1060T/H CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝設(shè)計(jì)

楊玉環(huán)，侯致福,2

(1.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州036800；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

1060T/H CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝設(shè)計(jì)

楊玉環(huán)1，侯致福1,2

(1.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州036800；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

針對(duì)某1060T/H CFB鍋爐NOX排放濃度長期穩(wěn)定滿足不高于50 mg/Nm3的超低排放要求，設(shè)計(jì)了一套處理煙氣量為115萬Nm3/h、初始NOX含量為190 mg/Nm3，NOX排放濃度≤50 mg/Nm3的SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝系統(tǒng)。通過對(duì)比SNCR，SCR和SNCR/SCR 3種煙氣脫硝技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出適用于CFB鍋爐NOX超低排放既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的脫硝技術(shù)為SNCR/SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)。對(duì)1060T/H CFB鍋爐SNCR/SCR聯(lián)合脫硝工藝的主要設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝流程及主要組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與闡述，此工藝可為國內(nèi)同類型CFB鍋爐脫硝超低排放工程的改造、設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

煙氣脫硝；CFB鍋爐；聯(lián)合法SNCR+SCR；工藝設(shè)計(jì)

0 引言

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格化，燃煤電廠煙氣中SO2，NOX，煙塵等污染物排放控制備受社會(huì)關(guān)注。我國于2011年頒布了GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，其中明確規(guī)定了SO2，NOX，煙塵的排放限值[1-3]。2014年，發(fā)改能源[2014]2093號(hào)中對(duì)火電節(jié)能減排提出了更嚴(yán)格、明確的強(qiáng)制要求：東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即：基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10 mg/m3，35 mg/m3，50 mg/m3)。為積極響應(yīng)國家政策，各燃煤發(fā)電機(jī)組均要對(duì)污染物控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)改造，確保污染物排放濃度長期穩(wěn)定超低達(dá)標(biāo)排放。

循環(huán)流化床機(jī)組本身燃燒溫度低，分級(jí)、分段燃燒等特點(diǎn)，使其產(chǎn)生的氮氧化物較少，一般采用SNCR脫硝技術(shù)即可使NOX的排放濃度滿足GB13223-2011對(duì)其規(guī)定排放要求，但并不能滿足最新NOX的超低排放要求(不高于50 mg/m3)[2,3]。因此，針對(duì)CFB鍋爐本身特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一種充分利用CFB鍋爐本身優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)投資、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低，同時(shí)可長期穩(wěn)定確保煙氣中氮氧化物排放濃度滿足超低排放要求的脫硝工藝具有重要意義。文中設(shè)計(jì)了一種適用于1060T/H CFB鍋爐的SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝，可為國內(nèi)同類型CFB鍋爐脫硝超低排放工程的改造、設(shè)計(jì)提供借鑒及指導(dǎo)作用。

1 煙氣NOX主要脫除技術(shù)

煙氣中NOX脫除技術(shù)均是通過在合適的溫度區(qū)域向煙氣中噴入還原劑，還原劑與煙氣中NOX發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使NOX轉(zhuǎn)換為無害的氮?dú)夂退甗4-6]。

目前應(yīng)用在燃煤電站鍋爐上成熟的煙氣NOX脫除技術(shù)主要包括SNCR，SCR和SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)。

1.1 SNCR煙氣脫硝技術(shù)

選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)是將尿素、NH3等還原劑噴至爐膛上部或分離器入口溫度為850～1 100 ℃的區(qū)域，還原劑迅速熱分解成NH3并與煙氣中NOX進(jìn)行選擇性反應(yīng)，生成無害的N2和H2O。

在無催化劑、溫度為850～1 100 ℃條件下，尿素、NH3等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中NOx，基本上不與煙氣中的O2作用。主要反應(yīng)機(jī)理見化學(xué)反應(yīng)方程(1)，若溫度過高，NH3則被氧化成NO，見化學(xué)反應(yīng)方程(2)[5-7]。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(1)

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(2)

還原劑參加脫硝反應(yīng)的溫度窗口至關(guān)重要。NH3反應(yīng)的最佳溫度窗口為850～1 100 ℃，當(dāng)反應(yīng)溫度過高，NH3會(huì)被氧化成NO，增加煙氣中NOX；反應(yīng)溫度過低，氨逃逸增加，會(huì)使NOX還原率降低[6,7]。因此，SNCR法脫硝需注意氨逃逸對(duì)后續(xù)空預(yù)器設(shè)備、系統(tǒng)的影響。

SNCR脫硝效率低，大機(jī)組上為25%～50%，小機(jī)組上可達(dá)70%～80%；無需添加催化劑，反應(yīng)過程無SO3的轉(zhuǎn)化；對(duì)改造場(chǎng)地條件要求低，適用于改造條件有限、入口NOX含量低的脫硝工程使用。

1.2 SCR煙氣脫硝技術(shù)

SCR脫硝技術(shù)與SNCR脫硝技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)原理相同，都是在煙氣中加入還原劑，在一定溫度下，還原劑與煙氣中NOX反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退?/p>

SCR脫硝是在有催化劑(鐵、釩、鉻、鈷或鉬等堿金屬)的條件下，將還原劑NH3或尿素噴至溫度為300～400 ℃區(qū)域的煙道內(nèi)使之與煙氣中NOX參加反應(yīng)。主要反應(yīng)式如下式[7]：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

(3)

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

(4)

SCR脫硝必須有催化劑反應(yīng)模塊，若想保證催化劑具有較好的催化性能，必須具有300～400 ℃較佳的反應(yīng)溫度窗口。根據(jù)鍋爐本身設(shè)計(jì)差異，催化劑反應(yīng)模塊一般布置于省煤器與空預(yù)器間、一級(jí)省煤器和二級(jí)省煤器間或省煤器特定盤管間等具有較佳溫度窗口的區(qū)域。SCR脫硝效率為60%～90%；催化劑會(huì)增加SO3的轉(zhuǎn)化，硫酸氫銨的生成會(huì)造成空預(yù)器的堵塞、腐蝕等[6-8]。

在SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，影響其運(yùn)行的主要參數(shù)有：煙氣溫度、煙氣流速、煙道尺寸、煙氣微粒含量、逃逸氨濃度、SO2氧化率、催化劑活性等。同時(shí)還需考慮CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫飛灰中CaO對(duì)催化劑催化性能的影響。

1.3 SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)是結(jié)合SNCR脫硝的低成本、占地小和SCR脫硝高脫硝效率的聯(lián)合脫硝技術(shù)，多用于改造工程中場(chǎng)地狹小的情況[7,8]。

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)首先是利用前段的SNCR脫硝系統(tǒng)對(duì)煙氣中的NOX進(jìn)行脫除，其次是利用后段的SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)NOX進(jìn)行深度脫除，對(duì)于后段的SCR脫硝技術(shù)，一方面可進(jìn)一步利用前段逃逸的還原劑氨進(jìn)行反應(yīng)，再考慮超低排放的嚴(yán)格要求，結(jié)合實(shí)際情況增加SCR補(bǔ)噴氨系統(tǒng)，確保煙氣中NOX長期穩(wěn)定超低排放。聯(lián)合脫硝系統(tǒng)所需催化劑較少，對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的影響、產(chǎn)生的阻力、投資等均介于SNCR與SCR間。

通過對(duì)比以上幾種脫硝技術(shù)，對(duì)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求不是很嚴(yán)格的地區(qū)、機(jī)組，針對(duì)CFB鍋爐可選用SNCR脫硝技術(shù)，煤粉鍋爐選用SCR脫硝技術(shù)；對(duì)于要求污染物超低排放的區(qū)域、機(jī)組，需選用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，一方面系統(tǒng)投資小、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，同時(shí)還可長期穩(wěn)定確保污染物超低達(dá)標(biāo)排放。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)主要是為長期穩(wěn)定確保300 MW CFB鍋爐尾部煙囪排放的NOX達(dá)到超低排放的限值要求(不高于50 mg/Nm3)而設(shè)計(jì)的。鍋爐燃料為采掘矸(含風(fēng)氧化煤)以及洗煤廠生產(chǎn)出的煤泥和煤矸石，燃料在CFB鍋爐爐內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生煙氣的具體情況如表1所示。

表1 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝煙氣參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要如下[9,10]：

(1)整套聯(lián)合脫硝系統(tǒng)的可用率不低于98%，整套系統(tǒng)的主體使用壽命大于30年；

(2)聯(lián)合脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中整體脫硝效率不小于75%；

(3)聯(lián)合脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中煙囪出口NOX排放濃度不高于50 mg/Nm3；

(4)聯(lián)合脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中的氨逃逸不大于3 ppm。

2.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)

注：NOX均以NO2計(jì)。

3 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝流程及組成

3.1 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝流程

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝流程圖

3.2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)主要組成部分

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)主要由噴射裝置設(shè)置于旋風(fēng)分離器入口煙道處的SNCR脫硝系統(tǒng)和設(shè)置于尾部煙道內(nèi)催化劑上部的SCR脫硝系統(tǒng)組成。主要包括：氨水儲(chǔ)存系統(tǒng)、氨水輸送系統(tǒng)、氨水稀釋計(jì)量系統(tǒng)、氨水噴射輔助霧化系統(tǒng)、噴槍保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)、氨水分散噴射系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。

(1)氨水儲(chǔ)存系統(tǒng)

氨水作為脫硝用還原劑，外購后通過汽車運(yùn)至還原劑儲(chǔ)存區(qū)域。氨水儲(chǔ)罐體積為100 m3，為廠內(nèi)各機(jī)組脫硝還原劑公用設(shè)備，罐頂部設(shè)有呼吸閥，用于調(diào)整氨水儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化。

(2)氨水輸送系統(tǒng)

還原劑氨水經(jīng)脫硝泵由氨水儲(chǔ)罐輸送至氨水分散噴射系統(tǒng)，并通過雙流體噴槍噴至旋風(fēng)分離器入口煙道和尾部煙道催化劑上部的脫硝反應(yīng)區(qū)參加脫硝反應(yīng)。

(3)氨水稀釋系統(tǒng)

除鹽水經(jīng)除鹽水泵輸送，與氨水輸送泵輸送的還原劑氨水混合后一并噴入氨水分散噴射系統(tǒng)至脫硝反應(yīng)區(qū)還原煙氣中NOX。除鹽水作用：一方面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)NOX調(diào)解需要稀釋還原劑氨水的濃度，另一方面調(diào)整還原劑氨水進(jìn)入分散噴射系統(tǒng)的壓力和流量，確保霧化效果。

(4)氨水噴射輔助霧化系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)有壓縮空氣輔助霧化系統(tǒng)，壓縮空氣引自廠區(qū)壓縮空氣母管，并新增壓縮空氣罐。壓縮空氣引至氨水分散噴射系統(tǒng)中雙流體噴槍連接口，對(duì)還原劑氨水起輔助霧化作用，以確保還原劑噴射霧化效果，提高還原劑與煙氣混合的均勻性。

(5)噴槍保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)

噴槍保護(hù)用風(fēng)引自廠區(qū)流化風(fēng)母管，流化風(fēng)母管來流化風(fēng)引至氨水分散噴射系統(tǒng)中雙流體噴槍連接口，以確保雙流體噴槍安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行。

(6)氨水分散噴射系統(tǒng)

氨水分散噴射系統(tǒng)由布置于旋風(fēng)分離器入口煙道處的氨水噴射裝置和布置于尾部煙道內(nèi)催化劑上部的氨水噴射裝置組成。單臺(tái)機(jī)組共4個(gè)旋風(fēng)分離器，每個(gè)旋風(fēng)分離器入口煙道處布置5支雙流體噴槍，每臺(tái)機(jī)組尾部煙道內(nèi)催化劑上部合適溫度區(qū)域的前后墻或左右墻各布置5支雙流體噴槍，單臺(tái)機(jī)組布置還原劑氨水噴射裝置30套。

(7)輔助系統(tǒng)

因工藝需要設(shè)置的控制、電氣以及其他公用設(shè)施。控制系統(tǒng)采用DCS控制系統(tǒng)集中控制，無需單獨(dú)安排人員進(jìn)行監(jiān)視和控制，只在DCS集中監(jiān)控系統(tǒng)操作員站對(duì)工藝系統(tǒng)的被控對(duì)象和系統(tǒng)指標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及控制。

4 結(jié)論

(1)1060 T/H CFB鍋爐采用SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝系統(tǒng)來確保NOX排放濃度滿足超低排放要求，可為國內(nèi)同類型CFB鍋爐脫硝超低排放工程的改造、設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)作用。

(2)聯(lián)合煙氣脫硝系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：最大處理煙氣量115萬Nm3/h、初始NOX含量190 mg/Nm3，可用率≥98%，脫硝效率≥75%，NOX排放濃度≤50 mg/Nm3，最大還原劑(25%氨水)耗量1 170 kg/h。

(3)聯(lián)合煙氣脫硝系統(tǒng)由噴射裝置分別布置于旋風(fēng)分離器入口煙道處的SNCR脫硝系統(tǒng)和尾部煙道內(nèi)催化劑上部的SCR脫硝系統(tǒng)組成。主要包括：氨水儲(chǔ)存系統(tǒng)、氨水輸送系統(tǒng)、氨水稀釋計(jì)量系統(tǒng)、氨水噴射輔助霧化系統(tǒng)、噴槍保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)、氨水分散噴射系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)。

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Process Design of Combined SNCR and SCR Denitrification Technology about 1060T/H CFB Boiler

YANG Yuhuan1, HOU Zhifu1,2

(1. Shanxi Pingshuo Gangue-fired Power Generation Co., Ltd., Shuozhou 036800, China;2.School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

A set of flue gas treatment system combining SNCR and SCR denitrification technology is designed in this paper, aiming at the existing problem that the long-term NOXemission concentration of a certain 1060 T/H CFB boiler was stable and met the ultra-low emission standard of no more than 50 mg/Nm3, which handles 1.15 million Nm3/h flue gas, initial NOXcontent is 190 mg/Nm3, and NOXemission concentration less than 50 mg/Nm3. The combined SNCR and SCR denitrification technology is suitable for CFB boiler whose NOXemissions standard is ultra-low and can be economical and environmental by comparison of the advantages and disadvantages among three kinds of flue gas denitration technologies, SNCR, SCR and SNCR/SCR. The main parameters of the process design, process flow diagram and the main components of SNCR and SCR denitrification technology for 1060 T/H CFB boiler are addressed, which can provide reference for other similar tower rebuilding and designing of ultra-low emissions of domestic CFB boiler denitration.

flue gas denitrification; CFB boiler; combined SNCR+SCR; process design

2015-12-11。

楊玉環(huán)(1983-)，女，工程師，主要從事循環(huán)流化床鍋爐清潔燃燒、節(jié)能減排技術(shù)的研究，E-mail：yangh8386@126.com。

X511

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.02.011