循環流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究

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(1.平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800；2.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京100098；3.北京市低質燃料高效清潔利用工程技術研究中心，北京100098；4.山西昱光發電有限責任公司，山西 朔州 036900)

0 引 言

循環流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應性廣、燃燒效率高、污染物排放低、結構簡單、運行靈活等諸多優勢[1]，在國內外得到廣泛應用，特別是大型循環流化床鍋爐的發展和應用在近年來尤為迅速[2]。

近年來，隨著環保問題的集中爆發，國家環保政策越發嚴格。國家環保部《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)對鍋爐煙氣污染物S02、NO2和粉塵排放限值大幅度收窄，大量新規前投產的火電機組必須改造升級[3-4]。

在此背景下，文中針對CFB鍋爐煙氣脫硝技術進行研究，提供可行方案供參考。

1 CFB鍋爐脫硝技術分析

煤燃燒生成NOX的過程有燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx三個途徑。CFB鍋爐產生的NOx主要是燃料型NOx。

目前，控制CFB鍋爐NOx排放的技術主要有以下幾種：

1.1 SCR脫硝技術

SCR技術最早于上世紀70年代用于日本電站鍋爐的NOx控制，其原理是把氨基還原劑噴入鍋爐下游300～400 ℃的煙道內，在催化劑作用下，利用氨基還原劑的選擇性將煙氣中NOx還原成無害的N2和H2O。SCR是一種成熟的深度煙氣氮氧化物后處理技術，無論是新建機組還是在役機組改造，絕大部分燃煤鍋爐都可以安裝SCR裝置。典型的煙氣脫硝SCR工藝具有如下特點：

(1)脫硝效率可以高達90%以上，NOx排放濃度可控制到50 mg/m3(標準狀態，干基，6%O2)以下；

(2)催化劑是工藝關鍵設備。催化劑在與煙氣接觸過程中，受到氣態化學物質毒害、飛灰堵塞與沖蝕磨損等因素的影響，其活性逐漸降低，通常3～4年增加或更換一層催化劑。對于廢棄的催化劑，由于富集了大量痕量重金屬元素，需要謹慎處理；

(3)反應器內煙氣垂直向下流速約4～4.5 m/s，催化劑通道內煙氣速度約5～7 m/s。300 MW機組對應的每臺SCR反應器截面積分別約80～90 m2；

(4)脫硝系統會增加鍋爐煙道系統阻力約700～1 000 Pa，需提高引風機壓頭；

(5)SCR系統的運行會增加空預器入口煙氣中SO3濃度，并殘留部分未反應的逃逸氨氣，二者在空預器低溫換熱面上反應形成硫酸氫銨，易惡化空預器冷端的堵塞和腐蝕，需要對空預器采取抗硫酸氫銨堵塞措施；

(6)受制于鍋爐煙氣參數、飛灰特性及空間布置等因素的影響，根據反應器的布置位置，SCR工藝分為高灰型、低灰型和尾部型等三種：高灰型SCR是主流布置，工作環境相對惡劣，催化劑活性惰化較快，但煙氣溫度合適(300～400 ℃)，經濟性最高；低灰型SCR與尾部型SCR的選擇，主要是為了凈化催化劑運行的煙氣條件或者是受到布置空間的限制，由于需將煙氣加熱到300 ℃以上，只適合于特定環境。

早期的脫硝催化劑供應主要有美國Cormetech、奧地利Ceram、德國亞基隆、日本日立、丹麥托普索等公司，隨著催化劑生產線在國內組建，東方凱特瑞、中電遠達及江蘇龍源等國內公司的產品質量得到了認可，逐漸成為國內催化劑供應的主力，目前催化劑價格已有較大幅度下降。

1.2 SNCR脫硝技術

SNCR技術是利用噴槍將氨基還原劑(如氨氣、氨水、尿素)溶液霧化成液滴噴入爐膛，熱解生成氣態NH3，在950～1 050 ℃溫度區域(通常為鍋爐對流換熱區)和沒有催化劑的條件下，NH3與NOx進行選擇性非催化還原反應，將NOx還原成N2與H2O。噴入爐膛的氣態NH3同時參與還原和氧化兩個競爭反應：溫度超過1 050 ℃時，NH3被氧化成NOx，氧化反應起主導；溫度低于1 050 ℃時，NH3與NOx的還原反應為主，但反應速率降低。

相對SCR而言，SNCR脫硝效率有限制。但是，由于它的低投資和低運行成本，特別適合中小容量鍋爐的使用，尤其是循環流化床鍋爐綜合性價比較好。SNCR整體工藝比較簡潔，具有如下特點：

(1)SNCR技術可控制NOx排放降低50%～80%，循環流化床鍋爐由于反應溫度窗口適宜與還原劑均勻混合良好，因此脫硝效率遠高于煤粉鍋爐；

(2)SNCR裝置不增加煙氣系統阻力，也不產生新的SO3，氨逃逸濃度通常控制在10 μL/L以內(SCR是3 μL/L)；

(3)還原劑噴入爐膛前，需要稀釋到10%以下，而霧化液滴蒸發熱解過程需要吸收一定的熱量，這會造成鍋爐效率產生一定程度的降低。

1.3 SNCR/SCR混合型煙氣脫硝技術

混合型SNCR/SCR技術是將SNCR與煙道型SCR結合，SNCR承擔脫硝和提供NH3的雙重功能，利用煙道型SCR將上游來的NH3與NOx反應完全，從而提高整體脫硝效率。技術特點如下：

(1)適應于場地空間有限的特定環境，脫硝效率可達到75%左右；若是SNCR結合煙道外獨立的反應器SCR，配合良好的煙氣流場及噴氨格柵，其效率可高達95%左右；

(2)煙道阻力約增加小于150～500 Pa，主要取決于催化劑的用量和煙道形式；

(3)整體脫硝效率低于70%時，煙道型SCR不需另設噴氨AIG裝置，但需要提高煙道型SCR的脫硝效率時，還得增設單獨的氨噴射系統；

(4)SNCR/SCR混合型脫硝技術是近些年發展起來的技術，有其特定的應用范圍。該技術的產生和應用，同時也說明氮氧化物控制也要講經濟性。

另外，SNCR/SCR也有另外一種應用形式，即SNCR產生的氨逃逸，僅作為SCR的小部分還原劑，SCR所需的還原劑的主要部分仍然來自己噴氨格柵。這種方式的聯用技術，能夠達到超過90%的脫硝效率。

1.4 CFB鍋爐低氮燃燒技術

CFB鍋爐產生的燃料型NOx生成機理非常復雜，控制燃料型NOx生成最有效的措施是分級送風燃燒，在還原氣氛中氮燃燒的中間產物較少被氧化成NO，進而抑制了NOx的生成。鍋爐設計結構和運行方式對NOx排放的影響較為明顯，國內投產的CFB鍋爐為降低運行成本一般不設置外置床，調節手段有限，部分電廠為了降低飛灰底渣含碳量，更是人為選擇了較高的密相區溫度，這就使得CFB鍋爐的低NOX燃燒特性發揮受到了限制。

結合循環流化床鍋爐設計、運行現狀，采用合適的技術手段對鍋爐布風均勻性、分離器效率、級配送風等方面進行優化，實現爐內低氮燃燒，可顯著降低NOx原始排放濃度。

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，一方面抑制燃料生產NOx，另一方面將已生成的NOx還原，最終降低NOx排放量。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。

(2)強化分級配風。例如，通過二次風口改造，或者調整一、二次風比例，可以減輕污染物的排放。

(3)提升分離器效率。主要通過分離器入口煙道改造、中心筒提效改造等，提高旋風分離器的分離效率。

(4)煙氣再循環。將鍋爐尾部的低溫煙氣的一部分通過再循環風機送入爐膛，從而改變鍋爐熱量分配，降低局部燃燒溫度，調節反應氣氛。

2 CFB鍋爐超低排放改造方案

CFB機組由于具有低NOx排放的優勢，絕大部分CFB機組NOx排放在100～ 350 mg/m3。現役大部分CFB鍋爐的運行床溫控制在850～950 ℃，可實現低溫燃燒和分級燃燒，在合適的運行參數下，NOx的排放原始濃度可控制在200 mg/m3左右，但也有部分揮發分較高的煤種以及運行床溫較高的CFB鍋爐，NOx排放濃度可達到300 mg/m3左右。滿足不了超低排放要求，需要進一步深度脫硝改造。

2.1 低氮改造+SNCR技術

改造方案一：低氮改造+SNCR技術。針對CFB鍋爐運行現狀，選擇合適的低氮燃燒改造方案，結合SNCR技術，使得CFB鍋爐煙氣可以達到超低排放標準要求。其中具體改造措施如下：

(1)二次風口改造

改造內容包括為部分二次風口上移、標高及寬度方向上的優化、增加支路二次調節門以控制不同工況下二次風配比。通過改造從而優化優化空氣分級，使二次風分配均衡可調。

(2)旋風分離器優化改造

通過耐磨耐火材料將旋風分離器入口煙道寬度減少，提高旋風分離器入口煙氣速度，相應提高旋風分離器分離效率。此外根據實際情況對中心筒進行改造，中心筒改造目的也是提高分離器效率，進而增大循環灰量及降低飛灰顆粒度；同時間接降低床溫。

(3)深度燃燒調整優化

深度燃燒調整包括優化物料流態及循環狀態，改善鍋爐燃燒特性，控制燃燒溫度均勻(控制床溫均勻)，入爐燃燒顆粒度的控制，一二次風率的配比調整，上下二次風調整、返料循環調整、爐內脫硫與脫硝綜合調整等，進一步有效降低原始排放。在燃燒優化的基礎上，對鍋爐熱力計算書進行校核，根據結果聯合鍋爐廠、研究院對鍋爐進行受熱面調整改造，確保進一步降低床溫、提高再熱汽溫、減輕尾部積灰。

(4)SNCR脫硝系統升級改造

對現有的SNCR脫硝系統進行脫硝升級改造，增加分離器噴槍數量以及對原有氨水溶液輸送系統進行改造。更改冷卻風，從鍋爐引出高壓流化風，在通過分配模塊分到每只噴槍，用作冷卻風。采用高壓流化風作為冷卻風，能夠保證冷卻風量及提高冷卻風系統的可靠性。優化DCS控制系統，使用前饋調節模式，完成SNCR系統的自動控制，使其在機組負荷追蹤上滿足自動控制要求。

2.2 SNCR+SCR

改造方案二：SNCR+SCR。將鍋爐低溫省煤器拆除并移位，增設SCR反應器，脫硝后的凈煙氣引回原高溫省煤器出口并進入空預器。

考慮到CFB鍋爐目前SNCR運行情況、改造難易程度、工程投資等因素，可將鍋爐一級過熱器與省煤器抬高，在省煤器出口布置煙道型SCR脫硝催化劑，利用SNCR裝置逃逸氨還原NOx。安裝煙道型SCR優點主要有兩方面：一方面可提高SNCR氨氮比，增強SNCR裝置脫硝效率，另一方面可降低SNCR裝置氨逃逸對后續設備的影響，保證后續設備運行安全性。此外根據電廠實際情況，若加裝煙道型SCR裝置，需將一級過熱器及省煤器抬高改造，增加部分鍋爐荷載，建議工程實施中項目中標方與原鍋爐廠家、原設計單位積極溝通，將改造對原鍋爐影響降至最低。

以上兩種改造方案均可實現超低排放，但改造施工量均較大。由于方案二需要引出煙道，新增反應器，增設相關支撐鋼結構，投資費用超出方案一較多。因此建議優先考慮低氮改造+SNCR技術。

3 結束語

文中詳細調研了廣泛應用于CFB鍋爐的煙氣脫硝技術，提出了滿足CFB鍋爐煙氣超低排放標準的改造方案，建議優先考慮采用低氮改造+SNCR技術，研究結果對CFB鍋爐超低改造具有參考價值。