生物質循環流化床鍋爐煙氣脫硝研究進展

杜顯超 譚月 楊超英 杜媛

（陜西大秦環境科技有限公司，陜西西安 710000）

1 引言

我國生物質資源儲量豐富、種類繁多，其中農業生物質所占比重較大。據統計，我國可開發的生物質能源資源總量約為7 億t 標準煤［1］，由于沒有得到合理利用，出現了野外焚燒、無組織排放的現象。隨著人們環保意識增強，我國環境保護要求不斷提高，各地先后出臺政策，鼓勵生物質發電技術應用。循環流化床鍋爐因其具有寬負荷、燃料適應性廣、燃燒效率高等特點，被廣泛地應用于生物質發電［2］。

生物質循環流化床鍋爐不同于燃煤鍋爐，具有溫度低、負荷不穩定、氮氧化物含量低等特點，為煙氣脫硝帶來一定挑戰。本文從生物質鍋爐特點入手，結合NOX形成機理，綜述生物質循環流化床鍋爐煙氣脫硝進展。

2 生物質燃料及循環流化床鍋爐特點

生物質燃料來源主要是農作物及其廢棄物、木材及其廢棄物等，較為典型的幾種見表1。

表1 部分典型生物質燃料樣品分析

生物質燃料與煤比較有以下特性［3］：

（1）生物質燃料堆積密度小，結構松散，能量體積密度遠小于煤炭。

（2）生物質循環流化床鍋爐飛灰中有含大量K，Na 等元素的鹽類物質，這些物質熔點較低，飛灰易粘結在受熱面上，形成沉積，造成受熱面沾污。

（3）生物質燃料的揮發性高，燃盡比較容易。流化床鍋爐一般主要由爐膛、分離器、回料閥、點火燃燒器和尾部對流煙道組成，形成爐膛-分離器-返料器-爐膛所構成的循環系統。由于生物質燃料的特性，為了避免生物質結焦影響流化，生物質鍋爐床溫一般控制在850 ℃以下［4］。生物質流化床鍋爐采用多回程的對流煙道，煙道內布置屏式受熱面，在吸收爐膛輻射熱的同時，利用循環流化床鍋爐爐內高濃度的循環灰對高溫屏的沖刷來減少高溫腐蝕的發生［2］。

3 生物質鍋爐中NOX 形成機理

燃燒過程生成的NOX主要有熱力型、快速型和燃料型3 種類型。根據生物質鍋爐溫度特性，生物質燃燒生成的NOX主要是燃料型。對固體生物質燃燒過程中NOX生成機理的研究，主要集中在Fuel－N的遷移機理上［5］。Fuel－N 的轉化過程可分為一次熱解、熱解產物二次反應、熱解產物燃燒3 個階段，見圖1［6］。

圖1 生物質燃燒過程Fuel－N 遷移路徑

在一次熱解階段和二次反應階段，Fuel－N 首先隨揮發分析出，形成初級熱解產物（大分子揮發分氮、焦油氮、半焦炭等）。隨著溫度升高，初級熱解產物進一步發生裂解生成HCN，NH3，HNCO，NO，N2等氣相氮（Gas－N）物質，少部分含氮物質聚合生成焦炭氮（Char－N）。最后再經過熱解產物燃燒階段，Gas－N，Char－N 被氧化成了NOX或N2［6］。燃料的含氮量是影響生物質燃燒時NOX生成量的主要因素，含氮量越高，其生成量越高，排放量也越高［7］。

4 生物質循環流化床鍋爐煙氣脫硝研究進展

循環流化床鍋爐煙氣脫硝技術運用于工程項目的主要有低氮燃燒工藝、選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝、選擇性非催化還原（SNCR）脫硝工藝以及SNCR＋SCR 耦合脫硝工藝。

低氮燃燒技術是從生成源頭控制NOX的技術，該技術主要分為空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、煙氣再循環技術等，主要是通過調節爐膛燃燒溫度、煙氣中含氧量、煙氣停留時間等來抑制NOX生成。該技術的脫硝效率較低，一般能達到脫硝率在50%以下［8］。

SCR 工藝原理是還原劑在催化劑作用下，將煙氣中NOX還原為N2和水。還原劑一般有尿素、氨水、液氨，其中尿素、氨水最為常用，其經過熱解或水解后生成NH3，由輸送風機經過噴氨格柵送入反應器。SCR 反應器布置形式分為高塵布置、低塵布置。高塵布置是將反應器布置在省煤器與空預器之間，引出一條煙道進入反應器，采用高溫催化劑（釩鈦系），高塵布置應用最廣，催化劑最為成熟，反應溫度在320～420 ℃之間；低塵布置是將反應器布置在脫硫除塵之后，反應溫度低，采用低溫催化劑，由于低溫催化劑造價高，對硫及硫酸鹽以及反應溫度較為敏感，發展不成熟，多用于垃圾發電領域。SCR 工藝脫硝效率高，可達90%，運行穩定，適用范圍廣，但成本、運行維護費用高，需要配置還原劑熱解或水解裝置，催化劑壽命有限，需定期更換。

SNCR 工藝原理是把還原劑（尿素、氨水）噴入爐膛溫度為850～1 100 ℃的區域后，還原劑可迅速熱分解成NH3和其他副產物，隨后NH3與煙氣中的NOX反應生成N2。對于循環流化床鍋爐，還原劑噴射點一般位于旋風分離器入口水平煙道處，該處為直段，煙氣流場均勻，煙氣在此處停留時間較長，保證了還原劑熱解時間及煙氣與NH3的反應時間，有利于NOX與NH3反應完全。SNCR 工藝脫硝效率低，最高可達40%，但工藝簡單，投資、運行成本較低，適用于脫硝效率要求較低的鍋爐。

SNCR＋SCR 耦合脫硝工藝是將SCR 工藝與SNCR 工藝結合，利用SNCR 工藝還原劑制備簡單、SCR 工藝脫硝效率高的特點。在鍋爐合適溫度區間噴入還原劑，生成NH3，一方面熱解的NH3可在爐膛內與一部分NOX反應，另一方面未反應的NH3逃逸至下游脫硝反應器內，在催化劑作用下進一步與NOX反應，實現NOX脫除。該工藝脫硝效率高達60%～90%，成本與運行維護費用低于SCR 工藝，是目前鍋爐脫硝應用最多的技術之一。

由于生物質循環流化床鍋爐所具有的特性，決定了其在采用上述工藝時存在一些局限性。生物質鍋爐煙氣灰分大、堿金屬含量高，使得SCR 工藝中催化劑阻塞、中毒風險加大。采用SNCR+低塵布置SCR 耦合工藝，可有效避免催化劑中毒，但成本較高。SNCR 脫硝系統結構簡單，投資和運行成本低，盡管其脫硝效率較低，但目前新型生物質循環流化床鍋爐NOX排放質量濃度一般低于150 mg/m3，因此SNCR 脫硝技術是生物質鍋爐控制NOX排放的首選。由于SNCR 脫硝溫度區間在850～1 100 ℃，而生物質鍋爐床溫一般控制在850 ℃以下，因此，生物質鍋爐SNCR 脫硝效率較低，配合低氮燃燒技術效果會更好。

5 結語

化石燃料不可再生，日益枯竭，生物質作為可大規模再生的資源，運用于能源領域是大勢所趨，開發具有獨立自主知識產權且適用于我國生物質鍋爐的脫硝技術具有非常重要的現實意義。根據生物質循環流化床鍋爐特性，低氮燃燒＋SNCR 脫硝工藝、SNCR＋低塵布置SCR 工藝較為適合當前生物質循環流化床鍋爐NOX減排。