強(qiáng)大的電暈場(chǎng)內(nèi)荷電后分裂進(jìn)一步霧化，電場(chǎng)力、荷電水霧的碰撞攔截、吸附凝并，共同對(duì)粉塵粒子起捕集作用，最終粉塵粒子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)收塵極而被捕集。水在收塵極上形成連續(xù)的水膜，將捕獲的粉塵沖刷到灰斗中隨水排出。

WESP可有效收集細(xì)顆粒物PM2.5、酸霧(0.1～0.5μm)、氣溶膠、重金屬如Hg等，其收塵性能與粉塵特性無關(guān)，WESP也屬于電除塵器，除塵效率理論上可達(dá)到90%，甚至99%。它布置在濕法脫硫塔后面，與干式除塵器、吸收塔協(xié)同工作，可使煙塵排放濃度控制在5mg/m3以內(nèi)。WESP在冶金工業(yè)和其他行業(yè)中，作為一種控制煙氣中硫酸、顆粒排放的有效手段廣泛應(yīng)用，在1986年后國(guó)外燃煤電廠也開始采用WESP，去除煙氣中微細(xì)粉塵和酸霧等污染物，取得了良好的效果。過去的二十多年中，國(guó)外有幾十套WESP應(yīng)用于美國(guó)、歐洲及日本的電廠。目前國(guó)外專業(yè)設(shè)計(jì)制造濕式電除塵器的生產(chǎn)廠商典型的有美國(guó)B&W公司、日本三菱重工、日立等。我國(guó)從20世紀(jì)60年代就開始WESP的研究和應(yīng)用，但技術(shù)進(jìn)步緩慢，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于大型火電廠的濕式電除塵技術(shù)是引進(jìn)和自主開發(fā)并存，例如浙江菲達(dá)公司引進(jìn)日本三菱技術(shù)、浙江南源環(huán)保公司引進(jìn)日本日立技術(shù)，福建龍凈自主研發(fā)金屬極板技術(shù)，山大能源環(huán)保公司自主研發(fā)柔性極板技術(shù)，西安熱工院也開發(fā)FRP極板技術(shù)等等[9-11]，這些技術(shù)在300MW及以上機(jī)組都有示范應(yīng)用或正在應(yīng)用。

因此對(duì)CFB鍋爐，采用干式除塵器先將濕法吸收塔入口煙塵控制在30mg/m3以下，而吸收塔設(shè)計(jì)要求不增加煙塵含量即可，最后只需通過1個(gè)電場(chǎng)的WESP，使煙塵排放濃度達(dá)到5mg/m3以內(nèi)的近零排放要求。對(duì)于新建CFB鍋爐，即使暫不上WESP，尾部煙道上也一定要預(yù)留WESP裝置的空間。

綜上所述，本文提出的CFB鍋爐近零排放技術(shù)路線如圖1所示，事實(shí)上，煤粉爐的近零排放技術(shù)路線也基本如此。CFB鍋爐的環(huán)保治理技術(shù)與煤粉爐最終趨于基本一致，即采用“SCR脫硝技術(shù)+尾部濕法煙氣脫硫技術(shù)+濕式電除塵器技術(shù)”，這是必然趨勢(shì)!

4 結(jié)論和建議

(1)CFB鍋爐的SO2近零排放要采用爐內(nèi)脫硫+尾部濕法煙氣脫硫技術(shù)，無論對(duì)于老電廠還是新建電廠，都不要采用干法和半干法煙氣脫硫技術(shù)。

(2)CFB鍋爐的NOx近零排放要采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，對(duì)于新建CFB鍋爐，至少要預(yù)留1+1的SCR裝置空間。

(3)CFB鍋爐的煙塵近零排放要采用干法除塵器、濕法脫硫及濕式電除塵器協(xié)同控制技術(shù)。對(duì)于新建CFB鍋爐，至少要在濕法吸收塔后預(yù)留濕式電除塵器的空間。

CFB鍋爐要達(dá)到近零排放(SO2<35mg/m3、NOx<50mg/m3、煙塵<5mg/m3)，深度脫硫、深度脫硝及協(xié)同除塵是必需的，這當(dāng)是今后大型CFB鍋爐的重要研究方向。近零排放不是限制CFB鍋爐技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)越性，相反它更有利于充分發(fā)揮CFB鍋爐燃料的適用性廣，可燃用劣質(zhì)、高硫燃料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將使CFB鍋爐的發(fā)展日臻完美。