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大型循环流化床锅炉炉内脱硫脱硝燃烧优化调整分析

2020-08-18信息来源 : 《工艺与设备》

摘 要:由于大型循环流化床锅炉在投入使用中具有燃烧污染物排放量低、燃料适应性广以及负荷调节范围大等优势,所以应用广泛。但同时,在控制其环保排放指标的过程中仍有多方面的因素会影响其燃烧污染物的排放。基于此,主要结合大型循环流化床锅炉炉内的脱硫脱硝燃烧问题进行分析,并进一步探究优化调整脱硫脱硝技术方案。

关键词:循环流化床锅炉;脱硫脱硝;燃烧;优化

在实际应用中,循环流化床锅炉(CFB)具有非常显著的优势,通过合理地控制炉膛温度以及分级燃烧可以在一定程度上实现降低NOx排放的作用。但在现阶段的应用中,烟气同时脱硫脱硝技术还没有得到有效的推广,大多仍处于实验室或中试阶段,技术尚未成熟,仍需要进一步结合CFB锅炉清洁燃烧的相关特点,从技术理论分析角度加以优化调整。

1大型循环流化床锅炉炉内脱硫燃烧工艺的优化调整

在循环流化床锅炉炉内脱硫燃烧工艺中,目前主要应用烟气脱硫(FGD)这一大规模商业化脱硫方法。结合其脱硫原理来分析,在实际脱硫过程中该方式主要利用碱性物质作为脱硫剂(吸收剂),对SO2进行吸收,然后经过化学反应形成亚硫酸盐,并在亚硫酸盐的基础上通入氧气将亚硫酸盐氧化为形态相对稳定的硫酸盐。目前,我国大型的火电厂烟气脱硫中主要采用炉内烧石灰石的脱硫方式,采用该脱硫方式能够提升整体脱硫效率,但与此同时,该方式也存在一定的缺点,其系统相对复杂、占地较大,还需要较高的投资成本。在脱硫反应中,以石灰石作为脱硫剂为例,主要固硫机理如下:

CaCO3(煅烧)→CaO+CO2温度为800~1000℃

在这一过程中,循环流化床锅炉炉内具有相对稳定的温度场,因而自身可以满足对炉内烟气脱硫的温度条件,而在此过程中,炉外的脱硫装置一般采用石灰石的制粉、存储以及输送的系统。通过大数据统计来看,经过循环流化床锅炉的脱硫运行,炉内废气中污染物指标明显下降,一般都能达到SO2排放标准。此外,在实际的炉内脱硫过程中,脱硫效率的变化还受到脱硫剂的特性及粒度、床层温度以及钙硫比等因素影响。

1.1脱硫剂与床层温度

在脱硫剂的选择上,部分具有高多孔性组织且地质年代不长的石灰石通常会对SO2具有更高的反应活性,所以在实际脱硫操作中通常会倾向于选择含有较高氧化钙且煅烧后具有较好孔隙结构的石灰石作为脱硫剂。较好的孔隙结构指的是经过高温煅烧后,能够在脱硫剂内部发现的分布均匀合理的大孔、小孔结构。既能够通过小孔促进脱硫反应表面积的增大,促进初始反应速度在短时间快速提升;也能借助大孔降低气体的实际扩散阻力。除此之外,石灰石的粒度以及粒径分布也是影响炉内脱硫效率的重要因素。理论上来说,偏小的脱硫剂粒度可以在一定程度上增大脱硫效率,减小对NOx的刺激,但与此同时,也必然会缩短石灰粉在炉内停留的时间,导致部分石灰粉随烟气流失,无法充分发生吸收反应。另外,过小的粒径还会使磨制系统的能耗增加。因而综合以上分析来看,在循环流化床锅炉中需要将脱硫剂(石灰石)的粒径控制在0.15~0.5mm。

此外,反应中床层温度也会对脱硫效率产生一定的影响,具体影响分析如下表1。

经过实践分析来看,850~900℃的床层温度,能够更好地提升燃烧效率,达到脱硫标准。

1.2锅炉循环效率

除了脱硫剂的选择与床层温度外,影响脱硫效率的重要参数还包括循环效率。通过实践经验表明,增大的循环倍率会促使飞灰再循环,进而延长石灰石在床内停留时间,促进脱硫剂效率的提升。简单概括来说,炉内脱硫技术需要合理的提升循环效率,进而通过炉内脱硫促进其燃烧更加清洁高效、低污染,既降低了用电消耗与运行成本,更避免了二次污染。

2大型循环流化床锅炉炉内脱硝燃烧工艺的优化调整

通过长期的实践来看,在使用CFB锅炉的过程中,不采用附加NOx控制技术,已经可以在一定程度达到比较理想的排放标准了。然而,在社会经济不断发展,环境治理压力不断加大,现行环境排放法规日渐严格的社会环境中,就要求燃煤锅炉必须要进行烟气脱硝。

从现阶段的脱硝技术来看,通常采用的主要有两类商业化烟气脱硝技术:其一是选择性催化还原(SCR),其二是选择性非催化还原法(SNCR)。在实际应用中,前者SCR脱硝系统的脱除率通常能够达到90%,但是由于寿命问题以及该技术应用的昂贵催化剂导致整体的投资过大,因而难以实现广泛推广与应用。而后者SNCR脱硝工艺通常需要应用于850~1000℃的条件,相对位置通常在CFB锅炉炉膛出口部分(或分离器进口)。采用SNCR脱硝工艺的原理主要是将氨气、尿素稀溶液等还原剂喷入炉膛,在高温下还原剂会迅速热分解出NH3进而与烟气中的NOx发生反应生成N2和H2O,达到脱硝的目的。在这一反应中,CFB锅炉提供了非常有效的还原剂喷入点以及混合反应器,能够强烈扰动分离器内的烟气,并使烟气停留1.5~3s,进而利用提前喷入的还原剂与烟气之间迅速而均匀的混合。可以说CFB锅炉独特的燃烧方式为喷氨脱氮提供了极佳的反应条件,进而促进脱硝效率的有效提升。在应用SNCR脱硝工艺的具体操作中,脱硝效率通常取决于反应温度与氨氮化学计量比等相关因素。

2.1反应温度

通过在实践中反复试验的结果表明,在脱硝工艺操作中,由于NH3初期的消耗速度较低且能满足后期动力的扩散需求,所以在反应区温度为900℃时,脱氮效率最高。而在氨氮比固定的条件下,以氨水为反应剂,设定730~950℃的温度区间,脱硝效率达到最高;而在温度高于950℃后,则采用尿素效率最好。

2.2氨氮比的确定

通过实践经验分析表明:氨∶氮=1.5∶1(或1.6∶1)、900℃的反应条件下脱硝效率最高。但是伴随氨氮摩尔比的增大,会导致还原剂逃逸率提升,使其中的NH3与SO3反应产生(NH4)2SO4,容易堵塞空预器。另外,循环灰中所含有的Fe2O3、CaO、Fe3O4等还能够对NH3还原N2O、NO的反应起到一定的催化作用,因而在混合反应器中循环灰的浓度越高,就会使气固多相反应越剧烈,降低NOx排放量。

3结束语

综上所述,伴随现阶段对大气污染物排放标准的提高,进一步采取优化措施促进脱硫脱硝效率的提升将是全球低污染排放的必然趋势。而对于循环流化床锅炉来说,由于其特殊的结构与燃烧方式,再加上炉内脱硫以及脱硝技术工艺的联合应用,将能够达到深度烟气净化目的,促进循环流化床锅炉实现环境友好型发展。

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