摘要：为了从源头控制燃煤电厂及燃煤锅炉烟气污染物，实现“超低排放”，在对煤燃烧过程中NOx、SO2生成机理、控制措施进行全面、深入研究的基础上，借鉴循环流化床锅炉和鼓泡流化床锅炉的技术特点，提出了双流化床锅炉（DFBB）技术方案及其高效洁净燃烧技术工艺，通过参数解耦等技术可以实现运行指标的优化控制，分别控制NOx和SO2的生成及脱除，从而实现煤的高效燃烧和烟气污染物的“超低排放”。通过理论分析论证和循环流化床运行实践佐证，双流化床锅炉及双流态高效洁净燃烧工艺可以在煤燃烧过程中实现烟气污染物“超低排放”,本文还介绍了该技术的特点和优势。
关键词：双流化床锅炉；DFB；超低排放；高效；燃烧
1引言
煤炭是我国最可靠、最稳定、最经济的一次能源，现有燃煤电厂、燃煤锅炉超低排放技术主要是末端烟气治理，系统复杂，建设投资及运行成本很高，能耗、水耗高，有废水、废渣等二次污染；为了从源头控制和治理燃煤电厂及燃煤锅炉烟气污染物，依据煤炭在循环流化床锅炉燃烧过程中N、S的迁移机理，结合循环流化床和鼓泡流化床的技术特点，研发了双流化床锅炉及其高效洁净燃烧技术工艺。
2烟气污染物的源头控制与末端治理
循环流化床燃烧技术具有清洁、环保、煤种适应广等特点，受到世界各国的普遍重视，在近三十年得到了迅速发展，也是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术，成为小型热电厂和工业锅炉的主打炉型。虽然为充分发挥低氮燃烧、炉内脱硫的源头控制优势，循环床燃烧技术不断发展完善，但是仍然无法满足日益严格的环保要求，目前不得不像燃煤电厂一样增加末端烟气治理措施。
2.1燃煤电厂的超低排放
在我国加大大气污染治理力度和环境监管力度双重施压之下，年初开始，煤电行业主动加码、提出超低排放这个更高的大气污染物排放目标。目前已有很大一部分燃煤电厂实现了超低排放，采用的基本都是烟气末端治理技术，脱硫技术主要有：石灰石石膏法、氨法、镁法等湿法，石灰循环流化床半干法、炉内喷钙干法等。脱硝技术主要有：低氮燃烧、SNCR、SCR、循环氧化吸收（COA）和臭氧法等。除尘技术主要有：低低温静电除尘器、布袋除尘、电袋除尘、湿式电除尘等。下图为典型的燃煤电厂超低排放工艺系统。
按照目前成熟和普遍适用的技术，燃煤电厂和燃煤锅炉要实现超低排放，需要建设脱硝系统、脱硫系统和除尘系统，各系统不仅需要投入大量建设资金，而且电耗、脱硫剂、脱硝剂等运行成本大幅度增加；低氮燃烧属于源头治理，主要控制低氧、低温燃烧，具有一定局限性，同时又会影响锅炉的燃烧效率，这与降低能耗的节能*策相违背，节能降耗还需要依靠技术进步来解决。
2.2烟气污染物的源头控制
氮氧化物、二氧化硫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治理，将会起到事半功倍的效果。
循环床锅炉采用低温燃烧、分段（低氧）燃烧技术控制氮氧化物的产生，通过喷入钙粉进行炉内脱硫，降低SO2的排放，是烟气污染物源头控制的典范。但是通过分段燃烧使得挥发分缺氧燃烧只是相对的，其低氮燃烧效果受到局限；同时实验表明，氧化钙的存在，对NH3氧化生成NOx的反应具有催化促进的作用，在循环流化床中喷钙脱硫，烟气中NOx的排放浓度增高。实际应用中低氮燃烧的欠氧需求（抑制NOx的形成）和炉内脱硫的富氧要求（脱硫需要）这两种不同含氧量的需求在一个炉膛内是一对难以调和的矛盾，往往此消彼长；过份的低氧，会降低燃料燃烧的氧化速率，难以协调控制，制约了循环床锅炉优势的充分发挥，不能同时实现SO2、NOx的低污染排放及高效燃烧。
对于低温燃烧的循环流化床来说，氮氧化物、二氧化硫的基本来源是燃料所含的N、S两种元素。通过研究煤在循环床燃烧过程中N、S的迁移规律，创造特殊的燃烧条件，有针对性的控制N元素无害化转变，从源头上使S元素固化，从而实现氮氧化物、二氧化硫的超低排放，为达此目的，双流化床锅炉及其双流态高效洁净燃烧工艺应运而生。
3双流化床锅炉（DFBB）及其高效洁净燃烧工艺
双流化床锅炉（Dual-FluidizedBedBoiler）是将循环流化床与鼓泡流化床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，作为循环床锅炉的燃煤预处理部件，鼓泡床以烟气与空气的混合物作为流化风，燃煤的挥发分在鼓泡床还原性气氛中全部燃尽，半焦进入循环床中燃烧。双流化床锅炉（DFBB）结构示意如下图所示。
双流化床燃烧工艺过程：燃煤按照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给入鼓泡床炉膛中。鼓泡床流化风由烟气和空气混合组成，调节鼓泡床流化风（烟气+空气）流量，可以控制鼓泡床流化状态；调节流化风中空气比例，即调节流化风的含氧量，可以控制鼓泡床内燃料燃烧强度，从而控制鼓泡床温度。加入的燃煤在鼓泡床内被加热，析出挥发分并在强还原性气氛中进行缺氧燃烧。循环床循环物料及燃煤全部来自鼓泡床的溢流，鼓泡床炉膛内物料量及粒度结构一定的情况下，通过调节鼓泡床流化风量，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。
4双流化床锅炉高效洁净燃烧技术特点
4.1循环流化床易于实现更高质量的循环流化工况
双流化床锅炉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，粒径筛分特性较窄，平均粒径小，趋于“流态重构”理论的理想状态。
4.2对关联参数进行解耦，使锅炉更容易操控，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。
4.3可靠实现NOx的超低排放
（1）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，从而抑制了燃煤挥发分中N向NOx的转化。
（2）焦炭N随半焦进入循环床燃烧，循环床炉膛下部密相区焦炭相对（气泡）集中在乳化相，上部喘流或快速床状态，颗粒易形成团聚，焦炭集中燃烧的区域氧气相对不足，焦炭N难以转化为NOx；同时焦炭为还原剂，焦炭N随炭的燃烧而迁移，即使生成NOx，也很容易随即被焦炭还原分解。
因此，双流化床锅炉NOx的排放浓度将远远低于50mg/m3。
4.4稳定实现SO2超低排放
（1）鼓泡床脱硫
研究表明，燃煤中的硫分在强还原气氛中燃烧主要产物为H2S，在鼓泡床中加入石灰石等钙质脱硫剂，在＞℃时，H2S容易与CaO或CaCO3反应，生成CaS，可以使90%以上的H2S固化，大幅度降低含硫气体的逃逸，CaS随固体物料进入循环床。
（2）循环床脱硫
CaS在循环床氧化气氛中被氧化，在~℃范围内直接转化为CaSO4，比CaO与SO2反应更容易。
双流化床锅炉中的循环床实现了流态优化重构，通过调整风煤配比，多层二次风的调配，可以使循环燃烧温度场均匀；不必象常规循环床再考虑分段燃烧，全炉膛配以较富裕的氧量，并调控适合炉内喷钙脱硫的温度需要；同时补充加入石灰石等钙质脱硫剂颗粒，使循环物料保持较高的CaO浓度，烟气处于浓厚的CaO气氛中，可以达到高效脱硫，实现SO2“超低排放”。
4.5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增加50%以上；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，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。
4.6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。
5双流化床（DFB）燃煤锅炉及燃煤电厂超低排放燃烧技术优势
目前我国燃煤电厂及燃煤锅炉都在进行烟气污染物“超低排放”改造，以双流化床锅炉为核心设备，仅需配置高效除尘器，就可以形成更简捷高效的“超低排放”燃煤电厂和燃煤锅炉技术路线。与常规技术相比，主要有如下优势：
5.1通过技术创新，实施燃烧源头治理，实现超低排放，消除了SCR催化剂二次污染，不使用氨基脱硝剂，符合清洁生产理念。
5.2排烟温度低，便于直接配置低低温除尘器，无需增加管式换热器降低烟气温度。
5.3锅炉后部烟气治理系统简单，场地占用少，通过本文两张图片对比，一目了然。
5.4系统投资省。新建常规燃煤电厂，其脱硫、脱硝超低排放系统投资为-元/kw；新建常规燃煤锅炉，其配套脱硫、脱硝超低排放系统投资不低于锅炉本体的投资。采用本方案总投资将大幅度降低。
5.5运行电耗低。双流化床锅炉的鼓泡床和循环床均为低风压、低风速流化；与目前常规超低排放燃煤电厂、燃煤锅炉相比，减少了烟气脱硝系统、脱硫系统、GGH、湿电除尘器等环节，节省了相应系统电耗，同时锅炉后部烟气阻力可降低50%左右，风机电耗大幅度降低。
5.6运行费用低。脱硫、脱硝运行成本较常规电厂至少可降低0.元/kw左右。燃煤锅炉脱硫运行费用可降低50%左右，脱硝运行费用全部节省，并节省相应系统检修、维护费用。
5.7无废水产生、排放。
5.8烟气系统为干态，烟道、烟囱及相关设备无需防腐，可大幅降低建设投资及维护、修理费用。
5.9干烟气排放，无需烟气再热，无“烟囱雨”问题，无景观污染。
6结语
燃煤电厂及燃煤锅炉面对超低排放的环保压力，亟待探索煤炭燃烧烟气污染物源头治理的技术工艺，本文提出双流态锅炉及其高效洁净燃烧技术工艺，请各位专家、同行点评、指导，共同发展、完善双流态洁净燃烧技术工艺，开发利用双流化床锅炉，为燃煤电厂、燃煤锅炉超低排放作出积极贡献。
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