循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造方案分析

孫金濤

摘 要：本文對循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造的問題進行了研究，通過對SCR、SNCR、LNB+SNCR三種脫硝技術(shù)進行利弊對比，另外通過液氨、氨水、尿素在脫硝系統(tǒng)中作為反應(yīng)劑時的優(yōu)缺點進行了對比，并結(jié)合實際工作經(jīng)驗，最終確定循環(huán)流化床鍋爐的脫硝改造方案最優(yōu)為SNCR脫硝技術(shù)，還原劑為尿素。

關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床鍋爐；脫硝改造；SNCR；氮氧化物；液氨

1 概述

循環(huán)流化床鍋爐是一種高效、低污染的節(jié)能產(chǎn)品，近些年在國內(nèi)得到迅速推廣與發(fā)展，具有燃燒效率較高、煤種適應(yīng)性廣、負荷調(diào)節(jié)范圍大、低污染等優(yōu)點。NOx是造成大氣污染的主要污染源之一，火電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量的氮氧化物直接排放到大氣當中，嚴重污染了大氣。循環(huán)流化床鍋爐在電廠生產(chǎn)過程中即使不采用任何其他的脫硝技術(shù)，也可以將NOx降低到150-350㎎/m3，但面對現(xiàn)在越來越嚴格的環(huán)保要求，其自身具備的低污染特性儼然已不能滿足，還需要對循環(huán)流化床鍋爐進行脫硝改造。

通常降低NOx的排放，需要兩個方面入手。

第一，燃燒過程中控制NOx的產(chǎn)生，即低NOx燃燒技術(shù)；

第二，把已經(jīng)產(chǎn)生的NOx轉(zhuǎn)化成不會對大氣造成污染的物質(zhì)，即煙氣脫硝技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐可以實現(xiàn)低氧、低溫燃燒，它本身就具備低NOx燃燒的優(yōu)越性能，再輔之以煙氣脫硝，想必會產(chǎn)生非常好的脫硝效果。

2 選擇適合循環(huán)流化床鍋爐的脫硝工藝

2.1 選擇性非催化還原法（SNCR）

SNCR技術(shù)，在800-1200℃的環(huán)境中噴入含氮反應(yīng)劑到煙氣中，將NOx還原，生成水和氮氣，沒有新的污染物產(chǎn)生。由于在一定的溫度范圍內(nèi)，有氧參與的情況下，含氮反應(yīng)劑對NOx的還原在所有化學(xué)反應(yīng)中占主導(dǎo)，表現(xiàn)出選擇性，因此被稱為選擇性非催化還原。SNCR在實驗室里NOx脫出率可以達到90%以上。應(yīng)用在生產(chǎn)中的大型鍋爐上，短期試運期間能達到75%的脫出率，長期生產(chǎn)過程中一般能達到25%-40%。

首先，此工藝可選還原劑多，運行費用低，原理簡單，硬件工藝成熟，對溫度依賴性強。對于溫度的依賴性較強的問題，循環(huán)硫化床鍋爐剛好可以滿足其對溫度的要求。

其次，循環(huán)流化床鍋爐本身就具備低NOx燃燒的優(yōu)越性能，在此基礎(chǔ)上選擇造價低、運行費用低的SNCR技術(shù)即可將NOx濃度降至100㎎N/m3以下乃至更低，滿足國標要求。

2.2 選擇性催化還原法（SCR）

SCR化學(xué)原理與SNCR法相同，只是比后者多了催化劑及催化系統(tǒng)。在使用催化劑的情況下，在200℃-400℃環(huán)境內(nèi)便可脫出NOx，這樣還原氮劑就不會與煙氣中大量氧氣反應(yīng)，因此而得名。在生產(chǎn)應(yīng)用中SCR技術(shù)成熟，脫硝效率高，其可達80%-90%的NOx脫出率表現(xiàn)很好。但缺點也很多，例如占地面積大，初建費用高，運行費用高，而且催化劑在使用一段時間后會老化，須定期更換，催化劑氮氨摩爾比超標時時會造成浪費，并與SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨，是造成下游設(shè)備堵塞的主要原因。

2.3 低氮燃燒器+選擇性非催化還原法（LNB+SNCR）

煤粉鍋爐改造的時候，把以前的燃燒器全部換成低氮燃燒器，在低氮燃燒器的上方布置了幾層燃盡風，風口可以垂直擺動和水平擺動，煤粉通過噴嘴進入燃燒區(qū)，在燃燒區(qū)形成了兩個火焰區(qū)，一個一次火焰區(qū)即主燃區(qū)，一個二次火焰區(qū)。低氮燃燒器的機理主要是：在主燃區(qū)缺氧燃燒，因為NOx的生成基本就是燃料的著火階段產(chǎn)生的，缺氧燃燒會抑制NOx的生成，同時缺氧燃燒還會降低燃燒區(qū)的溫度，同樣會抑制NOx的生成。為了使燃料充分燃盡，在燃燒階段送入大量風，因為燃燒階段NOx的生成相對少。此方法多用在煤粉爐上。此燃燒器所能實現(xiàn)的功能基本上就是循環(huán)流化床鍋爐所具有的，循環(huán)流化床鍋爐分級送風、分級燃燒基本上能實現(xiàn)低NOx燃燒，所以在循環(huán)流化床鍋爐的基礎(chǔ)之上加入SNCR技術(shù)，就相當于實現(xiàn)了LNB+SNCR技術(shù)。

2.4 小結(jié)

目前被實踐應(yīng)用過的脫硝技術(shù)有好幾種，但技術(shù)相對成熟的就是SNCR與SCR技術(shù)。

[＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&][脫硝技術(shù)

SNCR/SCR

SCR

LNB+SNCR

SNCR

低NOx燃燒技術(shù)][脫硝效率/%

40-80

80-90

40-70

25-40

25-40][工程造價

中

高

中

低

低][運行費用

中

中

中

中

低]

在循環(huán)硫化床鍋爐脫硝改造工藝的選擇上，SCR脫硝系統(tǒng)雖然可以達到很高的脫硝效率，但是催化劑的使用帶來了運行成本的增加，并且使用壽命相對短，所以并沒有得到廣泛的推廣應(yīng)用；SNCR效率雖不高，但系統(tǒng)簡單，設(shè)備要求也不高，占地面積小，初投費用不高，因為不使用催化劑，所以不會出現(xiàn)類似于SCR系統(tǒng)中的反應(yīng)器堵塞和壓力損失等問題。同時由于此種鍋爐本身可以實現(xiàn)低NOx燃燒能力，就相當于煤粉爐常用的LNB+SNCR，所以循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造選擇SNCR技術(shù)再適合不過了。

3 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝工藝的原理

選擇性非催化還原法煙氣脫硝技術(shù)，不需要催化劑的參與，使用還原劑與煙氣中的氮氧化物反應(yīng)生成無害的氮氣和水的一種脫硝方法。該方法首先要在旋風分離器入口或爐膛出口等適合的溫度區(qū)域（830-1000℃）噴入含有氨基的還原劑。還原劑在高溫下分解為氨（NH3），氨與煙氣中的氮氧化物（NOX）進行還原反應(yīng)生成氮氣和水。該技術(shù)施工工期短，它是以爐膛或尾部煙道為反應(yīng)器，不需要增加反應(yīng)器和催化劑?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是氨氣和尿素，早些年應(yīng)用較多的還有液氨。

3.1 應(yīng)用尿素時的反應(yīng)

NO+CO（NH2）2 +1/2O2→2N2 +H2O+CO2

若溫度高于1150℃，NH3則會被氧化為NO，反應(yīng)式為：

4NH3+5O2→4NO+6H2O

3.2 應(yīng)用氨時的反應(yīng)

有氧參與：

4NH3 +4NO+O2→4N2 +6H2O

4NH3 +2NO2+O2→3N2 +6H2O

無氧參與：

8NH3 +6NO2→7N2 +12H2O

還原劑的反應(yīng)效率最高的溫度范圍即溫度窗。按經(jīng)驗最佳溫度區(qū)為 830-1000℃。若反應(yīng)溫度過高，氨會分解使NOX還原率降低；另外，若反應(yīng)溫度低，反應(yīng)速度變慢，于是NH3反應(yīng)不完全，氨的逃逸增加，產(chǎn)生新的污染物。

4 三種脫硝系統(tǒng)的選擇

4.1 應(yīng)用尿素的脫硝工藝流程

尿素顆?！芙庀洌ǔ}水溶解，蒸汽加熱）→稀釋水箱（稀釋水泵來水）→計量分配→噴射器（壓縮空氣來冷卻、流化風來冷卻）→鍋爐分離器。

此系統(tǒng)當液氨噴入鍋爐后馬上揮發(fā)成氣體，不會產(chǎn)生爐壁腐蝕或濕壁，儲罐容積也不大，但易燃易爆，毒性、腐蝕性強。其脫硝效率高，氨逃逸少，但系統(tǒng)復(fù)雜。

4.2 應(yīng)用氨水的脫硝工藝流程

卸料壓縮機→儲存罐→蒸發(fā)器（根據(jù)需要加入）→流量控制器→混合氣（與稀釋風機來壓縮空氣混合）→煙氣。

此系統(tǒng)可直接將氨水噴入分離器內(nèi)，加熱蒸發(fā)器可以省略，但若必須以氣態(tài)形式噴入，則需要加熱汽化。氨水腐蝕、揮發(fā)性強，不過運輸儲存及處理容易，工程造價低，而且液態(tài)噴射穿透能力強于氣態(tài)。

4.3 應(yīng)用尿素的脫硝工藝流程

尿素顆?！芙庀洌ǔ}水溶解，蒸汽加熱）→稀釋水箱（稀釋水泵來水）→計量分配→噴射器（壓縮空氣來冷卻、流化風來冷卻）→鍋爐分離器。

此系統(tǒng)須將除鹽水加熱到30℃以上，尿素才會溶解完全，運行中保證溶液溫度不低于結(jié)晶溫度16.7℃。因氨逃逸率高，脫硝效率低，但安全性是最高的，所以對于電廠這種重要生產(chǎn)區(qū)域應(yīng)優(yōu)先選擇尿素脫硝。

4.4 綜合對比

[項目

反應(yīng)劑費用

運輸費用

安全性

存儲條件

儲存方式

初投資費用

運行費用

設(shè)備安全要求][液氨

便宜

便宜

有毒

高壓

液態(tài)

便宜

便宜

有法律規(guī)定][氨水

較貴

貴

有害

常壓

液態(tài)

貴

貴

需要][尿素

貴

便宜

無害

常壓，干態(tài)

微粒狀

貴

貴

不需要][＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&＼&]

由于尿素在運行、建設(shè)成本適中，系統(tǒng)占地面積相對小，其次其理化性能穩(wěn)定，可滿足現(xiàn)在電力生產(chǎn)企業(yè)在安全方面的較高要求，雖然脫硝效率低，但對于循環(huán)流化床鍋爐來說，已經(jīng)可以很好地滿足要求。

5 結(jié)論

綜上所述，循環(huán)流化床鍋爐在脫硝改造中，由于本身具有其他爐型所不具備的優(yōu)點，可實現(xiàn)低溫和低NOx燃燒。且反應(yīng)時間充分，采用SNCR煙氣脫硝技術(shù)很適合，兩者結(jié)合可大大降低NOx的排放，減少大氣污染，滿足國標要求的脫硝效率。脫硝工藝的選擇原則中對環(huán)保、安全、可靠性、成本等有嚴格的規(guī)定，尿素脫硝系統(tǒng)完全滿足要求，雖然尿素的氨逃逸率高會造成脫硝效率下降，但滿足循環(huán)流化床鍋爐已經(jīng)綽綽有余了，所以尿素比較適合應(yīng)用在循環(huán)流化床鍋爐脫硝改造中作為反應(yīng)劑。

參考文獻：

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