適用循環(huán)流化床鍋爐的脫硝技術(shù)

朱沖，仇云霞

(江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇鹽城 224051)

適用循環(huán)流化床鍋爐的脫硝技術(shù)

朱沖，仇云霞

(江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇鹽城 224051)

循環(huán)流化床鍋爐由于NOx排放濃度低在我國應(yīng)用十分廣泛，但如果不采取任何環(huán)保措施已不能滿足目前的環(huán)保要求。簡要分析了NOx的產(chǎn)生機理，通過幾種脫硝技術(shù)的對比，指出循環(huán)流化床采用低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)是較好的選擇。

循環(huán)流化床鍋爐;脫硝;低氮燃燒;SNCR

0 引言

NOx作為大氣污染的重要物質(zhì)，一方面可在強光作用下產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，危害生態(tài)環(huán)境，另一方面NOx還是形成酸雨的主要原因。我國60%以上的能源供給由煤炭提供，煤在燃燒過程中可產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，實現(xiàn)煤的高效清潔燃燒顯得尤為重要。大氣中約70%的NOx是由煤炭產(chǎn)生的，而熱電行業(yè)產(chǎn)生的NOx占總排量的60%以上［1］。為促進電力行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，國家在2011年發(fā)布了最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)，對電廠煙氣排放提出了嚴格的要求。循環(huán)流化床鍋爐由于其廣泛的煤種適用性，目前在我國得到了空前發(fā)展。

1 常用脫硝技術(shù)簡介

目前對燃煤電站NOx主要有低氮燃燒技術(shù)、選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)和選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝技術(shù)，下面簡要介紹其原理［1－2］。

1．1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒主要從兩方面考慮，一方面抑制燃料生成NOx，另一方面將已生成的NOx還原，其主要方法是通過運行方式的改進或?qū)θ紵^程進行特殊控制，降低NOx最終排放量。

1．2 選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)

選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)，其基本原理是將含有NHx基的還原劑(氨、氨水等)在320～420℃噴入，在催化劑的作用下，迅速與煙氣中的NOx反應(yīng)，生成N2和H2O。

1．3 選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝技術(shù)

選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝技術(shù)，其基本原理是將含有NHx基的還原劑(氨、氨水、尿素、碳酸氫銨等)，在合適的溫度窗口噴入爐膛，在無催化劑的作用下，迅速與煙氣中的NOx反應(yīng)，生成N2和H2O，一般認為其主要反應(yīng)跟SCR類似。

2 循環(huán)流化床氮氧化物生成機理

燃煤電站NOx生成主要有熱力型、快捷型、燃料型等途徑［3－4］。

2．1 熱力型

熱力型NOx主要認為是空氣中的氮在高溫條件下氧化而成，其含量主要取決于溫度，一般認為當(dāng)溫度低于1350℃時，可忽略熱力型的影響。由于循環(huán)流化床鍋爐正常床溫控制在1000℃以下，熱力型NOx很難產(chǎn)生。

2．2 快速型

快速型NOx是碳氫化合物燃料過多時，在反應(yīng)區(qū)附近快速生成NOx，但在通常的爐溫條件下，其含量占總生成量的5%以下，其影響很小。

2．3 燃料型

燃料型NOx主要是燃料中的含N化合物在燃燒過程中產(chǎn)生的，當(dāng)燃料進入爐膛后，燃料中的一部分氮在加熱過程中隨揮發(fā)分釋放出來，形成HCN或NH3，然后被氧化生成NO，另一部分氮殘留在焦炭中，在煤加熱過程中也會轉(zhuǎn)化為NOx。

由此可見，循環(huán)流化床鍋爐產(chǎn)生的NOx主要是燃料型的。

3 循環(huán)流化床脫硝技術(shù)

循環(huán)流化床燃燒是一種在爐內(nèi)使高速煙氣與其攜帶的固體顆粒物密切接觸，并具有大量顆粒返混的流態(tài)化燃燒反應(yīng)過程，同時將絕大部分出爐膛的固體顆粒捕捉，返回床內(nèi)反復(fù)燃燒的過程。由于燃料僅占床料的1%左右，在正常的燃燒過程中，床層相當(dāng)于一個大的“蓄熱池”，把燃料加熱到著火溫度所吸收的熱量只占床層總熱容量的千分之幾，因而對溫度影響很小，同時燃料燃燒放熱使?fàn)t內(nèi)床料保持在一定的溫度水平。

3．1脫硝技術(shù)的選擇

3．1．1 SCR脫硝技術(shù)在循環(huán)流化床上的局限性

目前國內(nèi)控制氮氧化物含量的主要技術(shù)當(dāng)中，由于SCR煙氣脫硝技術(shù)可保證較高的脫硝效率和適當(dāng)?shù)陌碧右?，在煤粉爐中運用最廣，卻非循環(huán)流化床鍋爐的首選。歸其原因主要有以下幾點［5］:

(1)循環(huán)流化床對煤種適用性廣，燃燒工況惡劣，產(chǎn)生的煙氣成分復(fù)雜，煙氣中堿金屬和灰含量比較高，如采用SCR煙氣脫硝工藝，不得不面對催化劑的堵塞和“失活”問題。

(2)循環(huán)流化床一般直接噴石灰石進行爐內(nèi)脫硫，旋風(fēng)分離器可將未完全反應(yīng)的石灰石重新返回爐膛參與反應(yīng)，從而保證較高的脫硫效率。CaO會造成催化劑“中毒”和表面堵塞，減緩使用壽命。

(3)循環(huán)流化床尾部煙道換熱器布置較煤粉爐緊湊得多，空間較狹隘，省煤器的出口溫度較煤粉爐低，改造難度加大。

(4)循環(huán)流化床鍋爐燃燒經(jīng)常更換燃用煤種或采用混煤，煙氣中SO2、SO3含量很高，易在尾部煙道形成難以清除的硫酸氫銨。

3．1．2 SNCR脫硝技術(shù)還原劑的選擇

SNCR煙氣脫硝工藝在循環(huán)流化床上應(yīng)用較多，一般循環(huán)流化床爐膛出口溫度區(qū)間850℃左右，十分適合SNCR還原劑的噴入，同時旋風(fēng)分離器保證了混合效果和反應(yīng)充分進行，使得SNCR煙氣脫硝工藝在循環(huán)流化床比煤粉爐上高得多，煤粉爐采用SNCR煙氣脫硝工藝一般可以達到30%左右脫硝效率，而循環(huán)流化床可達到50%，有些甚至達到70%。同時，SNCR煙氣脫硝工藝由于不需要考慮催化劑，成本較SCR工藝可節(jié)約2/3。表1中有幾種還原劑現(xiàn)狀應(yīng)用的比較，其中液氨危險性較高。

循環(huán)流化床鍋爐由于床溫較低，正好符合氨水反應(yīng)的溫度區(qū)間，尿素的溫度窗口在1000℃左右，在循環(huán)流化床鍋爐上很難找到這樣的溫度窗口;其次還原劑與煙氣可在循環(huán)流化床其特有的旋風(fēng)分離器中充分混合，保證反應(yīng)停留時間＞1s，保證了還原反應(yīng)的充分進行。

表1 幾種SNCR還原劑的比較

綜上所述，選用氨水做循環(huán)流化床鍋爐SNCR煙氣脫硝工藝的還原劑具有相當(dāng)大的優(yōu)勢。循環(huán)流化床由于低床溫和本身合理的配風(fēng)方式，其出口NOx濃度一般可控制在300mg/m3以下［6］，但隨著實際煤種與設(shè)計煤種的偏離，燃燒工況控制不到位等因素，導(dǎo)致相當(dāng)一部分的循環(huán)流化床出口NOx濃度偏高，有些甚至有趕超常規(guī)煤粉爐的趨勢，失去循環(huán)流化床鍋爐低污染排放的優(yōu)勢，但如果單純采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)又無法滿足出口NOx排放濃度低于100mg/m3的環(huán)保要求?？刹扇〉偷紵?選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)組合，分部降低出口煙氣中的NOx含量。

3．2 循環(huán)流化床分級燃燒

循環(huán)流化床在設(shè)計時一般已考慮空氣的分級燃燒，一次風(fēng)保證床料的正常流化，提高二次風(fēng)率可使氮氧化物含量下降。煤在燃料過程中經(jīng)過干燥、揮發(fā)分的析出及燃燒、焦炭的著火燃燒等階段，根據(jù)流態(tài)化理論，燃料的干燥和揮發(fā)分的燃燒主要在密相區(qū)進行，稀相區(qū)進行部分焦炭的著火燃燒，密相區(qū)要嚴格控制一次風(fēng)率，使燃料在缺氧環(huán)境中燃燒，密相區(qū)還原性氣氛較強，可以有效抑制燃料中NOx的生成。為保證鍋爐的燃燒效率，二次風(fēng)分段布置在床面以上一段距離，補充燃料燃燒所需的空氣，保證鍋爐的燃燒效率，也可以加強氣固擾動。二次風(fēng)會增加NOx含量，但密相區(qū)燃料未充分燃燒會產(chǎn)生大量的焦炭、CO，非均相還原反應(yīng)得到加強，NOx發(fā)生還原反應(yīng)，濃度下降到很低的水平。隨著二次風(fēng)率的增大，NOx排放明顯降低［7－10］。

在滿足鍋爐燃燒效率的前提下，空氣過量系數(shù)的降低可有效降低NOx的生成量。對于揮發(fā)分較高的煤種，燃料在密相區(qū)的燃燒份額可適當(dāng)減小，降低一次風(fēng)率，降低床溫，增強爐內(nèi)還原性氣氛，使NOx含量顯著下降;二次風(fēng)分段布置在密相區(qū)之上一段距離，這樣可適當(dāng)延長燃料在密相區(qū)的反應(yīng)時間，未燃盡的焦炭和CO，可促進煙氣中NOx的分解，大幅削減NOx的含量。

3．3 循環(huán)流化床SNCR

氨水作為還原劑時，脫硝系統(tǒng)主要包括氨水的運輸和儲存系統(tǒng)，氨水輸送系統(tǒng)，稀釋計量系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成［11］。

氨水一般由罐車或廠區(qū)管道輸送到氨水儲罐中，容量應(yīng)可以保證鍋爐正常運行一周的需求，氨水而后通過氨水輸送到稀釋系統(tǒng)，將氨水稀釋到合理的濃度后送到噴槍。一般噴槍布置于爐膛出口煙道，此空間溫度適中，通過壓縮空氣將氨水霧化，以保證還原劑與煙氣的充分混合。

5 結(jié)論及建議

(1)NOx排放濃度較高的循環(huán)流化床鍋爐，采取SNCR煙氣脫硝技術(shù)已無法滿足當(dāng)前的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，可采取低氮燃燒+SNCR煙氣脫硝技術(shù)的思路。

(2)循環(huán)流化床鍋爐由于其獨特的煙氣參數(shù)和結(jié)構(gòu)，采用氨水作為SNCR煙氣脫硝工藝的還原劑是比較好的選擇。

(3)循環(huán)流化床空氣煙氣脫硝工藝過量系數(shù)的降低可有效降低NOx的生成量。運行中降低一次風(fēng)率，使NOx含量顯著下降;可將二次風(fēng)分段布置在密相區(qū)之上一段距離，這樣可適當(dāng)延長燃料在密相區(qū)的反應(yīng)時間，未燃盡的焦炭和CO，可促進煙氣中NOx的分解，大幅削減NOx的含量。

(4)采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)一定要注意反應(yīng)的溫度窗口，保證還原劑與煙氣充分混合，有效降低NOx含量。

［1］段傳和．選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝［M］．北京:中國電力出版社，2011．

［2］段傳和．燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2009．

［3］卿山，王華，馬林轉(zhuǎn)．循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物的生成與脫除［J］．冶金能源，2005，24(3):60－62．

［4］李友榮，盧嘯風(fēng)，吳雙應(yīng)．循環(huán)流化床鍋爐中NOx的生成機制及控制措施［J］．電站系統(tǒng)工程，2000，16(4):248－250．

［5］宋連華，劉繼民，許 珩，等．循環(huán)流化床鍋爐(CFB)脫硝研究［J］．山東交通學(xué)院學(xué)報，2013，21(2):77－83．

［6］駱朝暉．選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)(SNCR)在循環(huán)流化床鍋爐上的工程應(yīng)用［D］．上海:上海交通大學(xué)，2007．

［7］趙鳳忠，于少杰．煤種對循環(huán)流化床鍋爐運行的影響［J］．節(jié)能與環(huán)保，2007(5):30－32．

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［9］謝建軍，楊學(xué)民，郭漢杰．循環(huán)流化床燃煤過程NO、N2O和SO2的排放行為研究［J］．燃料化學(xué)學(xué)報，2006，34(2):151－159．

［10］陳杏．低氮燃燒+選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)(SNCR)在循環(huán)流化床鍋爐脫硝工程上的應(yīng)用［J］．能源環(huán)境保護，2013，27(4):33－35．

［11］馬瑞，徐有寧．SNCR法脫硝在循環(huán)流化床鍋爐中的應(yīng)用［J］．沈陽工程學(xué)院學(xué)報，2013，9(1):47－49．

Denitrification technology for Circulating Fluidized Bed boiler

Circulating Fluidized Bed boiler is widely used in our country due to its low pollution emission，the quality of flue gas cannot meet the current emission limit if there is no environmental protection facilities．The mechanism of NOxformation was briefly introduced．Through the comparison of several denitrification technologies，shows that low NOxcombustion+SNCR Technology is a better choice for the Circulating fluidized Bed boiler．

Circulating Fluidized Bed boiler;denitrification;low NOxcombustion;SNCR

X701．7

B

1674－8069(2015)03－015－03

2014-12-09;

2015-02-08

朱沖(1974-)，男，江蘇鹽城人，工程師，從事燃煤鍋爐煙氣脫硝設(shè)計工作。E－mail:13905109372@163．com