曹 劍，張召磊，劉穎峰，胡志鋼

（1.杭州藍(lán)禾新能源工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；2.北京一亞高科能源科技有限公司，北京 100085；3.廣州晟啟能源設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

目前我國的鍋爐主要以燒煤為主，隨著國家政策對節(jié)能環(huán)保要求不斷嚴(yán)格，尤其是中大型城市開始限制燃煤鍋爐的建設(shè)，鍋爐的燃料往潔凈能源方面發(fā)展。我國有豐富的生物質(zhì)資源，特別是農(nóng)村農(nóng)林剩余物未很好利用的比重很大，這些農(nóng)林剩余物成為鍋爐燃料對環(huán)境是很好保護(hù)，且現(xiàn)在農(nóng)林剩余物直接焚燒是國家明令禁止的，生物質(zhì)作為可再生資源，它生長時需要的二氧化碳相當(dāng)于它排放的量，對大氣的二氧化碳凈排放量近似于零，可有效地減輕溫室效應(yīng)[1]。因此，研究開發(fā)生物質(zhì)層燃鍋爐燃燒技術(shù)，開發(fā)生物質(zhì)燃料層燃鍋爐，對節(jié)能減排、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境污染有積極意義。

1 生物質(zhì)燃料的特點

1.1 燃料種類繁多

生物質(zhì)燃料一般有樹皮、木片、薪材、稻草、秸稈、玉米稈、麥稈、木屑、建筑模板等。由于它們所含的水分、各種元素成分不一樣，所以熱值也不一樣，且差距較大。各種生物質(zhì)燃料因其季節(jié)性因素的制約，單種生物質(zhì)燃料很難滿足鍋爐正常運行的需求，所以大部分生物質(zhì)鍋爐均采取多種生物質(zhì)燃料混合燃燒的措施。

1.2 雜質(zhì)較多

由于生物質(zhì)燃料來源廣泛且分散，在其收集過程中品質(zhì)很難保證，往往摻有泥土、細(xì)沙、工業(yè)膠水、油漆、鐵釘及鐵塊等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)進(jìn)入爐膛燃燒會造成爐排和爐膛的局部結(jié)焦以及尾部堵塞等現(xiàn)象。

1.3 燃料水分高

生物質(zhì)燃料因原料來源不穩(wěn)定且種類繁多，燃料混合后水分偏大，在25%~45%之間，熱值不高。生物質(zhì)燃料入爐后因水分高不易著火，需一定時間的預(yù)熱，降低了爐膛的溫度和增加了尾部排煙損失，降低鍋爐效率。

1.4 堿金屬含量高，燃料尺寸多樣化

生物質(zhì)燃料因植物在生長過程中攜帶鉀、鈉、氯等微量元素，灰分中堿金屬含量高，易導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣、積灰和腐蝕的現(xiàn)象出現(xiàn)。燃料的尺寸多樣，很難與給料系統(tǒng)匹配，易出現(xiàn)料倉搭橋、堵塞等現(xiàn)象，導(dǎo)致給料系統(tǒng)無法正常使用。

2 層燃鍋爐特點

燃料由給料設(shè)備從料倉輸送到爐膛的爐排上，形成一定厚度的燃料層，燃料燃燒過程中離不開燃料層，且燃燒所需的空氣大部分均由爐排下部送入，經(jīng)過爐排的間隙進(jìn)入燃料層，燃燒過程是沿著燃料層厚度自上而下依次經(jīng)熱力準(zhǔn)備層、干燥層、還原層、氧化層和灰渣層，上述燃燒方式的鍋爐稱為層燃鍋爐。層燃爐按照爐排形式的不同分為固定爐排爐、鏈條爐排爐、振動爐排爐及往復(fù)爐排爐等，每一種燃燒設(shè)備都有其特定的優(yōu)缺點且適合于不同的燃料屬性。層燃方式是生物質(zhì)直接燃燒中最為常用的方式，此燃燒方式的主要特點如下。

2.1 燃料粒徑要求低

流化床鍋爐、室燃鍋爐對入爐燃料的粒徑要求均比層燃爐高很多，層燃爐基本上滿足給料設(shè)備情況下，均能入爐內(nèi)進(jìn)行燃燒。生物質(zhì)層燃爐燃料粒徑尺寸主要是考慮燃料粒徑尺寸與輸送設(shè)備能吻合，只要物料輸送時不會出現(xiàn)料倉搭橋、堵塞及給料設(shè)備卡殼等現(xiàn)象，鍋爐即能正常運行。

2.2 建設(shè)成本與運行成本低

層燃鍋爐結(jié)構(gòu)簡單，可組裝出廠，現(xiàn)場安裝工期短；輔機設(shè)備簡單且要求低，對鍋爐房的建造要求很低。另外由于對輔機設(shè)備的要求低，輔機數(shù)量少，因此整體運行成本低于其他類型鍋爐。

2.3 層燃的燃燒方式燃料與空氣接觸不充分，燃燒速度相對較慢

鍋爐運行的過量空氣系數(shù)、氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失大于室燃、流化床的燃燒方式，層燃類的鍋爐熱效率會比室燃、流化床的鍋爐低一些[2]。

由于生物質(zhì)本身低硫、低氮的特性，生物質(zhì)鍋爐煙氣中SO2、NOx原始濃度較低，一般都在180～300 mg/m3之間。鍋爐的脫硫、脫硝可根據(jù)各地區(qū)對排放要求不同來選取合適的工藝路線，綜合考慮項目投資、工程占地、系統(tǒng)復(fù)雜性、施工難易度及運行維護(hù)費用等因素。

3 脫硫、脫硝技術(shù)工藝的選擇

3.1 脫硫技術(shù)工藝

3.1.1 爐內(nèi)脫硫

爐內(nèi)脫硫技術(shù)是以鈣基為脫硫劑，投入爐內(nèi)與SO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終生成硫酸鈣，化學(xué)反應(yīng)式為：

循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)脫硫效率一般能達(dá)到60%～70%，生物質(zhì)層燃爐爐內(nèi)噴鈣（氧化鈣為脫硫劑）脫硫效率會比循環(huán)流化床更低，約在30%～40%左右。

3.1.2 爐后干法脫硫

爐后干法脫硫可采用鈣基脫硫劑（熟石灰粉）或鈉基脫硫劑（碳酸氫鈉）噴射，在鍋爐尾部末級受熱面后和布袋除塵器入口煙氣管道增加噴射口，使脫硫劑粉末與煙氣中的SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

爐后脫硫的效率不低于70%，爐后干法脫硫與爐內(nèi)脫硫的主體設(shè)備基本一致，因此投資和運行費用都較低。鈉基脫硫的效率整體比鈣基脫硫的效率高，但是運行成本后者比前者更低。爐后干法脫硫?qū)γ摿騾^(qū)域的煙氣溫度有一定要求，特別是鈉基脫硫?qū)γ摿騾^(qū)域反應(yīng)溫度不能低于120℃，且這種類型飛灰因含有硫化物，對于想把尾部飛灰用于制作肥料，會對其品質(zhì)有一定的影響。

3.1.3 爐后半干法脫硫

爐后半干法脫硫最常用的工藝為旋轉(zhuǎn)噴霧半干法，旋轉(zhuǎn)霧化反應(yīng)系統(tǒng)由噴霧反應(yīng)塔、石灰漿制備系統(tǒng)組成。石灰制備系統(tǒng)將生石灰（CaO）制備成一定濃度的Ca（OH）2漿液，該漿液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)霧化器噴入半干式反應(yīng)塔中，形成極小的霧滴。煙氣與石灰漿液霧滴充分接觸反應(yīng)去除SO2氣體。在反應(yīng)塔中高溫?zé)煔馐轨F滴的水分蒸發(fā)，迅速使煙氣溫度降至適合于石灰漿液與酸性氣體反應(yīng)的溫度，并最終使反應(yīng)生成物干燥成為固體粒狀物。部分粗顆粒在反應(yīng)塔中除下，大部分微粒和未完全反應(yīng)的吸收劑隨煙氣進(jìn)入下游的袋式除塵器。

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法的脫硫效率大于80%，同時反應(yīng)塔出口的煙氣溫度仍高于煙氣的露點溫度，布袋除塵器和煙囪無需做防腐。半干法脫硫工藝的缺點是設(shè)備投資成本高、占地面積大、反應(yīng)副產(chǎn)物需另行處理。因此該方法適用于燃料特殊、外排煙氣中SO2濃度高且排煙要求嚴(yán)格的生物質(zhì)鍋爐。

3.1.4 爐后濕法脫硫

爐后濕法脫硫采用石灰石漿液或者堿性溶液與煙氣接觸，去除煙氣中的酸性氣體，同時將反應(yīng)后的物質(zhì)通過物理和化學(xué)過程變成副產(chǎn)物，主要的設(shè)備有濕式反應(yīng)塔、循環(huán)漿液泵、副產(chǎn)物制備系統(tǒng)。

濕法脫硫的脫硫效率大于85%，適用于較高濃度的煙氣脫硫場合。濕法脫硫工藝的缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，幾乎所有設(shè)備都需防腐，投資成本高，占地面積大。排煙溫度低于煙氣露點溫度，煙囪需做防腐[3]，且有些區(qū)域需要對煙氣進(jìn)行脫白后才能排入大氣中。

3.2 脫硝技術(shù)工藝

3.2.1 SNCR脫硝

在爐膛800～1 100℃這一溫度范圍內(nèi)、在無催化劑作用下，NH3或尿素等氨基還原劑可在有氧氣的情況下、選擇性地還原煙氣中的NOx，據(jù)此發(fā)展了SNCR法。主要反應(yīng)為：

SNCR脫硝系統(tǒng)簡單，脫硝效率一般為40%～60%[4-5]，受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響大，技術(shù)成熟可靠。

優(yōu)點：技術(shù)成熟、投資和占地均較小。

缺點：反應(yīng)效率受爐內(nèi)溫度制約。

3.2.2 SCR脫硝

SCR脫硝技術(shù)是指在催化劑的存在下，還原劑（氨水或尿素）與煙氣中的NOx反應(yīng)生成無害的氮和水，從而去除煙氣中的NOx。SCR系統(tǒng)的脫硝效率在80%～90%之間，SCR催化劑根據(jù)布置區(qū)域溫度和含塵量進(jìn)行選配。特別對于堿金屬比較多的生物質(zhì)鍋爐，需考慮催化劑中毒現(xiàn)象和使用周期。

3.3 脫硫脫硝技術(shù)工藝選擇

生物質(zhì)本身具有低硫、低氮的特性，對鍋爐的脫硝、脫硫的要求相對來說都不太高。因此對生物質(zhì)鍋爐項目的脫硫、脫硝方案，根據(jù)原始排放和當(dāng)?shù)氐呐欧乓筮M(jìn)行方案選擇，脫硫優(yōu)先考慮爐后干法脫硫工藝，脫硝方面優(yōu)先選用SNCR脫硝工藝。

4 項目案例分析

4.1 鍋爐概況

某生物質(zhì)電廠投建一臺型號為SZL20-1.4/320-S的備用供熱鍋爐，為水管組合循環(huán)爐，雙鍋筒縱置式、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、鏈條爐排鍋爐。鍋爐由鍋爐主機、生物質(zhì)燃料輸送系統(tǒng)、燃燒配風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、電氣儀表及DCS電控系統(tǒng)、SNCR脫硝及尾部干法脫硫系統(tǒng)（鈉基脫硫劑）等組成（見圖1）。爐膛采用二次風(fēng)燃燒技術(shù)并配備多個防爆門防止?fàn)t膛爆燃，采用三點給料方式，確保平穩(wěn)正常連續(xù)給料。

圖1 燃燒系統(tǒng)示意圖

4.2 燃料概況

鍋爐設(shè)計燃料為生物質(zhì)散料，如薪材、邊角料、木塊、模板、樹皮、竹節(jié)、刨花、鋸末及園林廢棄物等破碎后混合而成。燃料為粉末及片狀，最佳尺寸為50～100 mm。設(shè)計燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)表（收到基）見表1。

表1 設(shè)計燃料成分?jǐn)?shù)據(jù)

4.3 鍋爐脫硫、脫硝運行工況

本工程的20 t供熱鍋爐由于運行負(fù)荷根據(jù)外網(wǎng)對供熱需要進(jìn)行調(diào)整，鍋爐負(fù)荷、生物質(zhì)燃料的波動性，鍋爐運行時煙氣量為20 000～40 000 m3/h范圍，NOx原始排放濃度為180～240 mg/m3、SO2原始排放濃度為80～200 mg/m3?，F(xiàn)該區(qū)域要求NOx、SO2的最終排放濃度必須≤150 mg/m3。

本工程采用干尿素進(jìn)行爐內(nèi)脫硝，爐后采用鈉基（碳酸氫鈉）干法脫硫工藝。考慮運行成本等因素，設(shè)備的NOx最終排放濃度為100～130 mg/m3，SO2的最終排放濃度為80～100 mg/m3。鍋爐選配的脫硝、脫硫技術(shù)工藝均能滿足企業(yè)環(huán)保排放的標(biāo)準(zhǔn)。

5 總結(jié)與改進(jìn)

通過對生物質(zhì)燃料特點、層燃生物質(zhì)鍋爐的特點介紹，對脫硫、脫硝工藝的技術(shù)說明，再結(jié)合我司SZL20-1.4/320-S的備用供熱鍋爐的工程案例及運行情況，總結(jié)生物質(zhì)層燃鍋爐的脫硫、脫硝工藝和運行方面的經(jīng)驗，供同行參考。

（1）生物質(zhì)層燃鍋爐爐膛溫度一般在800～850℃范圍，NOx原始排放濃度一般低于200 mg/m3情況下，脫硝選擇爐內(nèi)SNCR脫硝工藝，還原劑選擇干尿素或者尿素溶液。

（2）在SO2原始排放濃度一般低于200 mg/m3情況下，脫硫根據(jù)環(huán)保排放要求，脫硫效率在不低于40%可滿足排放的情況下可選擇采用爐內(nèi)脫硫。脫硫劑采用氧化鈣，通過爐膛內(nèi)部噴射方式與煙氣SO2混合反應(yīng)達(dá)到脫硫效果。在環(huán)保要求脫硫效率高于50%的情況下脫硫工藝需采用爐后干法脫硫，鈣基和鈉基脫硫劑根據(jù)環(huán)保排放要求選取，在同等條件下鈉基脫硫比鈣基脫硫的效率會更高。

（3）為了降低NOx原始排放濃度，建議層燃爐運行時把爐膛出口的氧含量控制在6%～8%范圍，這樣能有效降低NOx原始排放濃度，降低脫硝運行成本。