双流化床DFB燃烧及NOxSO2的超低排放

双流化床（双流化床（DFBDFB）燃烧）燃烧及及NOxNOx、、SOSO22的超低排放的超低排放刘学冰工程技术应用研究员2017年9月23日哈尔滨一、引言二、双流化床（DFB）锅炉及其高效洁净燃烧工艺三、双流化床锅炉高效洁净燃烧技术特点四、基于双流化床（DFB）燃烧的NOx超低排放机理五、双流化床燃烧炉内固硫暨SO2超低排放机理六、基于双流化床（基于双流化床（DFBDFB）锅炉的燃煤电厂及燃煤锅）锅炉的燃煤电厂及燃煤锅炉超低排放技术优势炉超低排放技术优势随着烟气污染物排放标准的提高，CFB锅炉也需要SNCR/SCR脱硝、进行尾部烟气脱硫才能达标排放，CFB锅炉清洁燃烧的技术优势不再突出。对于CFB锅炉NOx、SO2的治理，我一直在思考两个奇怪的问题：用合成氨作为还原剂脱除NOx煤的干馏产物主要有焦炭(或半焦)、煤焦油、粗苯、煤气、氨水等。石灰石-石膏法脱硫一、引言NOx、SO2等烟气污染物都是在煤燃烧过程中产生的，按照清洁生产的理念，研究烟气污染物产生的机理，从源头上控制污染物的产生，在煤燃烧过程中进行控制和治理，将会起到事半功倍的效果。循环流化床锅炉是一个多参数、强耦合、大滞后的复杂系统，低氮燃烧与高效燃烧及炉内脱硫相互制约。创新技术双流化床锅炉，通过设备和工艺的改进，将流化床各项指标调整过程中可能产生矛盾的参数进行分解调节，使各项指标可以通过单一参数或少量参数进行调节，最大限度的优化运行指标，可以使流态、循环、燃烧、传热、防磨等均达到更优，同时控制NOx的产生、进行炉内脱硫，从源头上使SO2、NOx实现超低排放，并降低自用电消耗，诸多指标能够在一台锅炉上实现更高水平的控制。二、双流化床（DFB）锅炉及其高效洁净燃烧工艺1、双流化床（DFB）锅炉的结构双流化床（DFB,Dual-FluidizedBed）锅炉，是将循环流化床（CFB,CirculatingFluidizedBed）与鼓泡流化床（BFB,BubblingFluidizedBed）进行协同组合而形成的一种创新设备。在常规循环床锅炉炉膛侧面至少设置一组鼓泡床，鼓泡床炉膛下部无埋管，设置给煤口，鼓泡床炉膛下部与循环床炉膛之间设有鼓泡床溢流口，鼓泡床炉膛上部与循环床炉膛之间的炉壁上设有烟窗，烟气由循环床中部进入循环流化床炉膛。鼓泡床一次风室通过风道连接到鼓泡床一次风烟气风机，鼓泡床一次风烟气风机入口通过烟气调节门与锅炉引风机出口烟道相连接；鼓泡床一次风空气风机通过空气预热器，与鼓泡床一次风烟气风机出口相连，空气、烟气混合均匀后进入鼓泡床一次风室。双流化床锅炉结构示意图2、双流态高效洁净燃烧技术工艺双流态洁净燃烧工艺过程：将燃煤破碎至0-8mm（根据煤的特性可调整）之间，按照燃煤含硫量掺入一定比例的石灰石，根据锅炉负荷需要连续均匀的将燃煤给入鼓泡床炉膛中。鼓泡床一次风室中送入炉膛的一次风由烟气和空气组成，调节鼓泡床一次风（烟气+空气）流量，即调节鼓泡床流化风速，可以控制鼓泡床流化状态；调节鼓泡床一次风中空气含量，即调节鼓泡床一次风的含氧量，可以控制鼓泡床内燃料燃烧强度，从而控制鼓泡床床层燃烧温度。此时，加入的燃煤在鼓泡床内加热，析出挥发分并在强还原性气氛中进行缺氧燃烧。煤加热析出的挥发份、细颗粒煤和烟气在鼓泡床炉膛内上升，经过加速由烟窗进入循环床炉膛中部，加入循环床的流化燃烧运行。2、双流态高效洁净燃烧技术工艺燃煤颗粒在鼓泡床炉膛密相区的，经过长时间的加热、热解、挥发份逐步充分释放，颗粒收缩成为焦炭，在此过程中由于热爆、燃爆、磨损等作用，焦炭成为更小的颗粒，并经过溢流口进入循环床炉膛中；循环床炉膛无给煤口，循环物料及燃料全部来自鼓泡床溢流口或烟窗流入的颗粒，鼓泡床炉膛内物料量及粒度结构一定的情况下，鼓泡床溢流物料量取决于密相区和过渡区的高度，通过调节鼓泡床一次风量，可以调节鼓泡床密相区流化高度，从而调节自鼓泡床炉膛经过溢流口进入循环床炉膛中的物料数量、速度；经过溢流口进入到循环床炉膛中的颗粒粒度很细，筛分较窄，均匀的细颗粒物料有利于循环流化运行；三、双流化床锅炉高效洁净燃烧技术特点1、循环流化床易于实现更高质量的循环流化工况双流化床的循环床的循环床物料全部为来自鼓泡床溢流的半焦和灰渣，粒径筛分特性变窄，平均粒径小，趋于“流态重构”理论的理想状态。2、对关联参数进行解耦，锅炉更容易操控，运行指标更容易优化（1）鼓泡床流化与燃烧解耦。鼓泡床流化状态和床层高度，通过调节鼓泡床流化风速来控制；鼓泡床燃烧强度及床层温度，通过调节鼓泡床流化风中空气含量，即流化风含氧量来控制，从而实现鼓泡床流化状态和燃烧强度（温度场）分别调节。（2）脱硫、脱硝参数控制解耦。脱硝、脱硫可分别通过调节鼓泡床、循环床运行状态进行控制，对烟气含氧量、温度场等参数的需求和调节互不干扰。灵活的的调控手段，可以使NOx的控制、SO2的脱除和高效燃烧各自达到最佳效果，可靠实现超低排放。三、双流化床锅炉高效洁净燃烧技术特点3、锅炉热效率高（1）燃烧效率高。燃煤进入锅炉后，挥发分在鼓泡床内基本燃尽，细颗粒粉煤（不能被旋风分离器回收的部分）随烟气在鼓泡床内燃烧后进入循环床继续燃烧，其燃烧时间比常规循环床更长，混合扰动传质、传热更强烈；循环床物料的优化，易于实现流态优化重构和燃烧优化的统一，同时热态燃煤由鼓泡床进入富氧的循环床炉膛即可进行剧烈燃烧；循环床不必考虑分段、低氮燃烧。总体燃烧效率可以接近或大于煤粉锅炉。（2）排烟温度低。由于在锅炉内脱除了SO2、NOx等酸性气体，锅炉排烟酸露点将大幅度降低，因而锅炉设计排烟温度可以大幅度降低，从而降低锅炉排烟损失。4、运行稳定性、可靠性高双流化床锅炉的鼓泡床和循环床均为低风速流化，由于磨损与流速3次方成正比，所以本锅炉部件磨损很轻甚至消除。四、基于双流化床（DFB）燃烧的NOx超低排放机理煤燃烧过程中NOx的生成有燃料型NOx(FuelNOx)、热力型NOx(ThermalNOx)和快速型NOx(PromptNOx)3种途径，在循环流化床锅炉低温燃烧条件下，氮氧化物的基本来源是燃料所含的N元素。1、N在煤中的赋存方式及其燃烧过程中的迁移与转换（1）N在煤中的赋存方式大量的研究发现：煤中的N几乎全部以有机物的形式存在，其赋存状态受到煤阶的影响。燃料型NOx的产生量与燃料的含N量有关，煤中N含量在0.4~2.9％之间，以环状含N化合物如吡啶、吡咯、季氮等形式存在。燃煤过程中大约有20～80%的N转化为NOx，其中NO占90～95。吡咯型氮（N-5）是煤中N的主要存在形式，其含量随煤阶的升高而降低，占煤中N质量分数的50-80%；吡啶氮（N-6）的含量随煤阶的升高而增大，一般为20-40%；季氮（N-Q）是另一种N的存在形式，质量分数为0-20%。吡咯型氮（N-5）的热稳定性低于吡啶氮（N-6）。（2）煤燃烧过程中N的迁移与转化煤的种类很多，元素结构十分复杂，即使是同种煤在不同热解条件下生成的挥发分成份及数量差异也很大，对燃料N的释放与转化有相当重要的影响。在煤燃烧过程中，随挥发份释放的燃料N比例与燃料类型、加热速率、反应温度、停留时间等密切相关。煤燃烧过程中氮化合物首先转化成能够随挥发分一起从燃料中析出的中间产物（NOx前驱物）如氰（HCN）、氨（NH3）等，进一步氧化生成NOx,称为挥发分N，是生成NO的主要来源。而残留在焦炭中的含氮化合物称之为焦炭N。燃料N在煤热解、燃烧过程中的迁移和转化是十分复杂的，梳理前人的研究成果，可得到如下概念：挥发份N反应区域氧气浓度是影响NOx生成的关键，低氧浓度可抑制燃料N向NOx转化，控制好燃料N大量释放区域的氧浓度是抑制NOx生成的关键；在高温热解或持续性加热的情况下，残留在焦炭中的吡咯型氮（N-5）全部转化为热稳定性较强的吡啶型氮（N-6）。CaO的存在，对NH3氧化生成NOx的反应具有催化促进的作用，CaO对燃料N转化为NO的催化能力强于其分解能力;CaO是氧化性气氛下N2O分解的强催化剂;CaS是CO还原NOx的强催化剂。＞900℃时，Ca、Na等会促进吡咯N转化为NO；而会抑制吡啶N转化为NO。焦炭燃烧过程中燃料N会氧化生成NO，同时NO又会被焦炭还原为N2，在焦炭燃烧为主的高温反应区内，还原NO的能力远大于NO的生成量。研究表明，随着O2浓度增加，焦炭N向NO的转化率呈下降趋势。这是由于O2浓度增加使得焦粒表面温度升高、焦粒表面形成的碳氧络合物C（O）更多、焦炭表面活性部位（-C）增加，都会促进NO的还原反应；同时焦炭表面的C（N）会和O2或NO发生反应，进一步减少NO释放量。煤焦灰份含量越高，焦炭N向NO转化率越低，灰分会促进NO的还原。（2）煤燃烧过程中N的迁移与转化2、煤燃烧过程中NOx的控制和脱除技术通过对煤炭燃烧过程中N的迁移与转换规律的分析，采用低氧燃烧、低温燃烧可大大减少NOx的生成量，但同时会影响燃烧效率，通常考虑分段燃烧，相关技术主要有：为降低NOx，各单位纷纷进行CFB锅炉技术改造，主要措施有：改变一二次风配比、提高二次风喷口高度、多层二次风改造、增加烟气再循环、增加SNCR/SCR系统等，取得了一些成效，但是上述低N燃烧技术只能相对控制燃煤挥发分析出、燃烧的气氛，其低N效果是受局限的。实际上，低氮燃烧方案的实施减少了NOx的排放，同时也使CO、飞灰含碳量有所增加。3、基于双流化床（DFB）燃烧的NOx超低排放机理（1）理论分析、实验研究及CFB锅炉运行实践都表明：过量空气系数α越高，NOx生成量和转化率越高，当α＜1时，其生成量和转化率急剧降低，当α≈0.7时，燃料N主要转变成N2。对于DFB锅炉，燃煤在鼓泡床中加热、析出挥发份、挥发份燃尽过程均处于绝对还原性气氛中，进行低温燃烧，消除了NOx的产生条件，燃煤挥发分中N不会向NOx转化。（2）经过长时间中温干馏的焦炭N主要为吡啶N（N-6），随半焦进入循环床燃烧。高浓度循环灰携带的细颗粒焦炭对NOx的还原能力强于N-6向NOx的转换量；运行实践也证明：循环床炉膛密相区（燃煤挥发分集中释放区域）上部NOx浓度最高，沿炉膛向上NOx浓度逐步降低，提高CFB锅炉二次风口的低氮燃烧效果也说明了这一点。因而双流化床锅炉循环床内也没有排放NOx的条件。因此，双流化床锅炉NOx的排放浓度将远远低于50mg/m3。五、双流化床燃烧炉内固硫暨SO2超低排放机理1、循环流化床锅炉炉内喷钙脱硫分析炉内喷钙脱硫是循环流化床锅炉清洁燃烧的重要组成部分，但是其脱硫效果一直褒贬不一。这是因为影响CFB锅炉炉内脱硫效率的因素很多，包括石灰石品质、石灰石粒径、床温及炉膛温度场分布、钙硫比、炉膛气氛分布、烟气与氧化钙脱硫剂的混合及接触机会等。没有达到理想的脱硫效果，一定是某些条件没有具备。（1）石灰石的脱硫品质：主要指脱硫活性，不仅与石灰石中CaO含量有关，还有地质年代、煅烧空隙率等，不同的石灰石脱硫品质不同，达到最佳脱硫效果需要的温度等条件也不同。（科研项目：循环流化床锅炉脱硫用石灰石检测方法研究及应用专利：循环流化床锅炉石灰石脱硫剂测试仪）（2）石灰石粒径：石灰类脱硫剂脱硫过程是气固表面反应，并伴随有反应面积的变化。通常认为CaCO3、CaO、CaSO4的摩尔体积分别为36.2、16.8和52.2cm3/mol。煅烧使脱硫剂内产生更多的孔隙，有利于脱硫反应；产物CaSO4的摩尔体积大约是CaO的3倍，会在CaO的表面生成一层致密的CaSO4薄层，阻碍SO2进一步与内部的CaO颗粒进行反应。石灰石粒度平均100～500μm为宜。1、循环流化床锅炉炉内喷钙脱硫分析（3）温度场：石灰石脱硫最佳温度在830～930℃之间，不同的石灰石稍有差异。当温度离开这一范围后，脱硫效率会明显下降。＞1000℃CaO高温烧结，＜800℃，反应速度较慢。（4）Ca/S摩尔比：一般1.5～2.5（关键是炉膛内CaO浓度）（5）高浓度CaO与烟气充分混合（与脱硝矛盾：CaO对NH3向NOx转换具有催化作用）。（6）炉膛气氛：CaO+SO2+1/2O2→CaSO4需要O2，烟气