生物質(zhì)循環(huán)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(huán)境科技有限公司，陜西西安 710000）

1 引言

我國生物質(zhì)資源儲量豐富、種類繁多，其中農(nóng)業(yè)生物質(zhì)所占比重較大。據(jù)統(tǒng)計，我國可開發(fā)的生物質(zhì)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(xiàn)了野外焚燒、無組織排放的現(xiàn)象。隨著人們環(huán)保意識增強，我國環(huán)境保護要求不斷提高，各地先后出臺政策，鼓勵生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用。循環(huán)流化床鍋爐因其具有寬負荷、燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高等特點，被廣泛地應(yīng)用于生物質(zhì)發(fā)電［2］。

生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐不同于燃煤鍋爐，具有溫度低、負荷不穩(wěn)定、氮氧化物含量低等特點，為煙氣脫硝帶來一定挑戰(zhàn)。本文從生物質(zhì)鍋爐特點入手，結(jié)合NOX形成機理，綜述生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝進展。

2 生物質(zhì)燃料及循環(huán)流化床鍋爐特點

生物質(zhì)燃料來源主要是農(nóng)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(zhì)燃料樣品分析

生物質(zhì)燃料與煤比較有以下特性［3］：

（1）生物質(zhì)燃料堆積密度小，結(jié)構(gòu)松散，能量體積密度遠小于煤炭。

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

（3）生物質(zhì)燃料的揮發(fā)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(gòu)成的循環(huán)系統(tǒng)。由于生物質(zhì)燃料的特性，為了避免生物質(zhì)結(jié)焦影響流化，生物質(zhì)鍋爐床溫一般控制在850 ℃以下［4］。生物質(zhì)流化床鍋爐采用多回程的對流煙道，煙道內(nèi)布置屏式受熱面，在吸收爐膛輻射熱的同時，利用循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)高濃度的循環(huán)灰對高溫屏的沖刷來減少高溫腐蝕的發(fā)生［2］。

3 生物質(zhì)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(jù)生物質(zhì)鍋爐溫度特性，生物質(zhì)燃燒生成的NOX主要是燃料型。對固體生物質(zhì)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(zhuǎn)化過程可分為一次熱解、熱解產(chǎn)物二次反應(yīng)、熱解產(chǎn)物燃燒3 個階段，見圖1［6］。

圖1 生物質(zhì)燃燒過程Fuel－N 遷移路徑

在一次熱解階段和二次反應(yīng)階段，F(xiàn)uel－N 首先隨揮發(fā)分析出，形成初級熱解產(chǎn)物（大分子揮發(fā)分氮、焦油氮、半焦炭等）。隨著溫度升高，初級熱解產(chǎn)物進一步發(fā)生裂解生成HCN，NH3，HNCO，NO，N2等氣相氮（Gas－N）物質(zhì)，少部分含氮物質(zhì)聚合生成焦炭氮（Char－N）。最后再經(jīng)過熱解產(chǎn)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(zhì)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(zhì)循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝研究進展

循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝技術(shù)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(shù)是從生成源頭控制NOX的技術(shù)，該技術(shù)主要分為空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)等，主要是通過調(diào)節(jié)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(shù)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(jīng)過熱解或水解后生成NH3，由輸送風機經(jīng)過噴氨格柵送入反應(yīng)器。SCR 反應(yīng)器布置形式分為高塵布置、低塵布置。高塵布置是將反應(yīng)器布置在省煤器與空預(yù)器之間，引出一條煙道進入反應(yīng)器，采用高溫催化劑（釩鈦系），高塵布置應(yīng)用最廣，催化劑最為成熟，反應(yīng)溫度在320～420 ℃之間；低塵布置是將反應(yīng)器布置在脫硫除塵之后，反應(yīng)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(yīng)溫度較為敏感，發(fā)展不成熟，多用于垃圾發(fā)電領(lǐng)域。SCR 工藝脫硝效率高，可達90%，運行穩(wěn)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(qū)域后，還原劑可迅速熱分解成NH3和其他副產(chǎn)物，隨后NH3與煙氣中的NOX反應(yīng)生成N2。對于循環(huán)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(yīng)時間，有利于NOX與NH3反應(yīng)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(jié)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(qū)間噴入還原劑，生成NH3，一方面熱解的NH3可在爐膛內(nèi)與一部分NOX反應(yīng)，另一方面未反應(yīng)的NH3逃逸至下游脫硝反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑作用下進一步與NOX反應(yīng)，實現(xiàn)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(yīng)用最多的技術(shù)之一。

由于生物質(zhì)循環(huán)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(zhì)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhì)循環(huán)流化床鍋爐NOX排放質(zhì)量濃度一般低于150 mg/m3，因此SNCR 脫硝技術(shù)是生物質(zhì)鍋爐控制NOX排放的首選。由于SNCR 脫硝溫度區(qū)間在850～1 100 ℃，而生物質(zhì)鍋爐床溫一般控制在850 ℃以下，因此，生物質(zhì)鍋爐SNCR 脫硝效率較低，配合低氮燃燒技術(shù)效果會更好。

5 結(jié)語

化石燃料不可再生，日益枯竭，生物質(zhì)作為可大規(guī)模再生的資源，運用于能源領(lǐng)域是大勢所趨，開發(fā)具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)且適用于我國生物質(zhì)鍋爐的脫硝技術(shù)具有非常重要的現(xiàn)實意義。根據(jù)生物質(zhì)循環(huán)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(zhì)循環(huán)流化床鍋爐NOX減排。