循環流化床鍋爐煙氣脫硝工藝

周 萍，宋正華

（江蘇科行環保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

1 引言

世界工業的迅速發展除了給人類帶來了快捷、方便、舒適、智能化的生活，同時也在消耗大量的一次性能源（煤、石油、天然氣等化石燃料），并排放出大量的污染物。我國是產煤大國，也是用煤大國，一次能源結構中，煤炭占70%左右，優、中質煤、劣質煤都很豐富，因煤燃燒每年有大量的SO2和NOx排入大氣，對環境造成嚴重污染和破壞。燃用化石燃料是大氣污染物排放的主要來源，其中排放的大氣污染物有二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）和顆粒物等污染物，這些物質會影響地球氣候，產生溫室效應、酸性雨水、臭氧層的破壞、有毒物質的沉積等，對生態環境、社會經濟等有著深遠而嚴重的影響。這些污染物中，氮氧化物（NOx）的危害最為緊迫和嚴重，因此煙氣脫硝已成為當前大氣污染治理的首要任務之一。

2 循環流化床的特性、現狀及其脫硝前景

循環流化床鍋爐（CFB）在多種行業（包括化工、機械、食品、飲料、織物印染、造紙及醫藥、公用事業等）都有應用。新型循環流化床鍋爐在世界上的應用始于20世紀80年代初，是近幾十年發展起來的一種新型潔凈、節能、低排放的煤及生物質燃燒技術。CFB鍋爐能適應各種煤質的煤種，還有其它燃料如油頁巖、煤矸石、石油焦、氮肥行業的造氣爐渣以及生物質（樹皮、廢木料、秸稈等）、有機垃圾等燃料，因此循環流化床鍋爐在我國有著廣泛的發展空間，在電站鍋爐領域已占一席之地。經過三十多年的發展，循環流化床鍋爐在技術和數量上都得到了飛速發展，其應用范圍也由小型鍋爐發展到容量與煤粉爐大體相當的大型電站鍋爐。

循環流化床（CFB）鍋爐因為其燃料適用性廣、負荷調節性強以及環保性能優良等優點得到了越來越多的應用。目前，世界各國都偏向于清潔能源技術的開發利用，在我國因能源與環境雙重因素的影響，循環流化床鍋爐得到了快速的發展。據全國電力行業CFB機組技術交流服務協作網（CFB協作網） 統計，我國現有不同容量的循環流化床鍋爐近3000 臺，約63,000MW的容量投入商業運行，占電力行業中鍋爐總臺數的1/3。目前，這些機組中，410～480t/h（100M～150MW）等級循環流化床鍋爐達到150多臺，已投運的300MW循環流化床鍋爐機組達到了13臺。與此同時，我國在建與擬建的300MW循環流化床鍋爐機組也已達50余臺，超過了世界上其他國家循環流化床鍋爐機組數量的總和。現在，我國已經成為世界上循環流化床鍋爐數量和總容量最大的國家，其發展速度領跑于其他國家。

隨著國家對大氣污染物排放標準的修改，對氮氧化物（NOx）的減排要求趨嚴，現在必須借助脫硝設備來減排達標。按照目前循環流化床鍋爐的市場存有量及其未來市場發展預期，其脫硝任務量很大。本文結合工程實例，就循環流化床鍋爐的煙氣脫硝工藝方法作了介紹并提出了一些建議。

3 工業煙氣脫硝方式及其在循環流化床鍋爐上的應用

3.1 脫硝技術

工業窯爐煙氣NOx的脫除方法有多種，主要分濕法和干法兩大類，濕法脫硝主要有稀硝酸吸收法、堿性溶液吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法等，這些在實際中應用很少。目前應用的比較廣泛的是干法脫硝，本文將著重探討干法脫硝中的SCR（Selective Catalytic Reduction， SCR）煙氣脫硝、SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction， SNCR）煙氣脫硝及SNCR+SCR聯合煙氣脫硝這三種工藝方式。SNCR脫硝工藝主要是指在特定的條件下（煙氣溫度為800℃～1100℃時）向煙氣中噴入一定量的氨（NH3）或者尿素等氨基還原劑，使之與煙氣中的NOx發生化學反應生成無害的氮氣（N2）和水（H2O）；SCR脫硝工藝是指在特定的條件下（煙氣溫度為200℃～420℃，最佳溫度為280℃～400℃），向煙氣中噴入一定氨（NH3），并使之與煙氣充分混合后，煙氣經過一種預置的催化劑，使其在催化劑的輔助下高效率地將NOx還原成氮氣（N2）和水（H2O）。SCR法和SNCR法的不同之處在于前者有催化劑的參與，而催化劑的參與降低了反應窗的溫度并提高了反應效率。這兩者之中的SCR法在實踐中應用的比較廣泛。

另外有一種SNCR + SCR聯合脫硝工藝，即在鍋爐合適溫度（800℃～1100℃）的爐腔位置布置適當數量的SNCR噴槍，在鍋爐的尾部合適溫度段（溫度為280℃～420℃）設置SCR脫硝裝置，一般能脫去40%～70%的NOx，如此二者的合并效率一般能滿足總體脫硝效率的要求。這種聯合脫硝法是對SCR、SNCR兩種脫硝工藝的結合，取長補短，既能達到脫硝要求又能節省場地和投資。

3.2 SCR煙氣脫硝工藝在循環流化床鍋爐上的應用

循環流化床鍋爐的特點之一是其燃料的多樣性，其所用燃料決定了其排放NOx量的多少，當遇到NOx排放較多的爐子且條件允許時，可以選用SCR法脫硝。SCR工藝系統主要由脫硝反應系統、氨制備及氨儲運系統和其他輔助設備組成。其中脫硝反應系統由SCR反應器、煙氣系統、噴氨系統、靜態混合器、催化劑等組成。

循環流化床鍋爐的爐床溫度在900℃左右，排煙溫度在150℃～110℃的范圍，在其鍋爐尾部段省煤器與空預器之間（煙氣溫度280℃～420℃）引出煙氣至脫硝系統脫硝，脫硝后再將煙氣送回到鍋爐的空預器前段。其脫硝的主要工藝過程是：待鍋爐內煙氣溫度降溫到300℃～420℃后將煙氣引出，通過煙道送進脫硝反應器，當煙氣進入SCR反應器進口煙道時，與設置在進口煙道上的噴氨格柵噴入的氨（經空氣稀釋后的氨，一般濃度為5%）混合，其通過氨氣/空氣混合器的輔助作用達到充分混合均勻的目的，再通過煙道中的靜態混合器使煙氣與噴入的氨氣充分混合后沿著煙道進入SCR反應器內的催化劑層，在流經催化劑表面時，在催化劑中的活性成分作用下，氨氣（NH3）把氮氧化物（NOx）還原，生成N2和H2O，從而將氮氧化物（NOx）脫除；脫硝后的煙氣再通過出風煙道回到余熱鍋爐，或流經其它設備，待煙氣溫度降到110℃～150℃（平均排煙溫度為140℃）時，就可以從煙囪排入大氣（見圖1）。其主要化學反應式為：

在反應條件改變時，還可能發生以下副反應：

發生NH3分解的反應（式⑤）和NH3氧化為NO的反應（式⑥）都在350℃以上才能進行，450℃以上開始激烈起來。反應溫度常在300℃以下時，僅有NH3氧化為N2的副反應（式④）可能發生。

SCR法煙氣脫硝是目前應用最多、技術最成熟的一種煙氣脫硝技術，其反應溫度較低、氮氧化物脫除率高（一般可達80%～90%）、運行可靠，還原后的氮氣、水排空，無二次污染；缺點是由于煙氣中復雜的化學成分和大量的灰塵會使核心部件——催化劑堵塞、中毒、磨損等，使得催化劑更換頻次較多，而催化劑的費用通常占到SCR系統初始投資的50%～60%；由于系統中未完全反應的氨與SO2經催化劑催化作用生成的SO3反應生成(NH4)2SO4和NH4HSO4，易腐蝕和堵塞后續的空預器，增加空預器的改造維修費用，因此SCR法的投資與運行費用較高。

目前SCR法用在循環流化床上的應用實例也不多，主要是因為循環流化床一般是偏中小鍋爐型，NOx的排放量又比較少，應用SCR法不經濟。隨著循環流化床鍋爐漸漸向大型鍋爐發展，其應用SCR法脫硝的工程可能會有所增加。

圖1 SCR煙氣脫硝工藝圖

3.3 SNCR脫硝技術在循環流化床鍋爐上的應用

循環流化床鍋爐煙氣中的NOx含量相對于其它鍋爐要少得多，這對脫硝工作非常有利，當其NOx總含量很低時，可以利用SNCR脫硝法來對其進行脫硝處理，也能達到國家的減排要求。

循環流化床鍋爐的爐內煙氣溫度有較長的一段溫度區域適合SNCR脫硝反應的條件，從爐膛到高溫過熱器之前（其間經過汽冷旋風筒、轉向室）這一段的溫度一般保持在900℃左右，符合SNCR脫硝的溫度（800℃～1100℃）要求，因而可以在鍋爐爐膛的上部、汽冷旋風筒的入口等區域的合適位置布置一定數量的噴槍噴入脫硝還原劑，使其在高溫作用下發生一系列化學還原反應，氨與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O。在此反應過程中，NH3會選擇性地與NOx反應，而不是被O2所氧化。SNCR法的還原劑主要是選用氨水和尿素，如果要用液氨作為還原劑，通常也是先將液氨制成一定比例的氨水后注入到氨站中去使用。

循環流化床鍋爐SNCR法脫硝的主要工藝是，在鍋爐附近加裝氨（NH3）制備裝置，如高倍流量循環模塊（HFD）、背壓閥組（PVC）稀釋計量模塊（MDM）、分配模塊等，增加控制部分，包括還原劑噴量控制等；同時在鍋爐汽冷旋風筒入口處或者轉向室處設置一些噴槍，將稀釋后的氨水或者尿素溶液（一般濃度為5%～10%）噴入到爐腔內，使煙氣中的NOx經過此處時，在氨（NH3）和合適溫度（800℃～1100℃）的作用下將NOx還原成N2和H2O，從而達到脫除NOx的目的（見圖2）。

圖2 SNCR脫硝工藝圖

在這期間，如果用尿素作為還原劑，尿素溶液噴進去后會在高溫下先發生熱解反應生成氨（NH3）和CO2，然后再進行脫硝反應。以尿素作為還原劑的化學反應式：

SNCR法用液氨或氨水作還原劑的主要化學反應式與SCR法相同，此處不再累述。該系統的脫硝效率一般能達到20%～40%，氨逃逸濃度控制在10ppm以下。SNCR脫硝的缺點是脫硝效率相對不高，還原劑消耗量較大，另外由于噴進去的是低濃度的氨水或尿素溶液，其含有不少水分，會略微降低爐內的溫度；優點是由于不需要催化劑，在此階段內無SO2/SO3轉化發生，可避免后續空預器的堵塞。還原劑可以直接用尿素溶液，無毒、無危險，安全性高，另外，可省去催化劑和反應器本體及相應的鋼結構等，系統結構及控制系統比較簡單，減少了初始投資，節省了成本。

3.4 SNCR+SCR聯合脫硝工藝在循環流化床鍋爐上的應用

混合SNCR + SCR煙氣脫硝技術不是選擇性催化還原法工藝與選擇性非催化還原法工藝的簡單組合，它是結合了SCR技術高效、SNCR技術投資省的特點而發展起來的一種新型工藝。

這種SNCR + SCR聯合脫硝工藝，是在鍋爐合適溫度（800℃～1100℃）的爐腔位置布置適當數量的SNCR噴槍，在此直噴一定劑量的還原劑氨（NH3），使其與煙氣中的NOx反應生成氮氣（N2）和水（H2O）。由于此法對NOx的脫除率有限（一般在20%～40%），為能達到更高的脫硝效率，在鍋爐尾部的合適溫度段（溫度為280℃～420℃，最佳為300℃～400℃）設置SCR脫硝裝置，一般能脫去30%左右的NOx，這樣二者的合并效率一般能滿足總體脫硝效率的要求。此方法需要與鍋爐設計方配合，對鍋爐進行一些結構改造，以適應布置SCR催化劑、噴槍、吹灰設備等的結構需要。

SNCR + SCR聯合脫硝工藝具有2個反應區，通過布置在鍋爐爐墻上的噴射系統，首先將還原劑噴入第一個反應區—爐膛，在高溫下，還原劑與煙氣中的NOx在沒有催化劑參與的情況下發生還原反應，實現初步脫氮；然后未反應完全的還原劑進入混合工藝的第二個反應區—SCR反應區（一般設在省煤器與空預器之間，根據實際情況可將催化劑直接安放在鍋爐內的合適段），在有催化劑參與的情況下進一步脫除氮氧化物。在后段SCR反應器中，氮氧化物（NOx）選擇性催化還原過程是在催化劑的作用下，通過前段的逃逸氨（NH3）將煙氣中的NOx轉化成氮氣（N2）和水（見圖3）。在整個脫硝過程中，相應的還原劑同上，其主要反應方程式同上面的SCR法和SNCR法的反應式。

SNCR+SCR混合工藝的2個脫硝區域的設立可以同時進行，也可以分步實施。在有關排放標準較低的情況下，可以先采用單一SNCR工藝，隨著環保標準的提高，再加裝催化反應器。SNCR+SCR混合工藝的緊縮型SCR反應器，占地面積和工程量均較小，通過利用其前部SNCR逃逸氨作為脫硝還原劑，可方便地過渡到SNCR+SCR混合工藝，將脫硝效率提高到新標準的水平。雖然其目前的應用實例還較少，但具有發展優勢，需要人們去合理利用。

圖3 SCR+SNCR脫硝工藝圖

3.5 工程實例

淮安實聯化工有限公司的4×260t/h循環流化床鍋爐除塵 + SNCR脫硝EPC工程，目前已經進入安裝調試階段。

南通醋酸纖維有限公司的2×130t/h高溫高壓煤粉鍋爐的SNCR + SCR現已調試結束，運行狀況良好，性能達到設計要求。

江蘇弘博熱電有限公司的3×130t/h高溫高壓循環流化床鍋爐的SNCR脫硝EPC工程已經進入設計制造階段。

4 結語

我國是個幅員遼闊的國家，資源豐富，工業發展迅速，隨之而來的環境問題也呈多樣復雜性，因此要有針對性地治理工業發展帶來的環境問題。隨著我國循環流化床鍋爐業的迅猛發展，其附屬善后工藝也急待開發提供。目前我國的循環流化床鍋爐煙氣脫硝工藝還有發展空間，脫硝效率還可以達到更高水平，脫硝工藝還可以簡化，脫硝投資還可以更省，這一系列的發展空間都待研發新技術去充實。

[1]段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術[M].北京：北京電力出版社，2009 .

[2]北京華經縱橫咨詢有限公司.中國循環流化床鍋爐行業市場深度調研及中期發展預測報告（2009-2012年度）》[J].中國產業競爭情報網，2012.

[3]李建鋒，郝繼紅，冀慧敏，等.我國循環流化床鍋爐發展現狀以及未來[J].技術綜述-電力技術，2009（4）.

[4]最新火電廠煙氣脫硫脫硝技術標準應用手冊[M].北京：中國環境科學技術出版社，2007，