循環流化床鍋爐SNCR脫硝技術優化改造

，

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209;2.煤基清潔能源國家重點實驗室,北京 102209)

0 引 言

近年來，我國NOx排放總量不斷上升，城市環境惡化，霧霾嚴重，并有不斷加重的趨勢。最新研究表明，大氣細顆粒物NOx、液相氧化SO2是我國當前霧霾期間硫酸鹽的重要形成原因。我國引進循環流化床鍋爐發電技術已有20年歷史，現有不同容量的循環流化床鍋爐近3 000臺，約63 000 MW容量投入商業運行，大于電力行業中鍋爐總臺數1/3[1]。隨著國家環保部門要求的日益提高，新環保標準實施后[2]，規定燃煤電廠NOx排放濃度不高于100 mg/m3(以NO2計，按O2濃度6%折算)。

西北某電廠循環流化床鍋爐NOx排放濃度一直高于350 mg/m3，為滿足當地環保部門提出的治理要求，電廠根據自身情況對2臺300 MW循環流化床鍋爐進行了以尿素為還原劑的SNCR脫硝改造。循環流化床鍋爐系東方鍋爐股份有限公司設計制造的單汽包、自然循環的循環流化床鍋爐，改造后排放標準達到環保部要求，但出現了調節系統不穩定、運行方式不合理導致原始排放量高、爐內脫硫系統對原始排放影響較大，間接影響SNCR調節系統穩定性等問題。

國內外循環流化床鍋爐脫硝技術以SNCR脫硝使用最為廣泛，楊梅[3]、高明明等[4]對循環流化床鍋爐進行SNCR脫硝研究，說明SNCR脫硝具有較好的市場前景。孫獻斌等[5]對SNCR脫硝工藝系統關鍵設備噴槍進行研究，自主研發了一種空氣冷卻式空氣霧化噴槍，解決了之前噴槍霧化效果差、尿素及氨水耗量大等問題，在300 MW機組上取得了良好效果。本文以尿素、氨水為還原劑，結合我國西北某電廠循環流化床鍋爐脫硝情況，介紹SNCR脫硝原理、主要工藝流程和設備組成等，分析了300 MW循環流化床鍋爐使用SNCR脫硝的優勢，并結合300 MW循環流化床鍋爐自身特點，對原有SNCR設備進行改造，以期實現設備平穩運行，提高脫硝效率。

1 NOx生成機理及控制手段

1.1 NOx生成機理

燃煤鍋爐生成的NOx主要由NO、NO2、N2O等組成。研究發現，電廠燃煤生成NOx的過程如圖1所示。電廠燃煤生成NOx主要包括3種產生途徑:燃料型NOx、熱力型NOx、快速型NOx[6]。對于循環流化床鍋爐而言，燃用煙煤、褐煤、頁巖等劣質燃料時，主要生成燃料性NOx。

圖1 煤燃燒生成NOx過程Fig.1 NOx formation process during coal combustion

1.2 NOx控制手段

目前國內對NOx控制方法有燃燒中控制和煙氣脫硝，燃燒中控制主要有低氮燃燒器、低氮改造、燃燒調整等，煙氣脫硝主要有選擇性非催化還原SCR法、SNCR法[7]。

SCR脫硝原理是:在催化劑作用下，通過還原劑(NH3、尿素)與煙氣中NOx選擇性反應生成N2和水。SNCR法不同于SCR法，在不使用催化劑的條件下，還原劑(NH3、尿素)在高溫下(850～1 150 ℃)[8]直接與煙氣中NOx發生氧化還原反應。

1.3 SNCR脫硝技術原理

SNCR脫硝技術原理是將NH3、尿素等還原劑噴入鍋爐水平煙道，在合適的溫度、氣氛或催化劑條件下將NOx還原，循環流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術控制NOx排放的主要機理如圖2所示[9]。

圖2 SNCR脫硝技術控制NOx排放機理Fig.2 Main mechanism of SNCR denitration technology to control NOx emission

1.4 SNCR法與SCR法技術特點對比

與SCR技術相比，SNCR煙氣脫硝技術投資運行成本低，占地面積少(布置在鍋爐水平煙道處)，建設工期短，脫硝效率可達到環保要求，適宜大型循環流化床鍋爐。根據調研和計算論證，SNCR脫硝技術對鍋爐效率、排煙溫度、鍋爐受熱面以及鍋爐下游設備造成腐蝕的影響均較小，不影響機組安全運行，不需進行針對性設備改造;脫硝裝置投運后，NOx排放量明顯控制。在合適的噴氨量及溫度窗下，SNCR脫硝技術的脫硝效率可以達到81%[10]。此外，SNCR系統還具備投資成本低(設備簡單、系統造價降低)，運行成本較低(不增加引風機電耗、運行維護簡單)，不增加煙氣系統阻力，不使用催化劑，不產生新的SO3，氨逃逸控制在10×10-6以內，不會造成尾部煙道的積灰和腐蝕，安裝及操作較易等優點。

綜上所述，SNCR技術是成熟的脫硝技術，其低投資和低運行成本，特別適用于CFB機組、老機組脫硝改造，也適合垃圾焚燒爐、中小型燃煤鍋爐的煙氣脫硝，在國內外有較為廣泛的應用。

1.5 SNCR脫硝技術主要化學反應

SNCR技術是用NH3、尿素等還原劑，以循環流化床鍋爐旋風分離器入口水平煙道為反應器，通過適當的溫度(850～1 150 ℃)，在不使用催化劑的情況下，將NOx分解成氧氣和水。

NH3或尿素還原NOx的主要反應為

NH3為還原劑時：

(1)

尿素為還原劑時：

(2)

2 SNCR脫硝技術

2.1 工藝流程

SNCR煙氣脫硝系統典型工藝流程如圖3所示。

圖3 SNCR煙氣脫硝系統典型工藝流程Fig.3 Typical process flow of SNCR flue gas denitration system

尿素經汽車運輸到廠區，制成濃度50%的尿素溶液輸送至儲存罐內。儲罐內尿素溶液通過高壓泵與凝結泵出口引來的凝結水稀釋后輸送至水平煙道平臺。尿素溶液濃度根據噴入點的流速、煙溫、NOx濃度等試驗參數確定，稀釋水為凝結水，經過計算機控制稀釋水量大小，在保證脫硝效率的情況下，計算機系統控制稀釋水用量，既能保證霧化效果，又能合理減少稀釋水，避免浪費。

在水平煙道平臺設置有分配裝置，經分配裝置，尿素被輸送到每個噴槍，在霧化風壓力下，將尿素溶液噴射進旋風分離器入口水平煙道，對煙氣中NOx進行還原，這種利用水平煙道作為反應容器的脫硝形式，大大減少了鍋爐脫硝改造的施工量，使300 MW循環流化床鍋爐脫硝改造成本降低了2/3，成為目前循環流化床鍋爐脫硝改造的主流施工方案。

2.2 設備組成

脫硝設備主要由制備系統、儲存系統、分配系統、噴射系統4大部分構成[11]。制備系統主要有溶解罐、攪拌器、加熱器、轉移泵。儲存系統主要有儲存罐、攪拌器、加熱器、輸送泵、稀釋水泵、稀釋水罐。分配系統主要有靜態混合器、調節閥、電磁流量計。噴射系統主要有噴槍、霧化風管道、冷卻法管道、轉子流量計。

3 脫硝改造問題及解決方法

3.1 NOx濃度波動大

脫硝系統投入后存在NOx測量值波動較大的問題，運行過程中，鍋爐燃料量的波動導致NOx測量值在24～240 mg/Nm3。自動控制邏輯中，還原劑噴入量控制NOx測量值[12]。由于測點位置靠后，導致還原劑噴入量對NOx測量值存在3 min左右的滯后，且整個系統受燃料量波動影響較大。

改造措施:將NOx測量儀表由原來的引風機出口改造到空預器入口，測點位置前移，NOx測量值滯后時間大大縮短。同時對控制邏輯進行優化，將燃料量作為主控輸出前饋。優化后，燃料量波動時，還原劑調節閥動作明顯較之前更為準確，NOx排放數值更加穩定(尿素耗量750 kg/h、氨氮摩爾比1.8)。改造前后NOx測量值變化如圖4所示。

圖4 改造前后NOx測量值Fig.4 NOx measured value before and after modification

3.2 燃用高硫煤時無法保證NOx排放量達標

該電廠燃用高硫煤時，脫硝系統投運后NOx瞬間會升到230 mg/m3。原因為電廠燃用高硫煤時，為保證煙氣SO2不超標，向爐內投入大量石灰石，爐內投石灰石對NOx生成有促進作用，石灰石以催化劑的形式促使爐內燃料中的N快速轉變成NOx[13]，導致NOx濃度迅速上升，減少石灰石投運。

改造措施:將原來水平煙道的噴射方式由水平對射改造為錯列對射，并錯開0.3 m距離，讓更多煙氣接觸到還原劑，提高反應效率。通過改造脫硝效果提升，氨逃逸數值由7×10-6降為3×10-6。

3.3 運行方式不合理導致原始排放量高

脫硝效率不僅要去除已經生成的NOx，還要通過運行手段降低NOx生成量，通過實際運行發現，采用分級供風能夠有效地在源頭減少NOx的生成量[14]。

改造措施:通過改變運行方式，減少一次風量(一、二次風配比4∶6)，使燃燒處在貧氧狀態，密相區內由于氧含量不足，燃燒速度和溫度水平下降;燃料中氮分解生成大量中間活產物CN、HCN，不僅將部分NO還原，又抑制了燃料型NOx的生成。加大二次風的供應量，由于該區域燃燒溫度較低，不會生成過多的NOx。通過調整燃燒方式，可以減少10%的原始排放量，脫硝效率高達85%以上。

4 改造效果及經驗

4.1 效果分析

該電廠2臺機組鍋爐SNCR脫硝改造后，經過環保局的驗收，NOx最終排放濃度低于100 mg/Nm3，滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求。通過鍋爐燃燒優化，鍋爐原始NOx排放濃度約為250 mg/Nm3，SNCR脫硝裝置投運后，可控制NOx排放濃度低于50 mg/Nm3時，脫硝效率高于85%。2臺300 MW循環流化床鍋爐可減排NOx總量>1 780 t/a，空氣質量大幅度提升。

脫硝改造工程實施后，電廠NOx排污費減少約112萬元。2013年9月，國家發改委將燃煤發電企業脫硝電價補償標準由0.008元/kWh提高至0.01元/kWh，每年僅脫硝電價補貼就高達4 000萬元。此外，火電廠排放的NOx除形成酸雨外，還會與碳氫化合物反應生成致癌物質，危害人體健康。因此，通過脫硝工程可大幅減少NOx排放，有助于改善當地大氣環境。

4.2 運行經驗

1)爐內脫硫盡量不投入或少投入

循環流化床鍋爐為了降低SOx排放，通常采用爐內加入石灰石，石灰石對NOx排放有明顯影響，造成NO上升，原因為:① 石灰石分解生成的富余CaO是燃料和注氨N轉化為NO和N2的強氧化劑，也是CO、H2還原NO的強催化劑，CaO對燃料N轉化為NO的催化能力強于其分解能力;② 富余CaO是氧化氣氛下N2O分解的強催化劑。因此石灰石的加入增加了NOx的排放，實際運行中，如果爐外脫硫能夠滿足的情況下，應停止爐內脫硫。

2)根據煤質及時調整一、二次風配比

在實際運行中，應根據煤種情況，適當降低一次風，增大二次風。由于循環流化床鍋爐存在核心貧氧區，通過調整一、二次風配比可大幅減少熱力性NOx的生成量(減少10%原始排放)。

3)根據NOx原始排放量及時調整尿素噴入量

實際運行過程中，NOx原始排放與負荷有較大關系，可根據負荷情況及時調整尿素調整閥開度，提高脫硝運行的經濟性[15]。根據循環流化床鍋爐特點，采用SNCR脫硝技術對循環流化床鍋爐進行改造后，環保要求達標，經濟社會效益明顯。

5 結 語

循環流化床鍋爐脫硝是一種系統性脫硝手段。根據煤質變化及時調整一、二次風風量比例實現合理的運行方式;根據負荷變化及時調整尿素耗量，確保脫硝系統經濟運行;燃用高硫煤時，適當降低入爐石灰石量，通過尾部濕法脫硫來控制SO2排放;根據邏輯控制的優先順序，盡量縮短反饋時間，防止尿素調節閥動作存在滯后性。隨著國家環保政策的實施，循環流化床鍋爐是資源綜合利用爐型的首選，SNCR脫硝技術將會得到進一步發展。