淺談循環流化床鍋爐脫硝超低排放技術路線

鄭合飛　焦建忠

【摘 要】循環流化床鍋爐實施超低排放標準時，由于燃燒特點不同于煤粉爐，脫硝的工藝可以不同于煤粉爐，從而使企業減少投資優化技術達到排放標準。

【關鍵詞】循環流化床鍋爐；脫硝；超低排放

【Abstract】Circulating fluidized bed boiler of ultra-low emission standards， the combustion characteristics different from pulverized coal boiler， the process of denitrification can be different from a pulverized coal furnace， so as to make the enterprise to reduce the investment optimization technology to achieve the emission standard.

【Key words】Circulating fluidized bed boiler；Denitrification；Ultra-low emission

1 國家形勢

隨著我國工業化進入到深水區，我國環境情況也在最近幾年交易區有了很大的變化，京津冀霧霾影響著人的健康、城市的文明水平。十八大充分體現了以人為本的基本精神，將生態文明建設寫入報告，并多次提及15次之多。2015年1月1日將執行新的《環境保護法》把環境保護提升到基本國策的高度。

我國國家環保部《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014 對電廠鍋爐煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放限值進行了明確規定。據統計，我國煙塵排放量的70%，二氧化硫排放量的90%，氮氧化物排放量的67%都來自燃煤。作為燃煤大戶的火電廠貢獻率比重最大，因此，治理電廠的污染物排放將變的尤為重要。本文主要對大型循環流化床鍋爐的氮氧化物排放控制措施進行討論。

2 傳統上電廠燃煤鍋爐在脫硝上采取的工藝

目前火電廠應用的脫硝手段有三種：低氮燃燒脫硝、選擇性催化還原法（SCR）脫硝和非選擇性催化還原法（SNCR）脫硝。低氮燃燒脫硝目前在300兆瓦以上新建機組都有應用，但脫除效率比較低，低氮燃燒技術能使電廠煙氣中氮氧化物的濃度達到300～400毫克/立方米，在這種情況下，再利用SCR脫硝就可以達到100毫克/立方米以下。兩者配合使用，催化劑的效率可達70%～80%，對于實現新標準的限值是比較可行的。

2.1 低氮燃燒技術

從氮氧化物的生成機理看，占氮氧化物絕大部分的燃料型氮氧化物是在煤粉的著火階段生成的，因此，通過特殊設計的燃燒器結構以及通過改變燃燒器的風煤比例，可以將前述的空氣分級、燃料分級和煙氣再循環降低氮氧化物濃度的大批量用于燃燒器，以盡可能地降低著火氧的濃度適當降低著火區的溫度達到最大限度地抑制氮氧化物生成的目的，這就是低氮氧化物燃燒器。目前主要有以下幾種：

1）低過量空氣燃燒；

2）空氣分級燃燒；

3）燃料分級燃燒；

4）煙氣再循環；

5）低氮氧化物燃燒器。

低氮燃燒技術優勢。低氮燃燒技術是根據氮氧化物的生成機理，主要通過采用空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環和低氮燃燒器等方法降低煤粉燃燒過程中氮氧化物的生成量的技術。這類技術具有相對簡單，投資、運行費用較低等特點，是經濟、有效的技術措施，同時大幅度地降低二次循環污染。

2.2 SCR脫硝技術

在眾多的脫硝技術中，選擇性催化還原法（SCR）是脫硝效率最高，最為成熟的脫硝技術。在日本、歐洲、美國目前約有300套裝置，我國隨著生態文明建設的要求，電廠鍋爐使用SCR 方法已成為目前脫硝比較成熟的主流技術。

2.2.1 SCR法煙氣脫硝原理

在催化劑作用下，向溫度約280℃～420℃的煙氣中噴人氨，將N0還原成N2和氮氧化物。由于該反應沒有產生副產物，并且裝置結構簡單，適合于處理大量的煙氣。

2.2.2 SCR煙氣脫硝工藝的影響因素

催化劑、溫度環境及空氣流速無疑是SCR設計的三要素；當前流行的成熟催化劑有蜂窩式、波紋狀和平板式等。當前各種催化劑活性成分大部分為WO3和V2O5。如果反應區溫度太低，催化劑的活性降低，脫硝效率下降，則達不到脫硝的效果。催化劑按溫度分為三類：高溫催化劑345℃～590℃、中溫催化劑260℃～380℃及低溫催化劑80℃～300℃。目前，國內外SCR系統大多采用高溫催化劑，反應溫度在315℃～400℃。除了溫度的影響，空氣流速對催化劑性能的影響也是重中之重，煙氣在SCR反應塔中的空塔速度是SCR 的一個關鍵設計參數，煙氣體積流量與SCR反應塔中催化劑體積比值， 反映了煙氣在SCR 反應塔內的滯留時間的長短。煙氣的空塔速度越大，其停留時間越短。一般SCR 的脫硝效率將隨煙氣空塔速度的增大而降低。

另外，根據鍋爐煙氣中的粉塵濃度大小，SCR布置可設計為高粉塵濃度的及低粉塵濃度的，這兩種工藝特點將影響到工程的技術路線及造價，如何選擇設計是影響脫硝效率及設備可靠性的主要因素。

2.3 SNCR脫硝技術

SNCR技術是目前世界上除SCR法外應用最多的一種脫硝技術，全世界大約有300套SNCR裝置應用于電廠鍋爐、工業鍋爐、市政垃圾焚燒爐和其他燃燒裝置。該技術脫除氮氧化物的機理簡單，在反應溫度為850-950℃條件下，利用氨或尿素等還原劑分解成的自由基NH3和NH2，將氮氧化物@還原為N2和H2O。

SCR工藝具有不改變原有爐型、投資費用較低、工程建設周期短等優點，主要設備為溶解系統、混合系統、輸送系統、噴射系統及控制系統。但是氨逃逸率高，脫硝效率低，所以為了克服這些缺點，國內外一些電廠常把SNCR技術和SCR技術組合在一起應用，以達到脫硝目標。

3 循環流化床鍋爐在超低排放中的探索

3.1 循環流化床鍋爐的燃燒特點

循環流化床鍋爐是燃料范圍適應性較大的低污染清潔燃燒技術。其具有燃燒溫度低850～900℃、煙氣中污染氣體排放濃度低等優點，在當今日益嚴峻的能源枯竭和生態保護要求下，在我國得到了迅速的發展目前機組最大等級為600MW。

在鍋爐燃燒過程中，氮氧化物的生成可分為溫度型氮氧化物（包括快速溫度型）和燃料型氮氧化物。

溫度型氮氧化物是指燃燒過程中空氣含的氮氣，在高溫下（1500℃以上）產生的氮氧化物，它隨溫度的升高而急劇生成。另外，氧氣的濃度越高，氮氧化物的生成量就越高。綜上所述，影響溫度型氮氧化物的生成量，主要影響因素是溫度、氧氣濃度和停留時間。CFB爐的燃燒溫度在850～900，所以基本上沒有溫度型氮氧化物的產生。

燃料型氮氧化物是指燃料中的N，在燃燒過程中氧化而生成的氮氧化物，而燃料型氮氧化物的生成量只占煤中N的產物的60%，其余大部分為N2和NH3，且燃料型氮氧化物的生成溫度范圍在600～800℃。由于燃燒中碳粒子的存在及NH3的生成，它們又是氮氧化物的良好的還原劑，特別是在850～950℃范圍內。

根據上述分析，要想降低氮氧化物的排放量，一（下轉第143頁）（上接第100頁）是要控制低溫燃燒（CFB爐的燃燒溫度在850～900℃，正是脫硫的最理想的溫度范圍）；二是要采用分級燃燒。所謂分級燃燒，就是讓燃料在床層中空氣（即一次風）稍微不足的條件下燃燒（稱為一級燃燒），這時由于空氣不足，一次風只能供部分燃料燃燒，產生大量碳粒和NH3與煙氣混合，進而將氮氧化物還原成H2、N2，這時再在床層上方適當位置送入二次風，以保證氮氧化物的分解反應充分完成（稱為二級燃燒）。CFB爐則很好的滿足了這些要求，從而使煙氣中的氮氧化物含量在40～150mg/m3（而同煤種的PC爐，則在300～450mg/m3）。

3.2 循環流化床鍋爐脫硝工藝選擇分析

1）對于循環流化床鍋爐來說，燃燒溫度在850～900，所以基本上沒有溫度型氮氧化物的產生，只有燃料型氮氧化物產生，經過多層燃燒的燃燒方式，有很好的抑制氮氧化物的生成的作用，使鍋爐的排放值更低，增加全容量的SCR脫硝方式將會增加較高的成本，是不經濟的選擇。因此，大型循環流化床鍋爐可優化完善二次風等燃盡風配風方式，將鍋爐內部就將一次燃燒區的氮氧化物還原一部分，降低60%～70%，再安裝一套SNCR脫硝裝置，降煙氣氮氧化物降低65%～70%，最終排放將滿足超低排放標準50/mg/m3。

2）成本分析

通過對具有代表性的燃煤電廠進行的脫硝情況調研，認為新建煙氣脫硝裝置的初始投資成本主要由3個部分構成：（1）脫硝裝置建設安裝費用；（2）配風優化費用；（3）氨貯存和管道建設費用。后期運行時還將增加原劑購買費用。

2014年部分地區頒布的新標準規定重點區域的氮氧化物排放限值為50mg/m3，根據調研得到的相關數據對我國已運行電廠的煙氣脫硝技術的投資費用進行了計算，每臺鍋爐SNCR裝置費用約2000～3000萬元，配風優化改造費用約1000～1500萬元。

4 總結與展望

《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271-2014對火電廠氮氧化物的排放已做出嚴格限制規定，部分省針對區域的污染情況及經濟發展情況，又制定了更嚴格的排放標準——超低排放，因此企業的環保排放不但要滿足國家標準更要符合產業政策，相對于以前的粗放型、污染型經濟已經不滿足現在的社會形勢。企業要想生存、要發展就必須考慮環保要求，企業不管是建設新項目還是對原有的設備進行改造，一定要有前瞻性，而對于大型的循環流化床鍋爐電廠來說，一方面改造要有效果，另一方面，改造的投入要合理，采用優化二次風加SNCR的改造方式，是利用鍋爐燃燒特性的一種方式，能夠滿足使用要求，并為企業節約大量資金。

[責任編輯：劉展]