循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝技術(shù)改造與應(yīng)用

賈曉斌

（山西國峰煤電有限責(zé)任公司，山西呂梁 032200）

我國規(guī)定自2015年10月1日起，燃煤鍋爐NOx排放濃度需小于400 mg/m3。雖然循環(huán)流化床鍋爐NOx排放量小，但隨著國家和地方環(huán)保政策的嚴(yán)格要求，需要對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行脫硝技術(shù)改造，以此降低NOx排放量。我國提倡使用SNCR 改造方案，SNCR 工程造價(jià)低，改造比較方便，無二次污染，因而適用于燃煤發(fā)電廠進(jìn)行脫硝改造。

1 研究意義

根據(jù)我國環(huán)保部門頒布的《GB-13223—2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》以及各地區(qū)提出的工廠煙氣脫硝改造計(jì)劃，要求各個(gè)地區(qū)的發(fā)電廠、企業(yè)加強(qiáng)環(huán)保建設(shè)，切實(shí)有效地落實(shí)國家提出的政策，從技術(shù)層面上研究出更加適合的脫硝處理方案。目前，我國相關(guān)規(guī)定表明要求火電廠排放的NOx排放量低于100 mg/Nm3以下，包括現(xiàn)役的循環(huán)流化床鍋爐所排放的NOx的排放量也必須要低于100 mg/Nm3以下。為此，新建的火電機(jī)組需要構(gòu)建相應(yīng)的脫硝裝置，改進(jìn)相關(guān)的脫硝技術(shù)，并且現(xiàn)有的燃煤機(jī)組的脫硝裝置也要按照國家的政策和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)相關(guān)改造。

脫硝技術(shù)的基本原理是根據(jù)NO 作為還原反應(yīng)的主體，其中的還原技術(shù)可分為兩種不同的反應(yīng)。SCR，即選擇性催化還原技術(shù)；SNCR，即選擇性非催化還原技術(shù)。由此可見，這兩種技術(shù)都能夠參與循環(huán)流化床鍋爐的脫硝技術(shù)。但并不是每一種都適用于實(shí)際應(yīng)用，具體需要根據(jù)循環(huán)流化床鍋爐煙氣排放的相關(guān)特性，進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)分析，根據(jù)不同的要求和條件，采取理想的脫硝改造技術(shù)。

2 SCR與SNCR脫硝技術(shù)的比較

2.1 選擇性催化

SCR 技術(shù)是指在未使用催化劑的作用下，通過向上千度的高溫?zé)煔庵袊娙鲞€原劑，其中的氨或者尿素能夠與煙氣中的一氧化氮即刻發(fā)生反應(yīng)，整個(gè)過程會(huì)生成大量的氮?dú)夂退?。雖然SCR 技術(shù)在具體的燃煤發(fā)電生產(chǎn)中脫硝率很高，但是存在的缺點(diǎn)也非常多。例如：該技術(shù)所需要的改造空間大，建設(shè)所投入的成本非常高，后期實(shí)行起來投入遠(yuǎn)超過預(yù)算費(fèi)用，并且使用的催化劑的使用壽命短，因此需要經(jīng)常更換，且催化劑過多使用會(huì)影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 選擇性非催化還原技術(shù)

SNCR 技術(shù)是指向溫度為近400℃的煙氣中噴入還原劑NH3，在催化劑的催化還原作用下，能夠?qū)⑴欧诺臒煔庵蠳Ox進(jìn)行一系列的反應(yīng)進(jìn)而生成氮?dú)夂退?。SNCR 技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中的脫硝率能夠達(dá)到90%左右，應(yīng)用在燃煤發(fā)電的生產(chǎn)中，一般情況下能夠達(dá)到75%的脫硝率，持續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)可以達(dá)到40%左右。

此外，SNCR 技術(shù)所投入的成本較低，循環(huán)硫化床鍋爐所需的溫度要，并且循環(huán)流化床鍋爐本身就具備燃燒N0x 的條件，因此最重要的一點(diǎn)是需要將SNCR 技術(shù)排出的NOx濃度降至100 mg/Nm3以下，以符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 SNCR與SCR的比較結(jié)論

SNCR 與SCR 兩種脫硝技術(shù)綜合比較結(jié)果。從中可以得出，SNCR 脫硝技術(shù)無論是工程造價(jià)還是年運(yùn)行費(fèi)用上來說更加適合發(fā)電廠使用，能夠極大地降低成本，帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

此外，SNCR 技術(shù)的脫硝水平完全符合我國目前規(guī)定的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)，并且針對(duì)現(xiàn)役的發(fā)電機(jī)組中的循環(huán)流化床鍋爐的脫硝改造過程中，可以利用SNCR技術(shù)有效地節(jié)約對(duì)其他設(shè)備的改造成本，不僅省時(shí)省力，還能控制預(yù)算。由此可見，SNCR 技術(shù)應(yīng)用于循環(huán)流化床鍋爐是具有極大的優(yōu)勢(shì)，非常適合發(fā)電廠、相關(guān)企業(yè)使用。

3 循環(huán)流化床鍋爐脫硝SNCR改造方案

3.1 改造原有SNCR脫硝裝置

脫硝技術(shù)的還原劑一般采用的是氨或者尿素溶液，如果使用的是尿素溶液，則需要對(duì)SNCR 的噴槍重新設(shè)計(jì)改造，選取噴霧效果更好的噴槍增加噴量，以此提高脫硝的效率。

3.2 還原劑最佳噴射位置選擇

對(duì)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行煙氣的脫硝改造，首先需要確定還原劑的噴射位置，在進(jìn)行實(shí)際操作過程中，SNCR 脫硝技術(shù)的還原劑需要通過多個(gè)噴入點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行噴射，隨后進(jìn)入到鍋爐內(nèi)部，其中的噴嘴的位置直接決定了噴撒的還原劑能否停留在爐內(nèi)的旋風(fēng)分離器中，達(dá)到脫硝效果，因此其能夠直接影響脫硝效率。

3.3 使還原劑與煙氣充分混合

循環(huán)流化床鍋爐的旋風(fēng)分離器在運(yùn)行的過程中，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氣流是混亂的，并且流場(chǎng)也相對(duì)來說較為復(fù)雜。還原劑通過分離器的入口噴入到煙氣中，排放出的煙氣會(huì)在分離器的內(nèi)部進(jìn)行回旋運(yùn)動(dòng)，在此過程中會(huì)形成一道中心回流區(qū)，此區(qū)域的作用是將還原劑與煙氣進(jìn)行充分混合，因此來延長反應(yīng)時(shí)間，確保脫硝反應(yīng)更加充分，進(jìn)而有效地提高脫硝效率。通常情況下，單臺(tái)鍋爐會(huì)配有兩個(gè)旋風(fēng)分離器，并且每個(gè)分離器的都安裝了噴槍裝置，此改造目的是增加煙氣與還原劑之間的接觸面積，有效地提升氨的利用率，促進(jìn)脫硝更加充分。

3.4 脫硝還原劑的選擇

純氨作為脫硝技術(shù)的首要還原劑，當(dāng)純氨進(jìn)入到分離器內(nèi)部后，能夠立即發(fā)生反應(yīng)。同時(shí)，純氨屬于一種中性物質(zhì)，因此不會(huì)對(duì)鍋爐及其他設(shè)備造成腐蝕影響。如果使用氨水作為還原劑，首先氨水需要經(jīng)過一系列的物理作用進(jìn)行提純操作，才能夠與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)。但經(jīng)過實(shí)驗(yàn)與表明，其效率與純氨相比差別并不大。

如果使用尿素作為還原劑，將尿素溶液噴入旋風(fēng)分離器之后同樣也需要經(jīng)過類似于氨水的操作原理，進(jìn)行霧化和蒸發(fā)所得出的氨與氮氧化物來完成脫硝反應(yīng)。但由于尿素本身無法將氨完全轉(zhuǎn)化，并且在轉(zhuǎn)化的過程中會(huì)產(chǎn)生其他副產(chǎn)物，因此，尿素作為還原劑來使用不僅有反應(yīng)的滯后性，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生其他的雜質(zhì)，造成污染，導(dǎo)致脫硝效率低。雖然尿素的運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)來說會(huì)高一些，但其安全性高，且無毒無害，而氨水和氨雖然運(yùn)行費(fèi)用較低，效率相對(duì)較高，但其穩(wěn)定性較差，危險(xiǎn)性較高。因此考慮到運(yùn)輸安全、存儲(chǔ)安全、操作安全等因素，采用尿素作為還原劑是比較理想的。

3.5 進(jìn)行脫硫改造

鍋爐在生產(chǎn)過程中，所使用的煤料中的硫會(huì)通過燃燒，產(chǎn)生會(huì)二氧化硫，此過程還會(huì)生成少部分的三氧化硫。其中的尿素或者氨水，參與脫硝反應(yīng)所排出的煙氣中的三氧化硫能夠與部分逃逸的氨參與反應(yīng)，從而生成硫酸銨。其中的硫酸銨是一種具有腐蝕性的物質(zhì)，會(huì)致使鍋爐的煙道設(shè)施受到一定程度的腐蝕。因此，需要采取相關(guān)措施，減少氨的逃逸，與此同時(shí)還需要采取煤料中的脫硫措施，最大程度上的減少鍋爐設(shè)備受到損壞。

有研究表明，針對(duì)SNCR 脫硝技術(shù)逃逸的氨，將其控制在一定程度內(nèi)，再通過循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行內(nèi)部的脫硫處理，能夠極大程度減少二氧化硫及三氧化硫的含量。由此可見，參與脫硝反應(yīng)的三氧化硫與硝酸銨能夠被掌握在可控范圍內(nèi)，進(jìn)而能夠減少硫酸銨對(duì)設(shè)備的腐蝕危害。

3.6 保護(hù)燃煤機(jī)組設(shè)備

通常情況下，處于正常生產(chǎn)過程中的鍋爐一旦出現(xiàn)停止運(yùn)轉(zhuǎn)現(xiàn)象，便會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)影響。為減少經(jīng)濟(jì)的損失，煙氣脫硝裝置會(huì)選擇在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下安裝。由于脫硝裝置的安裝區(qū)域離煙道、風(fēng)道、電纜位置等較近，因此在改造的過程中，需要采取措施對(duì)相關(guān)的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，避免在安裝改造過程中產(chǎn)生不利的影響。

4 循環(huán)流化床鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造

4.1 分級(jí)燃燒

通過重新配風(fēng)改造，以此來調(diào)整一次風(fēng)、二次風(fēng)的系統(tǒng)，以解決鍋爐中心區(qū)域氧含量不足的問題，增大氧氣燃燒的還原性，用以強(qiáng)化分級(jí)燃燒。在鍋爐內(nèi)實(shí)行高梯度的多級(jí)配風(fēng)，以此來確保送風(fēng)的穿透力度，從而促進(jìn)氧氣的分布量，加大氧氣的燃燒效果，降低NOx的產(chǎn)生量。技術(shù)改造內(nèi)容：新增二次風(fēng)通風(fēng)口，調(diào)整二次風(fēng)角度，最后引入煙氣循環(huán)至一次風(fēng)。

4.2 均勻燃燒

通過改造調(diào)整煤料與返料，來解決床溫偏高、局部低氧燃燒等問題。增大催化還原區(qū)域，能夠促進(jìn)床料全面燃燒。通過調(diào)整床料使其與氧氣充分混合，能夠有效地消除床溫的溫度差異，促進(jìn)其均勻燃燒，最后達(dá)到降低NOx的排放量。

4.3 控制系統(tǒng)模塊

通過控制煙氣中NOx的排放量，以此調(diào)節(jié)控制氨濃度及還原劑噴撒的具體位置。再設(shè)定有氮?dú)夂桶碧右轁舛鹊某瑯?biāo)準(zhǔn)警報(bào)按鈕裝置，且該裝置屬于獨(dú)立的控制系統(tǒng)，同時(shí)再設(shè)置相關(guān)技術(shù)人員的工作站，以此來對(duì)每臺(tái)鍋爐的SNCR 脫硝技術(shù)進(jìn)行有效的控制。

其中，還原劑噴撒系統(tǒng)，也能夠進(jìn)行同步操作控制。當(dāng)其處于正常的工作狀態(tài)中，通過定時(shí)對(duì)燃燒系統(tǒng)和SNCR 的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，其中包括運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的參數(shù)、相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)等，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)SNCR技術(shù)。因此，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)記錄故障信息，方便操作員能夠獲取自動(dòng)儲(chǔ)存的信息。

5 鍋爐煙氣NOx減排技術(shù)改造

氮氧化物的排放可以通過改進(jìn)燃燒的方式加以控制。其中，低氮燃燒的方法與提高爐內(nèi)燃燒效率的要求背道而馳，因此這也是目前降低爐內(nèi)氮氧化物所面臨的主要問題。選擇性催化還原技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)其工藝參數(shù)，在一定程度上有效控制氮氧化物的排放。此技術(shù)向煙氣中使用一定的還原劑，使得還原劑能夠和煙氣中氮氧化物發(fā)生反應(yīng)從而形成氮?dú)夂退５思夹g(shù)所需要的成本遠(yuǎn)高于SNCR 技術(shù)。

由于鍋爐在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，這些煙氣通常含有大量的顆粒，這些顆粒會(huì)堵塞催化劑床，此外還可能會(huì)產(chǎn)生大量的有毒物質(zhì)。因此，盡管SCR 的脫硝技術(shù)是非常有力的，但仍然存在諸多問題。首先，SCR 所使用的催化劑壽命較短，因此需要定期使用催化劑，并且煙氣中灰塵會(huì)對(duì)催化劑層進(jìn)行一定程度上的腐蝕，進(jìn)而可能會(huì)造成污染。此外，由于現(xiàn)役設(shè)備的使用壽命較長，而控制氮氧化物排放的技術(shù)必須要在使用中的設(shè)備進(jìn)行改造，因此所需要的成本相對(duì)較高。

國家制定的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出，要逐步把燃煤發(fā)電系統(tǒng)中NOx的總體污染物排放水平調(diào)整至50 mg/m3以下。經(jīng)有關(guān)試驗(yàn)證明后，對(duì)兩臺(tái)130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐的旋風(fēng)分離器進(jìn)行了SNCR 脫硝方法的改進(jìn)，兩臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐的總脫硝率均達(dá)到了68%，然后又對(duì)其中的一臺(tái)480 t/h 循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了SNCR 脫硝技術(shù)和干法技術(shù)相結(jié)合的改進(jìn)，試驗(yàn)得出的結(jié)果是：脫硫和脫硝效果都得到了很大的改善。

由此可見，上述實(shí)驗(yàn)為燃煤發(fā)電機(jī)組的煙氣低能排放奠定了基礎(chǔ)。濕法脫硝的方法相較于其他燃燒后的煙氣脫硝技術(shù)來說其更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗軌蛴行У厝コ裏煔庵蠸Ox和NOx，與此同時(shí)還能夠控制其他氣體及顆粒物的產(chǎn)生。其中，NO 是一種具有惰性特征的物質(zhì)，正是由于其特殊性質(zhì)，所以在工業(yè)生產(chǎn)中屬于一個(gè)長期存在的難題。但NO 相關(guān)衍生物，NO2能夠被特定的水溶液所吸收。因此，可以通過排出的煙氣中的NO 轉(zhuǎn)化成為NO2，然后再在特定的堿性溶液中進(jìn)行脫硝技術(shù)的改造處理。

6 結(jié)語

循環(huán)流化床鍋爐中利用的SNCR 脫硝技術(shù)，可以有效地降低污染物中的NOx排放量，同時(shí)通過對(duì)污染物進(jìn)行化學(xué)凈化，降低氮氧化物對(duì)大氣環(huán)境所產(chǎn)生的二次污染。由此可見，SNCR 是比較理想的脫硝改造技術(shù)。不過，在實(shí)施技改的過程中，仍必須充分考慮各個(gè)因素對(duì)循環(huán)流化床鍋爐的影響，以保證在機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及切實(shí)有效地貫徹我國環(huán)境保護(hù)政策法規(guī)的前提下，既能夠降低對(duì)環(huán)境的污染，又充分保障發(fā)電廠及相關(guān)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。