CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝設計及應用

侯致福，楊玉環

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.山西普麗環境工程股份有限公司，山西 晉中 030600)

CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝設計及應用

侯致福1,2，楊玉環2

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.山西普麗環境工程股份有限公司，山西 晉中 030600)

針對某1 060 t/h CFB鍋爐NOx排放濃度長期穩定在50 mg/Nm3以下的超低排放目標，設計一套處理煙氣量為1 150 000 Nm3/h、初始NOx含量190 mg/Nm3，NOx排放濃度不高于50 mg/Nm3的SNCR+SCR聯合煙氣脫硝系統。分析當前煙氣NOx主要脫除技術的原理及優缺點，對SNCR+SCR聯合脫硝工藝的主要參數、工藝流程進行設計，對工藝的設計依據、原理、目標及系統主要組成部分進行闡述。經168 h試運和性能測試，NOx排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，滿足超低排放要求。性能測試結果表明：機組90%和80%負荷下，NOx排放濃度、氨逃逸、聯合脫硝效率、還原劑耗量、催化劑阻力及SO2/SO3轉化率均滿足設計要求和環保要求。

CFB鍋爐；NOx超低排放；SNCR+SCR；煙氣脫硝；設計與應用

隨著環保要求日益嚴格，燃煤電廠煙氣中SO2、NOx、煙塵等污染物的排放備受社會關注[1-3]。國辦發[2014]31號《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》對火電節能減排提出嚴格的強制要求：東部地區新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(基準氧含量6%，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3)，中部地區新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。

CFB鍋爐燃燒溫度低，分級、分段燃燒的特點使爐內產生NOx較少，單一的SNCR脫硝技術不能長期穩定確保NOx低于50 mg/Nm3的超低排放要求，因此針對CFB鍋爐本身特點，研究設計一種充分利用CFB鍋爐本身優勢，系統投資、運行、維護費用低，同時可長期穩定確保煙氣中NOx排放濃度滿足超低排放要求的脫硝工藝具有重要意義。

1 煙氣NOx主要脫除技術

目前，脫除煙氣氮氧化物的成熟技術主要有低氮燃燒技術、SNCR+SCR聯合煙氣脫硝技術、SNCR煙氣脫硝技術和SCR煙氣脫硝技術[4-7]。

1.1 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術主要是通過控制、調整爐膛內風量改變爐內燃燒條件以控制燃料燃燒過程中氮氧化物的生成，從而達到降低煙氣中NOx排放濃度的目的。

1.2 SNCR+SCR聯合脫硝技術

采用前段SNCR脫硝與后段SCR脫硝相結合的脫硝技術。該聯合脫硝技術所添加脫硝催化劑量較少，對后續設備及系統的影響、新增阻力、整體投資等均介于SNCR脫硝與SCR脫硝技術之間，多用于脫硝改造工程改造空間受限的情況[6-8]。前段SNCR脫硝對煙氣中氮氧化物進行初步脫除，后段SCR脫硝對煙氣氮氧化物做深度脫除，同時后段SCR脫硝還可降低前段SNCR反應逃逸的氨氣，降低煙氣中氨逃逸的排放濃度，避免產生二次污染。

1.3 SNCR脫硝技術

SNCR煙氣脫硝技術主要是在無催化劑條件下向分離器入口煙道或爐膛上部等850～1 100 ℃的溫度區域噴入氨、尿素等還原劑進行選擇性非催化反應來還原煙氣中的氮氧化物，使其生成氮氣和水，達到降低煙氣中NOx排放濃度的目的。

在850～1 100 ℃條件下，SNCR煙氣脫硝主要化學反應方程式如式(1)，當脫硝還原劑噴入點的溫度過高時，還原劑NH3被氧化為NO，會增加煙氣中NOx含量，具體化學反應方程式如式(2)[7-9]：

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(1)

4NH3+5O2→6H2O+4NO

(2)

SNCR脫硝技術主要優缺點：脫硝效率低，大機組效率一般為25%～50%，小機組效率可達70%～80%；無需添加脫硝催化劑，且反應過程中無SO3轉化；對脫硝改造場地條件要求低，適用于改造條件受限、入口NOx含量低的脫硝工程。

1.4 SCR脫硝技術

SCR煙氣脫硝技術是在催化劑條件下向溫度300～400 ℃區域的尾部煙道內噴入氨或尿素等還原劑進行選擇性催化反應來還原煙氣中的氮氧化物，使其生成無害的水和氮氣，降低煙氣中NOx含量。主要化學反應方程式如式(3)、(4)[7-8]:

4NH3+2NO2+O2→6H2O+3N2

(3)

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(4)

SCR脫硝技術主要優缺點：脫硝效率較高，一般可達60%～90%；必須有脫硝催化劑反應模塊，且要求具有300～400 ℃較佳的反應溫度窗口；催化劑的存在會增加SO3轉化，硫酸氫銨的生成會造成空氣預熱器的腐蝕、堵塞等問題。

2 SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝設計

2.1 設計依據

針對某發電廠300 MW CFB機組脫硝超低排放改造項目，選用循環流化床清潔燃燒技術和SNCR+SCR聯合煙氣脫硝技術相結合的方式來確保煙氣NOx排放濃度長期穩定于50 mg/Nm3以下。

該300 MW CFB鍋爐為亞臨界中間再熱、單鍋筒自然循環、集中下降管、平衡通風、絕熱式旋風氣固分離器、循環流化床燃燒方式。鍋爐的燃料為采掘矸(含風氧化煤)及洗煤廠生產的煤矸石和煤泥，燃料在循環流化床鍋爐爐內燃燒過程中產生的煙氣具體情況如表1所示。

表1 燃料燃燒過程煙氣參數

2.2 設計原理

CFB鍋爐清潔燃燒技術控制燃料燃燒過程中產生較少NOx，鍋爐旋風分離器入口煙道SNCR脫硝與鍋爐尾部煙道SCR脫硝聯合脫硝實現對煙氣中NOx的高效脫除。整個工藝中，爐內生成的NOx較少，聯合煙氣脫硝技術中前段SNCR脫硝對煙氣中NOx進行初步脫除，后段SCR脫硝一方面利用前段SNCR脫硝的逃逸氨進行脫硝反應對NOx做深度脫除，提高整體脫硝效率，降低氨逃逸濃度，避免二次污染；同時尾部煙道催化劑上部設有SCR脫硝補噴氨噴槍可根據煙氣中NOx排放情況，合理設定還原劑補噴量，確保煙氣中氮氧化物長期穩定超低達標排放。

2.3 設計目標

SNCR+SCR聯合脫硝系統設計目標如下[10-11]：

a.穩定運行中，煙氣NOx排放濃度≤50 mg/Nm3；

b.穩定運行中，整體脫硝效率≥75%；

c.穩定運行中，氨逃逸排放濃度≤2.5 mg/Nm3；

d.裝置可用率≥98%，系統主體使用壽命不小于30年。

2.4 設計參數

CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放系統的主要設計參數如表2所示。

表2 主要設計參數

注：涉及NOx的主要設計參數均以NO2計。

2.5 工藝流程

CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝流程如圖1所示。整個流程中，氨水與除鹽水混合溶液、輔助霧化壓縮空氣以及噴槍保護風均通過雙流體噴槍噴至脫硝反應區域參加脫硝反應，進而脫除煙氣中NOx，降低污染物排放濃度。

2.6 工藝主要組成部分

圖1 CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝流程

CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放工藝中脫硝還原劑選用氨水，其主要系統設置有還原劑存儲系統、還原劑輸送系統、還原劑稀釋系統、輔助霧化系統、噴槍保護風系統、還原劑噴射系統及其他輔助系統。

a.還原劑存儲系統

脫硝還原劑為氨水，采用外購，汽運至氨水儲區。還原劑存儲系統為廠區各機組脫硝公用，氨水儲罐體積為100 m3，罐頂部的安全閥在卸載氨水過程中起保護作用。

b.還原劑輸送系統

脫硝泵將氨水由氨水儲區輸送至末端還原劑噴射系統，通過雙流體噴槍還原劑被噴至旋風分離器入口煙道和鍋爐尾部煙道催化劑上部還原劑反應區域。

c.還原劑稀釋系統

d.輔助霧化系統

輔助霧化系統指引自廠區壓縮空氣母管的壓縮空氣輸送至脫硝噴槍氣相接口對還原劑氨水噴射起輔助霧化作用，提高還原劑對煙氣的穿透力和混合均勻程度。壓縮空氣罐儲存一定量壓縮空氣起緩沖作用，避免壓力波動。

e.噴槍保護風系統

保護風引自廠區內流化風母管，在脫硝噴槍使用過程中用來降低煙道內外溫差，減少膨脹，達到保護噴槍的目的。

f.還原劑噴射系統

由旋風分離器入口煙道氨水噴射裝置和鍋爐尾部煙道脫硝催化劑上部氨水噴射裝置組成。每臺機組4臺旋風分離器，每臺旋風分離器入口煙道設5支脫硝噴槍，鍋爐尾部煙道催化劑上部合適溫度區域前后墻或左右墻各設5支脫硝噴槍，單機共布置還原劑噴射裝置30套。

測量值是否有效會影響鍋爐給水、機組循環汽水的品質的真實性，因此測量值的有效性需要被驗證。專家診斷系統會自動定期掃描狀態值、校準歷史、儀表設定值等，告訴用戶當前測量值是否有效。

g.其他輔助系統

主要指電氣、控制及其他公用設施。控制系統無需單獨安排人員進行監視和控制，僅采用DCS控制系統集中控制對工藝系統被控對象和系統指標自動監測與調整。

3 應用效果分析

CFB鍋爐SNCR+SCR聯合脫硝超低排放改造完成，主要設備、各分系統調試結束后對整套系統進行熱態調整試驗。以某公司3號機組為例，該聯合脫硝超低排放工藝的應用效果主要從系統168 h試運和系統性能測試結果兩方面體現。

3.1 系統168 h運行

SNCR+SCR聯合脫硝超低排放系統操作簡單，數據顯示準確，運行穩定，168 h試運期間機組相關參數連續運行曲線及NOx變化趨勢如圖2所示。

圖2 SNCR+SCR聯合脫硝168 h運行相關參數變化曲線

根據圖2運行數據可知：在168 h試運行期間尾部濕法脫硫塔出口的氮氧化物排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，滿足氮氧化物超低排放的要求；氨逃逸濃度小于2.5 mg/Nm3，滿足環保要求。

3.2 系統性能測試

選取3號機組90%負荷及80%負荷穩定運行段內對新建SNCR+SCR聯合脫硝超低排放系統的性能進行測試，該系統出口的NOx濃度、聯合脫硝效率、氨逃逸濃度、還原劑用量、SO2/SO3轉化率等設計參數進行測試，測試結果表明系統的主要設計參數值均滿足設計要求，主要性能試驗結果如表3所示。

表3 3號機組SNCR+SCR聯合脫硝裝置性能測試結果

注：表中NOx濃度、氨逃逸濃度均為6%O2、標態、干基條件下濃度，還原劑為25%濃度氨水；因統計表計故障，表中未給出水耗、電耗、壓縮空氣耗量的測試結果。

4 結論

a.1 060 t/h CFB鍋爐NOx超低排放控制采用SNCR+SCR聯合脫硝技術，系統168 h試運期間NOx排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，氨逃逸小于2.5 mg/Nm3，污染物排放濃度滿足環保要求；性能測試結果表明：3號機組90%和80%負荷下，NOx排放濃度、氨逃逸濃度、聯合脫硝效率、還原劑耗量、催化劑阻力及SO2/SO3轉化率均滿足設計要求和環保要求。

b.SNCR+SCR聯合煙氣脫硝技術可長期穩定確保1 060 t/h CFB鍋爐NOx排放濃度滿足超低排放要求(≤50 mg/Nm3)，在CFB鍋爐NOx超低排放脫硝改造中具有明顯優勢，可為CFB鍋爐脫硝超低排放工程的改造及設計提供借鑒。

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[11] 火電廠煙氣脫硝工程技術規范 選擇性催化還原法：HJ 562—2010[S].

Process Design and Application on Ultra Low Emission Technology with Combined SNCR and SCR Denitrification of CFB Boiler

HOU Zhifu1,2, YANG Yuhuan2

(1. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Shanxi Puli Environmental Engineering Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600, China)

A flue gas treatment system of combined SNCR and SCR denitrification technology that NOxemission concentration of long-term stability to meet no more than 50 mg/Nm3ultra-low goal for 1 060 t/h CFB boiler is designed, which handles 1.15 million Nm3/h flue gas, initial NOxcontent is 190 mg/Nm3and NOxemission concentration less than 50 mg/Nm3. The advantages and disadvantages of main flue gas denitration technology are analyzed. The main parameters and process of combined SNCR and SCR denitrification are designed. Design basis,principle,goal and main components of system are expounded. Through commissioning of 168 h and performance testing results,NOxaverage emissions concentration is 33.55 mg/Nm3, which satisfies the requirement of ultra-low emissions. The performance testing show that the NOxemission concentration,ammonia escape concentration, combined denitration efficiency, reductant consumption,catalyst resistance and SO2/SO3conversions meet design requirements and environmental requirements with 90% load and 80% load.

CFB boiler; NOxultra low emission; SNCR+SCR; flue gas denitrification; design and application

X773

A

1004-7913(2017)02-0030-04

侯致福(1986)，男，在職博士，工程師，主要從事CFB鍋爐清潔燃燒及污染物控制技術研究。

2016-11-20)