CFB鍋爐采用ROFA＋Rotamix技術降低SO2和NOx排放的應用研究

高玉新，鄒天舒，叢日成

（1.國家電力投資集團東北公司，遼寧 沈陽 110001；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

研究與應用

CFB鍋爐采用ROFA＋Rotamix技術降低SO2和NOx排放的應用研究

高玉新1，鄒天舒2，叢日成2

（1.國家電力投資集團東北公司，遼寧 沈陽 110001；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

大連泰山熱電有限公司鍋爐采用爐內添加石灰石的方式進行脫硫，脫硫效率很低，未設脫硝設備，排放煙氣中SO2和NOx濃度達不到國家環(huán)保排放要求。經研究決定采用ROFA＋Rotamix技術降低SO2和NOx排放濃度。改造后，鍋爐帶負荷能力不變，著火穩(wěn)定，燃燒完全，爐內溫度場及熱負荷分布均勻，經測試SO2排放濃度在200 mg／Nm3以內，NOx排放濃度在100 mg／Nm3以內，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》要求。

循環(huán)流化床鍋爐；ROFA＋Rotamix；脫硫脫硝

大連泰山熱電有限公司2臺135 MW機組循環(huán)流化床鍋爐（CFB）于2005年年底投入商業(yè)運行，鍋爐采用爐內添加石灰石的方式進行脫硫，但脫硫效率很低，未設有脫硝設備，排放的煙氣中SO2和NOx濃度達不到國家環(huán)保排放要求。

根據《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定，至2014年7月1日，現有循環(huán)流化床鍋爐SO2、NOx排放濃度在200 mg／Nm3以下。目前大連泰山熱電有限公司2臺CFB鍋爐SO2和NOx排放濃度均在200 mg／Nm3以上，嚴重超標。為了使SO2、NOx排放濃度滿足排放要求，脫硫脫硝改造勢在必行。

1 設備概況及電廠現狀

1.1 設備概況

大連泰山熱電有限公司440 t／h CFB鍋爐采用超高壓參數中間再熱機組設計，鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒技術，主要設計參數見表1。

鍋爐脫硫方式為爐內添加石灰石粉，在爐膛高溫下石灰石可充分發(fā)生焙燒反應，使碳酸鈣分解為氧化鈣，氧化鈣與煤燃燒產生的二氧化硫進行鹽化反應，生成硫酸鈣，以固體形式排出從而達到脫硫目的。鍋爐設計燃用黑龍江煙煤，目前改燒霍林河褐煤，平均含硫量在0.3%左右，最大燃煤量達到98～110 t／h。

表1 鍋爐設計參數

1.2 電廠現狀

大連泰山熱電有限公司位于大連市中心，廠地小，承擔著冬季市區(qū)供熱的任務。由于廠區(qū)可利用面積有限，2臺鍋爐均采用爐內添加石灰石方式進行脫硫，均未安裝脫硝系統設備。2臺鍋爐SO2排放濃度為370 mg／m3、NOx排放濃度為350 mg／m3，超出國家環(huán)保標準且脫硫效率僅為50%～60%，同時石灰石接卸能力嚴重不足，沒有儲存?zhèn)}，雙機運行時經常出現石灰石燒空現象，入爐石灰石投加系統存在設計不合理、出力不足、故障較多、無備用等問題，造成脫硫系統運行不穩(wěn)定［1］。因此，環(huán)保問題將制約公司的可持續(xù)發(fā)展，為了解決以上問題決定對1號鍋爐進行脫硫脫硝改造。

2 脫硫技術選擇

2.1 脫硫技術選擇

目前循環(huán)流化床鍋爐采用的脫硫技術，主要以燃燒中脫硫和燃燒后脫硫為主，主要脫硫技術主要有爐內噴入石灰石脫硫、濕式石灰石—石膏法脫硫、半干法煙氣脫硫、爐內脫硫＋燃燒優(yōu)化技術（CFB－ROFA系統）［2］，見表2。

表2 脫硫技術對比

由表2可知，從投資成本來看，爐內脫硫＋優(yōu)化燃燒技術（CFB－ROFA）要低于濕式石灰石—石膏法；從運行收益來看，爐內脫硫＋優(yōu)化燃燒技術（CFB－ROFA）要優(yōu)于濕式石灰石—石膏法。根據大連泰山熱電有限公司機組的實際狀況分析如下：

a.電廠位于大連市中心，廠區(qū)可利用面積有限，而濕式石灰石—石膏法法占地面積非常大，在現有的場地內無法布置；

b.電廠沒有灰場，鍋爐排出的灰渣必須能夠得到有效利用。

因此，在滿足SO2排放濃度要求的前提下，按實用、簡單、投資小、運行費用小的原則，采用爐內脫硫＋燃燒優(yōu)化工藝（CFB－ROFA脫硫系統）對大連泰山熱電有限公司CFB鍋爐進行脫硫技術改造。

2.2 爐內脫硫＋燃燒優(yōu)化技術（CFB－ROFA系統）

2.2.1 CFB－ROFA脫硫技術

CFB－ROFA又稱旋轉對沖燃盡風系統，它是利用高壓頭風機儲能后通過安裝在鍋爐上的非對稱布置的空氣噴嘴將高速射流噴入鍋爐或各種空間內，在爐膛上部形成旋轉渦流，使氣流高速流動產生強烈的湍流擾動和大量旋轉［3］，以其對空間內的物料場、溫度場、化學反應場進行更充分的混合，獲得更強烈的反應效果，從而改善爐內的煙氣溫度分布、物料分布、熱量吸收、CO的氧化等。

CFB－ROFA技術因其獨特的噴口形狀及設計，能在鍋爐爐膛相應區(qū)間內產生強烈的湍流旋轉擾動（見圖1），能對鍋爐噴射區(qū)域及影響區(qū)域內整個物料流化反應場進行重新分配，不但能有效去除煙囪效應，增大鍋爐的有效反應空間，同時因氣流的高速旋轉，也增加煤顆粒及石灰石顆粒在爐內的滯留時間，改善了碳顆粒與石灰石顆粒在爐內的化學反應條件。

圖1 ROFA形成旋轉流場簡圖

2.2.2 CFB－ROFA脫硫技術優(yōu)點

a.改善鍋爐效率。CFB－ROFA系統可以改善爐內燃料與空氣的混合，改善鍋爐的燃燒性能，延長可燃物在爐膛內部的停留時間，增強了碳粒的燃盡和爐內受熱面的對流換熱，從而降低飛灰可燃物含量及CO含量，提高鍋爐效率。

b.改善鍋爐安全性。CFB－ROFA系統可以降低爐內磨損，避免水冷壁爆管現象發(fā)生，確保系統投運后鍋爐燃燒正常，安全可靠。

c.改善爐內石灰石和煙氣的混合和停留時間，提高脫硫效率。CFB－ROFA產生的混合和旋轉渦流可降低爐內溫度。強烈的旋轉湍流阻止了片狀氣流的流動，使得爐膛體積在燃料的燃燒過程中得到充分利用，爐內石灰石和煙氣得以充分混合，反應更加充分，從而提高了脫硫效率。

d.設備更新費用較低。

e.風險低，技術成熟。

3 脫硝技術選擇

3.1 脫硝技術選擇

目前，比較成熟的脫硝技術主要有SCR、SNCR＋SCR混合法及Rotamix－SNCR工藝，見表3。

表3 脫硝技術對比［4－5］

在實際工程中，煤粉鍋爐應用較多的是SCR，CFB鍋爐應用較多的是SNCR＋燃燒優(yōu)化。SCR技術能夠提供高達60%～90%的脫硝率，但其總費用也最高，是SNCR技術費用的2～3倍，SNCR的脫硝率為70%～85%。SNCR＋燃燒優(yōu)化的混合技術可將NOx濃度由350 mg／Nm3降至100 mg／Nm3以內，完全滿足國家最新排放標準要求。綜上所述，針對大連泰山熱電有限公司CFB鍋爐實際情況，確定采用Rotamix＋燃燒優(yōu)化的脫硝技術。

3.2 選擇性非催化還原法（Rotamix－SNCR）

Rotamix－SNCR脫硝技術指在鍋爐爐膛出口800～1 250℃的溫度范圍內噴入還原劑，將其中的NOx選擇性還原成N2和H2O［6－7］。Rotamix－SNCR技術是一個綜合的污染物治理平臺，通過噴射不同的介質能治理不同的污染物。Rotamix－SNCR技術一般和ROFA系統聯合使用能夠達到更高的效率，在煙氣進入Rotamix－SNCR系統之前，CFB－ROFA已在爐內創(chuàng)造了高動能、混合充分的環(huán)境，使燃料得以均勻分布。湍流空氣通過ROFA噴入爐內并進行混合，使爐內化學吸收劑和燃燒物料可以有效混合。Rotamix－SNCR技術采用三通噴嘴調控優(yōu)化設計，將化學吸收劑直接噴入分布均勻、旋轉混合的爐膛內，減少了吸收劑的用量。

4 脫硫脫硝改造實施效果

ROFA＋Rotamix脫硫脫硝系統改造后，鍋爐帶負荷能力不變、著火穩(wěn)定、燃燒完全，已穩(wěn)定運行近2年。

當鍋爐達到最佳運行狀態(tài)時，進行了ROFA＋Rotamix系統投入后的SO2排放及Ca／S測試試驗、NOx排放及尿素耗量測試試驗、鍋爐效率測試試驗及改造后經濟性分析。

4.1 SO2排放及石灰石耗量

ROFA＋Rotamix系統整體投運后進行了Ca／S及石灰石耗量測試試驗，試驗結果見表4。

表4 SO2排放及石灰石耗量測試試驗結果

由試驗結果可知：

a.在415 t／h出力下，SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下時，鍋爐Ca／S為5.19，石灰石耗量為3.72 t／h；當NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時，鍋爐Ca／S為4.45，石灰石耗量為3.23 t／h。

b.在360 t／h出力下，SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下時，鍋爐Ca／S為3.86，石灰石耗量2.26 t／h；當NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時，鍋爐Ca／S為3.91，石灰石耗量為2.29 t／h。

綜上所述，4種工況下平均Ca／S為4.35，較設計值4.5低0.15，平均石灰石耗量為2.88 t／h，Ca／S及石灰石耗量均實現預期效果。

4.2 NOx排放及尿素耗量

ROFA＋Rotamix系統整體投運后進行了NOx及尿素耗量測試試驗，試驗結果見表5。

表5 NOx排放及尿素耗量測試試驗結果

由試驗結果可知：

a.415 t／h負荷下，NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下，可穩(wěn)定運行，尿素耗量在348.4 kg／h；NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時，尿素耗量在221 kg／h。

b.360 t／h負荷下，NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下，可穩(wěn)定運行，尿素耗量299 kg／h；NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時，尿素耗量在164.5 kg／h，NOx排放實現預期效果。

4.3 效率試驗

熱效率試驗在415 t／h負荷下進行，試驗分SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度分在100 mg／Nm3以下和200 mg／Nm3以下兩種工況進行，試驗數據見表6。

由試驗結果可知：

表6 各工況下鍋爐熱效率試驗結果

a.當SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度在100 mg／Nm3以下時，在415 t／h出力下，實測鍋爐熱效率為90.76%，修正后鍋爐熱效率為92.13%。

b.當NOx排放濃度在200 mg／Nm3以下時，實測鍋爐熱效率為90.84%，修正后鍋爐熱效率為92.19%。兩種工況下，實測鍋爐熱效率平均值為90.80%，修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%。

綜上所述，兩種工況下修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%，較2014年脫硫脫硝改造前平均效率92.41%降低了0.25百分點，因此脫硫脫硝改造對鍋爐熱效率的影響幅度符合預期標準。

4.4 經濟性分析

在ROFA＋Rotamix系統投運后，根據當前機組實際運行情況與改造前機組情況，進行了經濟性分析。以下計算結果均按試驗期間煤質含硫量為0.2%計算。

經濟性分析按SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度按≤100 mg／Nm3和200 mg／Nm3以下兩種工況控制。運行成本分析按年利用小時數4 500 h、尿素單價2 850元／t、稀釋水單價4元／t、石灰石單價122元／t進行計算。

在415 t／h負荷下，ROFA＋Rotamix系統投運后，排煙SO2折算后排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時，石灰石耗量為3.47 t／h，Ca／S為4.82。

NOx折算后排放濃度分別控制在100 mg／Nm3、200 mg／Nm3以下，尿素溶液流量分別為696.8 L／h、442 L／h，稀釋水流量分別為2 202 L／h、2 381 L／h。

按機組年利用小時數4 500 h計算，脫硫系統年運行成本為227.22萬元，脫硝系統年運行成本分別為471.49萬元、308.43萬元。

5 效益分析

5.1 社會效益

改造前，按SO2排放濃度370 mg／Nm3、NOx排放濃度350 mg／Nm3計算，采用ROFA＋Rotamix技術改造后，按SO2排放濃度180 mg／Nm3、NOx排放濃度180 mg／Nm3、鍋爐年利用小時數4 500 h計算，1號機組鍋爐SO2年排放總量由899.1 t降至437.4 t，減少了461.7 t；NOx年排放總量由850.5 t降至437.4 t，減少了413.1 t。鍋爐SO2、NOx排放量降低，實現了節(jié)能減排，具有顯著的社會效益。

5.2 經濟效益

大連泰山熱電有限公司對1號鍋爐進行了ROFA＋Rotamix技術改造，總投資約1 468.19萬元，煤中含硫量為0.2%時，年收益為610.39萬元，項目投產后2.4年可以收回投資成本。常用煤質含硫量為0.3%，煤質發(fā)生變化使石灰石及尿素成本增加，因此成本回收年限將延長。

6 結論

a.ROFA＋Rotamix脫硫脫硝改造后，SO2排放濃度可以控制在200 mg／Nm3以內穩(wěn)定運行；NOx排放濃度可以控制在100 mg／Nm3以內穩(wěn)定運行。

b.鍋爐ROFA＋Rotamix脫硫脫硝改造后，兩種工況下修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%，較改造前鍋爐效率92.41%降低了0.25百分點。

c.ROFA＋Rotamix技術改造后，1號鍋爐SO2年減排量為461.7 t；NOx年減排量為413.1 t，實現了節(jié)能減排，具有顯著的社會效益。

d.ROFA＋Rotamix技術改造，總投資約1 468.19萬元，煤中含硫量為0.2%，年收益為610.39萬元，項目投產后2.4年可以收回投資成本。

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Application Research on Reducing SO2and NOxMissions of CFB Boiler Based on ROFA＋Rotamix Technology

GAO Yuxin1，ZOU Tianshu2，CONG Richeng2
（1.State Power Investment Corporation Northeast Company，Shenyang，Liaoning 110001，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The boiler of Dalian Taishan thermoelectic Co.，Ltd.is 440 t／h circulating fluidized bed boiler（CFB），which adds lime?stone to bolier for desulfurization，its desulfurization efficiency is low and not use denitrification equipment，the SO2and NOxconcen?tration of flue gas can't reach the national environmental emission requirements.So using ROFA＋Rotamix technology to reduce SO2and NOxemissions are decided.After the transformation，the boiler operates with the same load capacity，fire stable，complete combus?tion，furnace temperature and heat load uniform distributed.According to the test，SO2and NOxemission concentration are respec?tively less than 200 mg／Nm3and 100 mg／Nm3，which meet emission standard of air pollutants for thermal power plants.

CFB；ROFA＋Rotamix；desulfurization and denitrification

TM621

A

1004－7913（2016）12－0009－05

高玉新（1972），男，學士，高級工程師，從事鍋爐節(jié)能環(huán)保研究工作。

2016－09－15）