燃用煤矸石循環流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究

陳建全， 高彬彬， 高建強

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.同煤國電王坪發電有限責任公司，山西 朔州 036000）

燃用煤矸石循環流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究

陳建全1，2， 高彬彬1， 高建強1

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.同煤國電王坪發電有限責任公司，山西 朔州 036000）

通過對比低氮燃燒技術、SNCR脫硝技術、SCR脫硝技術以及SCR-SNCR脫硝技術，對燃煤矸石的循環流化床鍋爐脫硝方案進行了分析，建議對于只需滿足《火電廠大氣污染物排放標準》的機組可采用低氮燃燒+SNCR脫硝技術，對于要滿足超低排放標準（NOX排放低于50 mg/m3）的機組可采用低氮燃燒+SCR-SNCR混合脫硝技術。

煤矸石；循環流化床；脫硝；鍋爐

0 引言

CFB（循環流化床）燃煤發電鍋爐具有燃燒效率高、燃料適應性廣、污染物排放低、運行穩定等諸多優勢，已在國內外得到廣泛應用。對于煤矸石的綜合利用與發電，CFB被認為是最為適宜的技術之一。

雖然我國煤矸石儲量豐富，但由于其質地硬、密度大、熱值低、不易燃燒等特點，采用常規煤粉燃燒技術，燃用煤矸石發電是極其困難的。而CFB鍋爐則完全可以適應這種低熱值煤。目前，我國已經規劃建造了多個以煤矸石為燃料的CFB鍋爐發電機組，最大單機容量達到了350 MW。

燃用煤矸石CFB鍋爐采用爐內噴石灰石脫硫，可以降低煙氣排放的SO2濃度，同時由于爐內燃燒溫度不高，采用分級配風方式，其煙氣中的NOX濃度也較低。然而，隨著國家對電站鍋爐煙氣污染物排放標準的不斷提高，燃用煤矸石的CFB鍋爐煙氣污染物達標排放問題，是發電廠面臨的又一新的挑戰。

2011年我國頒布了GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》，要求自2014年7月1日起現有CFB機組排放的煙氣中氮氧化物濃度不大于200 mg/m3，新建CFB機組不大于100 mg/m3[1]。2014年印發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》中[2]，要求和鼓勵新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值，即在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10，35，50 mg/m3，實現燃煤發電機組的超低排放。

目前，燃煤矸石大型CFB鍋爐排煙NOX濃度通過運行調整一般可控制在200 mg/m3以內，但如果要實現超低排放目標，則必須根據機組的實際特點，研究和應用適宜的技術，對CFB鍋爐進行改造升級。

1 CFB鍋爐脫硝技術分析

燃煤鍋爐中NOX的生成途徑主要可分為3種：熱力型、快速型和燃料型[3]。熱力型NOX的生成溫度一般要求1 500℃以上，而CFB鍋爐爐內溫度在1 000℃以下，因此熱力型NOX的含量很少。快速型NOX的生成條件為低氧、燃料富余，而CFB鍋爐內的空氣過剩系數一般在1.2以上，不滿足快速型NOX的生成條件。燃料型NOX主要由燃料中的含氮化合物在加熱過程中，伴隨揮發分燃燒和焦炭燃燒形成。因此，CFB鍋爐生成的NOX主要是燃料型NOX，其含量常超過95%[4]，主要包括：揮發分燃料燃燒階段形成的NOX和焦炭燃燒階段形成的NOX。

目前，控制CFB鍋爐NOX排放的技術主要有以下幾種。

1.1 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術主要是通過運行方式的改進或對燃燒過程進行特殊控制，一方面抑制燃料生成NOX，另一方面將已生成的NOX還原，最終降低NOX排放量[5]。主要方法包括：

（1）低氧燃燒。通過降低過量空氣系數，以利于還原性氣氛的形成，減少NOX的生成[4]。

（2）強化分級配風。流化床鍋爐本身就是分級配風，但需根據煤種不同合理調整一、二次風的風量及風速，避免產生局部高溫。

（3）燃料再燃。在旋風分離器入口前再送入一股氣體燃料，由于氧量不足會形成還原性氣氛，將NOX還原為N2[6]。

1.2 SNCR脫硝技術

SNCR（選擇性催化還原）脫硝技術是指在無催化劑的作用下，在最佳反應溫度850～1 000℃之間噴入還原劑，將煙氣中的NOX還原為無害的N2和H2O。該技術一般采用爐內噴氨或尿素作為還原劑還原NOX，其主要反應式為[7]：

1.3 SCR脫硝技術

SCR（選擇性催化還原）脫硝技術的原理是在催化劑（V2O5/TiO2）的作用下，在最佳的催化溫度300～400℃之間，用還原劑氨（NH3）與NOX反應生成無害的N2和H2O，一般將SCR反應器置于省煤器后、空氣預熱器之前。其主要反應式如下[7]：

1.4SCR-SNCR脫硝技術

SCR-SNCR混合脫硝技術是結合了SNCR法的經濟性和SCR法的高效而發展起來的一種脫硝工藝[8]，其流程是：先將還原劑噴入爐膛，在高溫下還原劑與煙氣中的NOX發生還原反應，初步脫硝后，未反應完全的還原劑進入設在省煤器與空預器之間的SCR反應器，在有催化劑參與的情況下進一步脫除NOX。

以上各種脫硝技術特點的對比詳見表1、表2。

表1 不同脫硝技術優缺點比較

2 脫硝方案選擇

對于燃煤矸石CFB鍋爐脫硝技術的選擇，不應采取一刀切的方式，而應結合不同地區、機組新舊程度以及煤質等因素采用不同的脫硝技術。

2.1 滿足GB 13223-2011標準的改造方案

要滿足GB 13223-2011的排放標準，老機組需將NOX的排放量降至200 mg/m3以下。現有的300 MW燃煤矸石CFB鍋爐NOX排放量一般在200 mg/m3左右[11]，只需選擇合適的低氮燃燒方法進行改造，即可滿足要求。

對于NOX的排放量要求在100 mg/m3以下的新建機組，以及通過低氮燃燒改造仍不能滿足排放要求的老機組，可在低氮燃燒的基礎上加裝SNCR脫硝裝置。一般而言，CFB鍋爐在旋風分離器處的溫度為800～950℃，恰處于SNCR脫硝技術的最佳反應溫度區間；此外，高溫煙氣在旋風分離器內形成強烈的渦流，將SNCR噴槍布置于旋風分離器進口煙道上，既能保證還原劑與煙氣充分混合，又能保證有足夠長的停留時間。這種脫硝方式的效率可達60%以上。

表3為某240 t/h的CFB鍋爐[12]在采用燃料再燃+SNCR脫硝技術后NOX的排放濃度，其結果達到了GB 13223-2011標準的限值要求，且對整個鍋爐機組的影響較小。

表2 不同脫硝技術經濟性能比較[9-10]

表3 燃料再燃+SNCR脫硝技術性能指標

2.2 滿足超低排放標準的改造方案

若要滿足超低排放要求，NOX的排放需低于50 mg/m3，采用低氮燃燒+SNCR脫硝技術已經無法滿足要求。由前文分析，結合表2可知，SCR和SCR-SNCR脫硝技術均具有較高的脫硝效率。如采用SCR脫硝技術，一方面催化劑容易中毒和磨耗[13]，另一方面SO3含量的增加會對下游設備造成堵塞和腐蝕，影響系統連續運行。且SCR脫硝技術的催化劑用量大，占用空間較大，需要對空預器及引風機等進行改造，難度大、工期長、初投資和運行維護費用也較大。因此單獨采用SCR脫硝技術不適用于燃煤矸石的CFB鍋爐。

而SCR-SNCR脫硝技術催化劑用量少，中毒和磨損帶來的損失小，占用空間小，改造難度也減小，且氨逃逸量也較小，減輕了對下游設備的影響，既結合了SNCR和SCR的優點，又減少了SNCR和SCR的缺點。采用SCR-SNCR脫硝并結合低氮燃燒技術，脫硝效率可達90%以上，完全可以滿足超低排放的要求。同時在工程改造中可以預留一部分空間，當排放達不到規定標準時，可以直接在此加裝催化劑，減小工程改造的難度與風險。

3 結語

脫硝技術的改造可以遵循低氮燃燒→低氮燃燒+SNCR→低氮燃燒+SCR-SNCR的技術路線，當前一項不能滿足排放標準時，在原有脫硝技術的基礎上進行下一步的脫硝改造。對燃煤矸石CFB鍋爐脫硝改造提出以下建議：

（1）對于現有或新建的非敏感（只需滿足GB 13223-2011標準）地區的燃煤矸石CFB機組可采用低氮燃燒技術或低氮燃燒+SNCR脫硝技術。

（2）對于敏感（需滿足超低排放要求）地區的燃煤矸石CFB機組可采用低氮燃燒+SCR-SNCR混合脫硝技術。

[1]GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標準[S].北京：中國環境科學出版社，2011．

[2]中華人民共和國發展改革委，環境保護部，國家能源局.煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）[Z]. 2014.

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（本文編輯：張 彩）

Research on Flue Gas Denitration Scheme for Coal Gangue CFB Boiler

CHEN Jianquan，GAO Binbin，GAO Jianqiang
（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.TGP Wangping Power Generation Co.，Ltd.，Shuozhou Shandong 036000，China）

By comparing low-nitrogen combustion technology，SNCR denitration technology，SCR denitration technology and SCR-SNCR denitration technology，the paper analyzes the denitration scheme for coal gangue CFB（circulating fluidized bed）boiler and suggests boilers that only meet the"Emission Standard of Air Pollution for Thermal Power Plants"adopt low-nitrogen combustion plus SNCR denitration technology；for boilers that must meet the ultra-low emission standard（NOXemission lower than 50 mg/m3）can adopt an integrated denitration technology of low-nitrogen combustion plus SCR-SNCR.

coal gangue；CFB；denitration；boiler

X773

：B

：1007-1881（2016）05-0038-04

2016-11-05

陳建全（1967），男，高級工程師，主要從事發電廠生產運行管理工作。