循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究

大氣網(wǎng)訊:0引言

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，特別是大型循環(huán)流化床鍋爐的發(fā)展和應(yīng)用在近年來(lái)尤為迅速。

近年來(lái)，隨著環(huán)保問(wèn)題的集中爆發(fā)，國(guó)家環(huán)保政策越發(fā)嚴(yán)格。國(guó)家環(huán)保部《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011)對(duì)鍋爐煙氣污染物SO2、NO2和粉塵排放限值大幅度收窄，大量新規(guī)前投產(chǎn)的火電機(jī)組必須改造升級(jí)。

在此背景下，文中針對(duì)CFB鍋爐煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)行研究，提供可行方案供參考。

1CFB鍋爐脫硝技術(shù)分析

煤燃燒生成NOx的過(guò)程有燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx三個(gè)途徑。CFB鍋爐產(chǎn)生的NOx主要是燃料型NOx。目前，控制CFB鍋爐NOx排放的技術(shù)主要有以下幾種：

1.1SCR脫硝技術(shù)

SCR技術(shù)最早于上世紀(jì)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(nèi)，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(wú)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(shù)，無(wú)論是新建機(jī)組還是在役機(jī)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(diǎn)：

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

(2)催化劑是工藝關(guān)鍵設(shè)備。催化劑在與煙氣接觸過(guò)程中，受到氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)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(duì)于廢棄的催化劑，由于富集了大量痕量重金屬元素，需要謹(jǐn)慎處理；

(3)反應(yīng)器內(nèi)煙氣垂直向下流速約4～4.5m/s，催化劑通道內(nèi)煙氣速度約5～7m/s。300MW機(jī)組對(duì)應(yīng)的每臺(tái)SCR反應(yīng)器截面積分別約80～90m2；

(4)脫硝系統(tǒng)會(huì)增加鍋爐煙道系統(tǒng)阻力約700～1000Pa，需提高引風(fēng)機(jī)壓頭

(5)SCR系統(tǒng)的運(yùn)行會(huì)增加空預(yù)器入口煙氣中SO3濃度，并殘留部分未反應(yīng)的逃逸氨氣，二者在空預(yù)器低溫?fù)Q熱面上反應(yīng)形成硫酸氫銨，易惡化空預(yù)器冷端的堵塞和腐蝕，需要對(duì)空預(yù)器采取抗硫酸氫銨堵塞措施；

(6)受制于鍋爐煙氣參數(shù)、飛灰特性及空間布置等因素的影響，根據(jù)反應(yīng)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(huán)境相對(duì)惡劣，催化劑活性惰化較快，但煙氣溫度合適(300～400℃)，經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(huán)境。

早期的脫硝催化劑供應(yīng)主要有美國(guó)Cormetech、奧地利Ceram、德國(guó)亞基隆、日本日立、丹麥托普索等公司，隨著催化劑生產(chǎn)線在國(guó)內(nèi)組建，東方凱特瑞、中電遠(yuǎn)達(dá)及江蘇龍?jiān)吹葒?guó)內(nèi)公司的產(chǎn)品質(zhì)量得到了認(rèn)可，逐漸成為國(guó)內(nèi)催化劑供應(yīng)的主力，目前催化劑價(jià)格已有較大幅度下降。

1.2SNCR脫硝技術(shù)

SNCR技術(shù)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(tài)NH3，在950～1050℃溫度區(qū)域(通常為鍋爐對(duì)流換熱區(qū))和沒(méi)有催化劑的條件下，NH3與NOx進(jìn)行選擇性非催化還原反應(yīng)，將NOx還原成N2與H2O。噴入爐膛的氣態(tài)NH3同時(shí)參與還原和氧化兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)：溫度超過(guò)1050℃時(shí)，NH3被氧化成NOx，氧化反應(yīng)起主導(dǎo)；溫度低于1050℃時(shí)，NH3與NOx的還原反應(yīng)為主，但反應(yīng)速率降低。

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

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

(2)SNCR裝置不增加煙氣系統(tǒng)阻力，也不產(chǎn)生新的SO3，氨逃逸濃度通?？刂圃?0μL/L以內(nèi)(SCR是3μL/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(fā)熱解過(guò)程需要吸收一定的熱量，這會(huì)造成鍋爐效率產(chǎn)生一定程度的降低。

1.3SNCR/SCR混合型煙氣脫硝技術(shù)

混合型SNCR/SCR技術(shù)是將SNCR與煙道型SCR結(jié)合，SNCR承擔(dān)脫硝和提供NH3的雙重功能，利用煙道型SCR將上游來(lái)的NH3與NOx反應(yīng)完全，從而提高整體脫硝效率。技術(shù)特點(diǎn)如下：

(1)適應(yīng)于場(chǎng)地空間有限的特定環(huán)境，脫硝效率可達(dá)到75%左右；若是SNCR結(jié)合煙道外獨(dú)立的反應(yīng)器SCR，配合良好的煙氣流場(chǎng)及噴氨格柵，其效率可高達(dá)95%左右；

(2)煙道阻力約增加小于150～500Pa，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(shí)，煙道型SCR不需另設(shè)噴氨AIG裝置，但需要提高煙道型SCR的脫硝效率時(shí)，還得增設(shè)單獨(dú)的氨噴射系統(tǒng)；

(4)SNCR/SCR混合型脫硝技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，有其特定的應(yīng)用范圍。該技術(shù)的產(chǎn)生和應(yīng)用，同時(shí)也說(shuō)明氮氧化物控制也要講經(jīng)濟(jì)性。

另外，SNCR/SCR也有另外一種應(yīng)用形式，即SNCR產(chǎn)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(lái)自己噴氨格柵。這種方式的聯(lián)用技術(shù)，能夠達(dá)到超過(guò)90%的脫硝效率。

1.4CFB鍋爐低氮燃燒技術(shù)

CFB鍋爐產(chǎn)生的燃料型NOx生成機(jī)理非常復(fù)雜，控制燃料型NOx生成最有效的措施是分級(jí)送風(fēng)燃燒，在還原氣氛中氮燃燒的中間產(chǎn)物較少被氧化成NO，進(jìn)而抑制了NOx的生成。鍋爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式對(duì)NOx排放的影響較為明顯，國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的CFB鍋爐為降低運(yùn)行成本一般不設(shè)置外置床，調(diào)節(jié)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(qū)溫度，這就使得CFB鍋爐的低NOX燃燒特性發(fā)揮受到了限制。

結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐設(shè)計(jì)、運(yùn)行現(xiàn)狀，采用合適的技術(shù)手段對(duì)鍋爐布風(fēng)均勻性、分離器效率、級(jí)配送風(fēng)等方面進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)低氮燃燒，可顯著降低NOx原始排放濃度。

低氮燃燒技術(shù)主要是通過(guò)運(yùn)行方式的改進(jìn)或?qū)θ紵^(guò)程進(jìn)行特殊控制，一方面抑制燃料生產(chǎn)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(guò)降低過(guò)量空氣系數(shù)，以利于還原性氣氛的形成，減少NOx的生成。

(2)強(qiáng)化分級(jí)配風(fēng)。例如，通過(guò)二次風(fēng)口改造，或者調(diào)整一、二次風(fēng)比例，可以減輕污染物的排放。

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

(4)煙氣再循環(huán)。將鍋爐尾部的低溫?zé)煔獾囊徊糠滞ㄟ^(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)送入爐膛，從而改變鍋爐熱量分配，降低局部燃燒溫度，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣氛。

2CFB鍋爐超低排放改造方案

CFB機(jī)組由于具有低NOx排放的優(yōu)勢(shì)，絕大部分CFB機(jī)組NOx排放在100～350mg/m3?，F(xiàn)役大部分CFB鍋爐的運(yùn)行床溫控制在850～950℃，可實(shí)現(xiàn)低溫燃燒和分級(jí)燃燒，在合適的運(yùn)行參數(shù)下，NOx的排放原始濃度可控制在200mg/m3左右，但也有部分揮發(fā)分較高的煤種以及運(yùn)行床溫較高的CFB鍋爐，NOx排放濃度可達(dá)到300mg/m3左右。滿足不了超低排放要求，需要進(jìn)一步深度脫硝改造。

2.1低氮改造+SNCR技術(shù)

改造方案一：低氮改造+SNCR技術(shù)。針對(duì)CFB鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀，選擇合適的低氮燃燒改造方案，結(jié)合SNCR技術(shù)，使得CFB鍋爐煙氣可以達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。其中具體改造措施如下：

(1)二次風(fēng)口改造改造內(nèi)容包括為部分二次風(fēng)口上移、標(biāo)高及寬度方向上的優(yōu)化、增加支路二次調(diào)節(jié)門(mén)以控制不同工況下二次風(fēng)配比。通過(guò)改造從而優(yōu)化優(yōu)化空氣分級(jí)，使二次風(fēng)分配均衡可調(diào)。

(2)旋風(fēng)分離器優(yōu)化改造通過(guò)耐磨耐火材料將旋風(fēng)分離器入口煙道寬度減少，提高旋風(fēng)分離器入口煙氣速度，相應(yīng)提高旋風(fēng)分離器分離效率。此外根據(jù)實(shí)際情況對(duì)中心筒進(jìn)行改造，中心筒改造目的也是提高分離器效率，進(jìn)而增大循環(huán)灰量及降低飛灰顆粒度；同時(shí)間接降低床溫。

(3)深度燃燒調(diào)整優(yōu)化深度燃燒調(diào)整包括優(yōu)化物料流態(tài)及循環(huán)狀態(tài)，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(fēng)率的配比調(diào)整，上下二次風(fēng)調(diào)整、返料循環(huán)調(diào)整、爐內(nèi)脫硫與脫硝綜合調(diào)整等，進(jìn)一步有效降低原始排放。在燃燒優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)鍋爐熱力計(jì)算書(shū)進(jìn)行校核，根據(jù)結(jié)果聯(lián)合鍋爐廠、研究院對(duì)鍋爐進(jìn)行受熱面調(diào)整改造，確保進(jìn)一步降低床溫、提高再熱汽溫、減輕尾部積灰。

(4)SNCR脫硝系統(tǒng)升級(jí)改造對(duì)現(xiàn)有的SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行脫硝升級(jí)改造，增加分離器噴槍數(shù)量以及對(duì)原有氨水溶液輸送系統(tǒng)進(jìn)行改造。更改冷卻風(fēng)，從鍋爐引出高壓流化風(fēng)，在通過(guò)分配模塊分到每只噴槍，用作冷卻風(fēng)。采用高壓流化風(fēng)作為冷卻風(fēng)，能夠保證冷卻風(fēng)量及提高冷卻風(fēng)系統(tǒng)的可靠性。優(yōu)化DCS控制系統(tǒng)，使用前饋調(diào)節(jié)模式，完成SNCR系統(tǒng)的自動(dòng)控制，使其在機(jī)組負(fù)荷追蹤上滿足自動(dòng)控制要求。

2.2SNCR+SCR

改造方案二：SNCR+SCR。將鍋爐低溫省煤器拆除并移位，增設(shè)SCR反應(yīng)器，脫硝后的凈煙氣引回原高溫省煤器出口并進(jìn)入空預(yù)器?？紤]到CFB鍋爐目前SNCR運(yùn)行情況、改造難易程度、工程投資等因素，可將鍋爐一級(jí)過(guò)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(yōu)點(diǎn)主要有兩方面：一方面可提高SNCR氨氮比，增強(qiáng)SNCR裝置脫硝效率，另一方面可降低SNCR裝置氨逃逸對(duì)后續(xù)設(shè)備的影響，保證后續(xù)設(shè)備運(yùn)行安全性。此外根據(jù)電廠實(shí)際情況，若加裝煙道型SCR裝置，需將一級(jí)過(guò)熱器及省煤器抬高改造，增加部分鍋爐荷載，建議工程實(shí)施中項(xiàng)目中標(biāo)方與原鍋爐廠家、原設(shè)計(jì)單位積極溝通，將改造對(duì)原鍋爐影響降至最低。以上兩種改造方案均可實(shí)現(xiàn)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(yīng)器，增設(shè)相關(guān)支撐鋼結(jié)構(gòu)，投資費(fèi)用超出方案一較多。因此建議優(yōu)先考慮低氮改造+SNCR技術(shù)。

3結(jié)束語(yǔ)

文中詳細(xì)調(diào)研了廣泛應(yīng)用于CFB鍋爐的煙氣脫硝技術(shù)，提出了滿足CFB鍋爐煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)的改造方案，建議優(yōu)先考慮采用低氮改造+SNCR技術(shù)，研究結(jié)果對(duì)CFB鍋爐超低改造具有參考價(jià)值。

原標(biāo)題:循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究