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大型循環流化床鍋爐爐內脫硫脫硝燃燒優化調整分析

2020-08-18信息來源 : 《工藝與設備》

摘 要:由于大型循環流化床鍋爐在投入使用中具有燃燒污染物排放量低、燃料適應性廣以及負荷調節范圍大等優勢,所以應用廣泛。但同時,在控制其環保排放指標的過程中仍有多方面的因素會影響其燃燒污染物的排放?;诖?,主要結合大型循環流化床鍋爐爐內的脫硫脫硝燃燒問題進行分析,并進一步探究優化調整脫硫脫硝技術方案。

關鍵詞:循環流化床鍋爐;脫硫脫硝;燃燒;優化

在實際應用中,循環流化床鍋爐(CFB)具有非常顯著的優勢,通過合理地控制爐膛溫度以及分級燃燒可以在一定程度上實現降低NOx排放的作用。但在現階段的應用中,煙氣同時脫硫脫硝技術還沒有得到有效的推廣,大多仍處于實驗室或中試階段,技術尚未成熟,仍需要進一步結合CFB鍋爐清潔燃燒的相關特點,從技術理論分析角度加以優化調整。

1大型循環流化床鍋爐爐內脫硫燃燒工藝的優化調整

在循環流化床鍋爐爐內脫硫燃燒工藝中,目前主要應用煙氣脫硫(FGD)這一大規模商業化脫硫方法。結合其脫硫原理來分析,在實際脫硫過程中該方式主要利用堿性物質作為脫硫劑(吸收劑),對SO2進行吸收,然后經過化學反應形成亞硫酸鹽,并在亞硫酸鹽的基礎上通入氧氣將亞硫酸鹽氧化為形態相對穩定的硫酸鹽。目前,我國大型的火電廠煙氣脫硫中主要采用爐內燒石灰石的脫硫方式,采用該脫硫方式能夠提升整體脫硫效率,但與此同時,該方式也存在一定的缺點,其系統相對復雜、占地較大,還需要較高的投資成本。在脫硫反應中,以石灰石作為脫硫劑為例,主要固硫機理如下:

CaCO3(煅燒)→CaO+CO2溫度為800~1000℃

在這一過程中,循環流化床鍋爐爐內具有相對穩定的溫度場,因而自身可以滿足對爐內煙氣脫硫的溫度條件,而在此過程中,爐外的脫硫裝置一般采用石灰石的制粉、存儲以及輸送的系統。通過大數據統計來看,經過循環流化床鍋爐的脫硫運行,爐內廢氣中污染物指標明顯下降,一般都能達到SO2排放標準。此外,在實際的爐內脫硫過程中,脫硫效率的變化還受到脫硫劑的特性及粒度、床層溫度以及鈣硫比等因素影響。

1.1脫硫劑與床層溫度

在脫硫劑的選擇上,部分具有高多孔性組織且地質年代不長的石灰石通常會對SO2具有更高的反應活性,所以在實際脫硫操作中通常會傾向于選擇含有較高氧化鈣且煅燒后具有較好孔隙結構的石灰石作為脫硫劑。較好的孔隙結構指的是經過高溫煅燒后,能夠在脫硫劑內部發現的分布均勻合理的大孔、小孔結構。既能夠通過小孔促進脫硫反應表面積的增大,促進初始反應速度在短時間快速提升;也能借助大孔降低氣體的實際擴散阻力。除此之外,石灰石的粒度以及粒徑分布也是影響爐內脫硫效率的重要因素。理論上來說,偏小的脫硫劑粒度可以在一定程度上增大脫硫效率,減小對NOx的刺激,但與此同時,也必然會縮短石灰粉在爐內停留的時間,導致部分石灰粉隨煙氣流失,無法充分發生吸收反應。另外,過小的粒徑還會使磨制系統的能耗增加。因而綜合以上分析來看,在循環流化床鍋爐中需要將脫硫劑(石灰石)的粒徑控制在0.15~0.5mm。

此外,反應中床層溫度也會對脫硫效率產生一定的影響,具體影響分析如下表1。

經過實踐分析來看,850~900℃的床層溫度,能夠更好地提升燃燒效率,達到脫硫標準。

1.2鍋爐循環效率

除了脫硫劑的選擇與床層溫度外,影響脫硫效率的重要參數還包括循環效率。通過實踐經驗表明,增大的循環倍率會促使飛灰再循環,進而延長石灰石在床內停留時間,促進脫硫劑效率的提升。簡單概括來說,爐內脫硫技術需要合理的提升循環效率,進而通過爐內脫硫促進其燃燒更加清潔高效、低污染,既降低了用電消耗與運行成本,更避免了二次污染。

2大型循環流化床鍋爐爐內脫硝燃燒工藝的優化調整

通過長期的實踐來看,在使用CFB鍋爐的過程中,不采用附加NOx控制技術,已經可以在一定程度達到比較理想的排放標準了。然而,在社會經濟不斷發展,環境治理壓力不斷加大,現行環境排放法規日漸嚴格的社會環境中,就要求燃煤鍋爐必須要進行煙氣脫硝。

從現階段的脫硝技術來看,通常采用的主要有兩類商業化煙氣脫硝技術:其一是選擇性催化還原(SCR),其二是選擇性非催化還原法(SNCR)。在實際應用中,前者SCR脫硝系統的脫除率通常能夠達到90%,但是由于壽命問題以及該技術應用的昂貴催化劑導致整體的投資過大,因而難以實現廣泛推廣與應用。而后者SNCR脫硝工藝通常需要應用于850~1000℃的條件,相對位置通常在CFB鍋爐爐膛出口部分(或分離器進口)。采用SNCR脫硝工藝的原理主要是將氨氣、尿素稀溶液等還原劑噴入爐膛,在高溫下還原劑會迅速熱分解出NH3進而與煙氣中的NOx發生反應生成N2和H2O,達到脫硝的目的。在這一反應中,CFB鍋爐提供了非常有效的還原劑噴入點以及混合反應器,能夠強烈擾動分離器內的煙氣,并使煙氣停留1.5~3s,進而利用提前噴入的還原劑與煙氣之間迅速而均勻的混合??梢哉fCFB鍋爐獨特的燃燒方式為噴氨脫氮提供了極佳的反應條件,進而促進脫硝效率的有效提升。在應用SNCR脫硝工藝的具體操作中,脫硝效率通常取決于反應溫度與氨氮化學計量比等相關因素。

2.1反應溫度

通過在實踐中反復試驗的結果表明,在脫硝工藝操作中,由于NH3初期的消耗速度較低且能滿足后期動力的擴散需求,所以在反應區溫度為900℃時,脫氮效率最高。而在氨氮比固定的條件下,以氨水為反應劑,設定730~950℃的溫度區間,脫硝效率達到最高;而在溫度高于950℃后,則采用尿素效率最好。

2.2氨氮比的確定

通過實踐經驗分析表明:氨∶氮=1.5∶1(或1.6∶1)、900℃的反應條件下脫硝效率最高。但是伴隨氨氮摩爾比的增大,會導致還原劑逃逸率提升,使其中的NH3與SO3反應產生(NH4)2SO4,容易堵塞空預器。另外,循環灰中所含有的Fe2O3、CaO、Fe3O4等還能夠對NH3還原N2O、NO的反應起到一定的催化作用,因而在混合反應器中循環灰的濃度越高,就會使氣固多相反應越劇烈,降低NOx排放量。

3結束語

綜上所述,伴隨現階段對大氣污染物排放標準的提高,進一步采取優化措施促進脫硫脫硝效率的提升將是全球低污染排放的必然趨勢。而對于循環流化床鍋爐來說,由于其特殊的結構與燃燒方式,再加上爐內脫硫以及脫硝技術工藝的聯合應用,將能夠達到深度煙氣凈化目的,促進循環流化床鍋爐實現環境友好型發展。

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