火电厂燃煤锅炉超低排放流场优化分析及工艺研究

火电厂燃煤锅炉超低排放流场优化分析及工艺研究

戴行飞

杭州新世纪能源环保工程股份有限公司浙江杭州310000

摘要：火电厂燃煤锅炉燃烧会引发各种污染问题，严重影响人们的身体健康。虽然目前我国的煤炭燃烧污染物减排的相关研究已经比较成熟，但在实施过程中却存在各种问题，这主要是减排工艺欠缺，系统稳定性差造成的。本文在阐述超低排放工艺的基础之上，对超低排放相关机理进行分析，并针对超低排放流场提出优化和改进的建议。

关键词：火电厂；烟气；超低排放；工艺

近年来，雾霾已成为各大城市的主要环境问题之一，严重影响了人们的身体健康，人人谈霾色变，燃煤排放则是造成雾霾的元凶之一。火电厂燃煤锅炉燃烧煤炭会释放出烟尘、细颗粒物、可吸入颗粒物等有害物质以及二氧化碳等有害气体。虽然我国对煤炭燃烧污染物的减排研究已经较为成熟，但却在实施时存在各种各样的问题，导致效果差强人意。这与欠缺对减排工艺的研究、系统稳定性差有不可割裂的关系。本文通过阐述超低排放工艺，分析超低排放相关机理，对超低排放流场优化的方式进行探究。

1、超低排放工艺分析

超低排放技术是在发电运行和末端治理时，火电厂燃煤锅炉利用的各种污染物高效协同脱除集成系统技术。该项技术的最大优势就是能够使火电厂燃煤锅炉排放的大气污染物浓度达到排放标准。低氮燃烧系统产生的烟气由锅炉省煤器进入由SNCR和SCR联合构成的脱硝系统中进行脱硝，再由空气预热器完成降温步骤，降温后进入除尘器除尘，接着完成第二次降温后进入脱硫装备脱硫，再次进行除尘，此次除尘主要是脱除细颗粒物。完成二次除尘后的烟气通过管式换热器升温后排入大气。这个过程就是火电厂燃煤锅炉超低排放的典型工艺路线。

2、超低排放机理研究

2.1脱硝机理研究

目前，因SCR脱硝工艺效率高，我国的大型电厂以及对环保要求较高的电厂多数采用此工艺。利用SCR脱硝工艺进行脱硝的实质是在确保反应物与催化剂的表面能够进行完全接触的前提下，完成一个“气-固”非均相催化还原反应的过程。为保证SCR脱硝过程的顺利完成，可将催化剂制成蜂窝状以增大反应面积。催化剂在SCR脱硝过程中起到了不可替代的作用，其独有的特性、物理结构记忆表面分布的无数微孔都有利于烟气在与催化剂进行反应时既在外表面扩散又在内表面扩散，从而更全面地完成脱硝过程。混合烟气经过催化剂通道时，与催化剂发生反应产生的反应物扩散至通道壁表面，通过表面的微孔向内扩散，被吸附在固体表面后又发生了化学反应，反应物解吸附后，顺着相反方向向通道内扩散，最后连同烟气一并排入大气。

2.2脱硫机理研究

除了脱硝过程，还应在煤炭燃烧中进行脱硫工作。通常以脱硫技术所处的位置，将其分为三个部分，分别是：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后脱硫。燃烧前脱硫是使用物理方法或者化学方法完成对煤炭的净化，一般常用的是脱硫率为40%~80%的洗选煤技术，即洗选煤炭中可燃无机硫，以此降低煤炭中的含硫量，最终减少对大气造成的污染。但单独使用洗选煤技术的脱硫效果并不能达到最佳状态，因此应该将它与其他形式的脱硫技术并用才能满足环境保护的要求。燃烧中脱硫是在煤炭燃烧中向其投入脱硫剂，以实现对二氧化硫的固定作用。在此过程中，最多使用的是炉内喷钙技术和型煤固硫技术。燃烧后脱硫则是指通过加装脱硫设备完成烟气的净化，可将脱硫设备装在烟道，包含湿法、半干法和干法脱硫三种常用工艺。燃烧后脱硫是与锅炉匹配率最高的技术，在控制二氧化硫的排放方面比较易于操作。

3、超低排放流场优化

3.1脱硝工艺优化设计及流场优化分析

虽然脱硝工艺已经发展的比较完善，但是国内火电厂燃煤锅炉在实际使用SCR技术对烟气进行脱硝的效果却不能达到最好，因为在脱硝的过程中往往会出现在中、低负荷时，反应器入口处烟气的温度无法达到催化剂最佳反应的温度要求，致使脱硝运行效率大打折扣。因此，通过对高温段的省煤器烟气旁路进行设置，高温烟气与省煤器出口处的低温烟气进行混合后可以使催化剂达到最佳反应温度。

省煤器烟气旁路的工作原理是通过在省煤器高温段增设旁路烟道向SCR系统的入口烟道引入高温烟气，并将调节挡板加装于烟气旁路之上，利用挡板来阻挡部分入口烟道高温烟气，从而降低高温烟气量。当燃煤锅炉处于低负荷运行状态时，一旦SCR系统入口烟道的烟气温度低于催化剂的最低喷氨温度标准，调价挡板打开，若温度更低时，旁路烟道处的挡板可以完全打开，同时减小SCR系统入口烟道处的调节挡板开度，使高温烟气能够大量进入。当燃煤锅炉处于高负荷运行状态时，一旦SCR入口烟道处的烟气温度达到脱硝工作的标准，烟气旁路关闭。

对省煤器烟气旁路进行改造时要充分结合火电厂机组特点及空间布置，在进入反应器首层催化剂之前，应将高温烟气和低温烟气充分、均匀地混合。为使高温烟气和低温烟气更好地混合，还要确保SCR入口处主烟道与高温烟气旁路的接合点位于喷氨格栅的上方并且与催化剂保持较远的距离。

3.2脱硫工艺优化设计及流场优化分析

我国火电厂常用的脱硫工艺一般可将二氧化硫的浓度降低到15mg/Nm3，但并未达到理想数值，因此需要对脱硫工艺进行优化提升。通常对脱硫结果造成影响的因素有液气比、吸收区高度、吸收塔浆池容积和烟气分布均匀性等，在进行优化时可以从这些因素入手，最大限度提高脱硫效率。

首先，对脱硫塔内浆池进行分区改造。我国大部分火电厂都使用的是不分区的传统浆池，严重阻碍了氧化反应和结晶反应，因此不少厂家为了提高反应率，虽然在浆池氧化风管平面设立空心圆管分离器，但却对浆池的容积造成了巨大的浪费。对此，可以利于分区装置将浆池一分为二，在上层的浆液pH值总是低于下层浆液。下层负责向喷淋层提供浆液，上层接收到喷淋层落下的浆液后发生氧化反应，然后通过分区装置的疏导，浆液又同硫酸钙一并进入下层。

其次，增设湍流强化装置。大部分火电厂脱硫塔的内部多为上下相通，烟气会快速进入塔顶，这缩短了烟气与喷淋浆液的接触时间，影响了脱硫效果。为提高脱硫效率，可以通过增设一个空心的湍流强化装置改善塔内烟气的分布。该装置最合适的位置就是第一层喷淋层与脱硫塔烟气入口间。烟气进入湍流装置时，流通的面积减小，流速加快，烟气变得强烈，从而使液滴再次破碎后增加了吸收剂的表面积。增设湍流强化装置能够有效提高对烟气的脱硫和降尘效率。

最后，加装气液传质强化构件。喷嘴在喷淋塔的位置会影响喷浆液的覆盖面积，一旦位置不当，就会导致烟气短路现象频发，所以传统喷淋塔多用单向实心喷嘴进行逆向的喷射，虽能够部分避免烟气短路，但会使浆液大量外流，减少了烟气与浆液的接触，影响脱硫效率。对此，可以将一个气液传质强化构件加装在喷淋层下部的塔壁上，从而使浆液均匀喷淋，促进脱硫效率的提高。

4、结束语

随着环境问题日益凸显，如何节能减排是一项重要议题。对于环境污染的主要源头之一的火电厂在对燃煤锅炉进行改造和优化时必须将环境保护放在第一位。利用各种技术、资源等提高脱硝效率和脱硫效率，减少微细颗粒物、粉尘等。同时，将新技术、新工艺切实地应用在燃煤锅炉的日常运作中。

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