技术 | 循环流化床锅炉烟气脱硝方案研究

0引言

循环流化床(CFB)锅炉具有燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放低、结构简单、运行灵活等诸多优势，在国内外得到广泛应用，特别是大型循环流化床锅炉的发展和应用在近年来尤为迅速。

近年来，随着环保问题的集中爆发，国家环保政策越发严格。国家环保部《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)对锅炉烟气污染物SO2、NO2和粉尘排放限值大幅度收窄，大量新规前投产的火电机组必须改造升级。

在此背景下，文中针对CFB锅炉烟气脱硝技术进行研究，提供可行方案供参考。

1CFB锅炉脱硝技术分析

煤燃烧生成NOx的过程有燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx三个途径。CFB锅炉产生的NOx主要是燃料型NOx。目前，控制CFB锅炉NOx排放的技术主要有以下几种：

1.1SCR脱硝技术

SCR技术最早于上世纪70年代用于日本电站锅炉的NOx控制，其原理是把氨基还原剂喷入锅炉下游300～400℃的烟道内，在催化剂作用下，利用氨基还原剂的选择性将烟气中NOx还原成无害的N2和H2O。SCR是一种成熟的深度烟气氮氧化物后处理技术，无论是新建机组还是在役机组改造，绝大部分燃煤锅炉都可以安装SCR装置。典型的烟气脱硝SCR工艺具有如下特点：

(1)脱硝效率可以高达90%以上，NOx排放浓度可控制到50mg/m3(标准状态，干基，6%O2)以下；

(2)催化剂是工艺关键设备。催化剂在与烟气接触过程中，受到气态化学物质毒害、飞灰堵塞与冲蚀磨损等因素的影响，其活性逐渐降低，通常3～4年增加或更换一层催化剂。对于废弃的催化剂，由于富集了大量痕量重金属元素，需要谨慎处理；

(3)反应器内烟气垂直向下流速约4～4.5m/s，催化剂通道内烟气速度约5～7m/s。300MW机组对应的每台SCR反应器截面积分别约80～90m2；

(4)脱硝系统会增加锅炉烟道系统阻力约700～1000Pa，需提高引风机压头

(5)SCR系统的运行会增加空预器入口烟气中SO3浓度，并残留部分未反应的逃逸氨气，二者在空预器低温换热面上反应形成硫酸氢铵，易恶化空预器冷端的堵塞和腐蚀，需要对空预器采取抗硫酸氢铵堵塞措施；

(6)受制于锅炉烟气参数、飞灰特性及空间布置等因素的影响，根据反应器的布置位置，SCR工艺分为高灰型、低灰型和尾部型等三种：高灰型SCR是主流布置，工作环境相对恶劣，催化剂活性惰化较快，但烟气温度合适(300～400℃)，经济性最高；低灰型SCR与尾部型SCR的选择，主要是为了净化催化剂运行的烟气条件或者是受到布置空间的限制，由于需将烟气加热到300℃以上，只适合于特定环境。

早期的脱硝催化剂供应主要有美国Cormetech、奥地利Ceram、德国亚基隆、日本日立、丹麦托普索等公司，随着催化剂生产线在国内组建，东方凯特瑞、中电远达及江苏龙源等国内公司的产品质量得到了认可，逐渐成为国内催化剂供应的主力，目前催化剂价格已有较大幅度下降。

1.2SNCR脱硝技术

SNCR技术是利用喷枪将氨基还原剂(如氨气、氨水、尿素)溶液雾化成液滴喷入炉膛，热解生成气态NH3，在950～1050℃温度区域(通常为锅炉对流换热区)和没有催化剂的条件下，NH3与NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx还原成N2与H2O。喷入炉膛的气态NH3同时参与还原和氧化两个竞争反应：温度超过1050℃时，NH3被氧化成NOx，氧化反应起主导；温度低于1050℃时，NH3与NOx的还原反应为主，但反应速率降低。

相对SCR而言，SNCR脱硝效率有限制。但是，由于它的低投资和低运行成本，特别适合中小容量锅炉的使用，尤其是循环流化床锅炉综合性价比较好。SNCR整体工艺比较简洁，具有如下特点：

(1)SNCR技术可控制NOx排放降低50%～80%，循环流化床锅炉由于反应温度窗口适宜与还原剂均匀混合良好，因此脱硝效率远高于煤粉锅炉；

(2)SNCR装置不增加烟气系统阻力，也不产生新的SO3，氨逃逸浓度通常控制在10μL/L以内(SCR是3μL/L)；

(3)还原剂喷入炉膛前，需要稀释到10%以下，而雾化液滴蒸发热解过程需要吸收一定的热量，这会造成锅炉效率产生一定程度的降低。

1.3SNCR/SCR混合型烟气脱硝技术

混合型SNCR/SCR技术是将SNCR与烟道型SCR结合，SNCR承担脱硝和提供NH3的双重功能，利用烟道型SCR将上游来的NH3与NOx反应完全，从而提高整体脱硝效率。技术特点如下：

(1)适应于场地空间有限的特定环境，脱硝效率可达到75%左右；若是SNCR结合烟道外独立的反应器SCR，配合良好的烟气流场及喷氨格栅，其效率可高达95%左右；

(2)烟道阻力约增加小于150～500Pa，主要取决于催化剂的用量和烟道形式；

(3)整体脱硝效率低于70%时，烟道型SCR不需另设喷氨AIG装置，但需要提高烟道型SCR的脱硝效率时，还得增设单独的氨喷射系统；

(4)SNCR/SCR混合型脱硝技术是近些年发展起来的技术，有其特定的应用范围。该技术的产生和应用，同时也说明氮氧化物控制也要讲经济性。

另外，SNCR/SCR也有另外一种应用形式，即SNCR产生的氨逃逸，仅作为SCR的小部分还原剂，SCR所需的还原剂的主要部分仍然来自己喷氨格栅。这种方式的联用技术，能够达到超过90%的脱硝效率。

1.4CFB锅炉低氮燃烧技术

CFB锅炉产生的燃料型NOx生成机理非常复杂，控制燃料型NOx生成最有效的措施是分级送风燃烧，在还原气氛中氮燃烧的中间产物较少被氧化成NO，进而抑制了NOx的生成。锅炉设计结构和运行方式对NOx排放的影响较为明显，国内投产的CFB锅炉为降低运行成本一般不设置外置床，调节手段有限，部分电厂为了降低飞灰底渣含碳量，更是人为选择了较高的密相区温度，这就使得CFB锅炉的低NOX燃烧特性发挥受到了限制。

结合循环流化床锅炉设计、运行现状，采用合适的技术手段对锅炉布风均匀性、分离器效率、级配送风等方面进行优化，实现炉内低氮燃烧，可显著降低NOx原始排放浓度。

低氮燃烧技术主要是通过运行方式的改进或对燃烧过程进行特殊控制，一方面抑制燃料生产NOx，另一方面将已生成的NOx还原，最终降低NOx排放量。主要方法包括：(1)低氧燃烧。通过降低过量空气系数，以利于还原性气氛的形成，减少NOx的生成。

(2)强化分级配风。例如，通过二次风口改造，或者调整一、二次风比例，可以减轻污染物的排放。

(3)提升分离器效率。主要通过分离器入口烟道改造、中心筒提效改造等，提高旋风分离器的分离效率。

(4)烟气再循环。将锅炉尾部的低温烟气的一部分通过再循环风机送入炉膛，从而改变锅炉热量分配，降低局部燃烧温度，调节反应气氛。

2CFB锅炉超低排放改造方案

CFB机组由于具有低NOx排放的优势，绝大部分CFB机组NOx排放在100～350mg/m3。现役大部分CFB锅炉的运行床温控制在850～950℃，可实现低温燃烧和分级燃烧，在合适的运行参数下，NOx的排放原始浓度可控制在200mg/m3左右，但也有部分挥发分较高的煤种以及运行床温较高的CFB锅炉，NOx排放浓度可达到300mg/m3左右。满足不了超低排放要求，需要进一步深度脱硝改造。

2.1低氮改造+SNCR技术

改造方案一：低氮改造+SNCR技术。针对CFB锅炉运行现状，选择合适的低氮燃烧改造方案，结合SNCR技术，使得CFB锅炉烟气可以达到超低排放标准要求。其中具体改造措施如下：

(1)二次风口改造改造内容包括为部分二次风口上移、标高及宽度方向上的优化、增加支路二次调节门以控制不同工况下二次风配比。通过改造从而优化优化空气分级，使二次风分配均衡可调。

(2)旋风分离器优化改造通过耐磨耐火材料将旋风分离器入口烟道宽度减少，提高旋风分离器入口烟气速度，相应提高旋风分离器分离效率。此外根据实际情况对中心筒进行改造，中心筒改造目的也是提高分离器效率，进而增大循环灰量及降低飞灰颗粒度；同时间接降低床温。

(3)深度燃烧调整优化深度燃烧调整包括优化物料流态及循环状态，改善锅炉燃烧特性，控制燃烧温度均匀(控制床温均匀)，入炉燃烧颗粒度的控制，一二次风率的配比调整，上下二次风调整、返料循环调整、炉内脱硫与脱硝综合调整等，进一步有效降低原始排放。在燃烧优化的基础上，对锅炉热力计算书进行校核，根据结果联合锅炉厂、研究院对锅炉进行受热面调整改造，确保进一步降低床温、提高再热汽温、减轻尾部积灰。

(4)SNCR脱硝系统升级改造对现有的SNCR脱硝系统进行脱硝升级改造，增加分离器喷枪数量以及对原有氨水溶液输送系统进行改造。更改冷却风，从锅炉引出高压流化风，在通过分配模块分到每只喷枪，用作冷却风。采用高压流化风作为冷却风，能够保证冷却风量及提高冷却风系统的可靠性。优化DCS控制系统，使用前馈调节模式，完成SNCR系统的自动控制，使其在机组负荷追踪上满足自动控制要求。

2.2SNCR+SCR

改造方案二：SNCR+SCR。将锅炉低温省煤器拆除并移位，增设SCR反应器，脱硝后的净烟气引回原高温省煤器出口并进入空预器。考虑到CFB锅炉目前SNCR运行情况、改造难易程度、工程投资等因素，可将锅炉一级过热器与省煤器抬高，在省煤器出口布置烟道型SCR脱硝催化剂，利用SNCR装置逃逸氨还原NOx。安装烟道型SCR优点主要有两方面：一方面可提高SNCR氨氮比，增强SNCR装置脱硝效率，另一方面可降低SNCR装置氨逃逸对后续设备的影响，保证后续设备运行安全性。此外根据电厂实际情况，若加装烟道型SCR装置，需将一级过热器及省煤器抬高改造，增加部分锅炉荷载，建议工程实施中项目中标方与原锅炉厂家、原设计单位积极沟通，将改造对原锅炉影响降至最低。以上两种改造方案均可实现超低排放，但改造施工量均较大。由于方案二需要引出烟道，新增反应器，增设相关支撑钢结构，投资费用超出方案一较多。因此建议优先考虑低氮改造+SNCR技术。

3结束语

文中详细调研了广泛应用于CFB锅炉的烟气脱硝技术，提出了满足CFB锅炉烟气超低排放标准的改造方案，建议优先考虑采用低氮改造+SNCR技术，研究结果对CFB锅炉超低改造具有参考价值。