低溫循環氧化吸收脫硝技術在CFB鍋爐超低改造中的應用

何佳欣

摘 要：本文基于發電廠循環流化床鍋爐煙氣排放達到超凈限值脫硝技術難題開展技術研究與實施，對現有鍋爐低氮燃燒技術、SNCR（選擇性非催化還原法）系統進行分析，研究利用現有煙氣循環流化床半干法脫硫除塵（RCFB）設施，創新應用低溫循環氧化吸收脫硝（COA）工藝技術提升煙氣脫硝技術裝備性能，鍋爐煙氣氮氧化物排放濃度滿足超低限值要求（即氮氧化物控制在50mg/Nm3以下），取得了顯著的效果。該技術投資費用較低，運行費用較低，尾部受熱面腐蝕性和漏風率較小，對鍋爐安全經濟運行影響最小，在電力行業處于較領先水平，具有較高的推廣價值，已在該廠#1、2、6、7鍋爐（2×60MW機組、2×135MW機組）超低排放改造中推廣使用，取得較好的環保效益、經濟效益、安全效益。

關鍵詞：低溫循環氧化吸收脫硝;CFB鍋爐;超低改造;應用分析

1研究背景

“十三五”期間，國家及江蘇省對環保工作要求越來越嚴，根據國家、江蘇省《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》和省政府《兩減六治三提升專項行動方案》要求，“2019年底前，65蒸噸/小時及以上的燃煤鍋爐全部實現超低排放”。即在基準氧含量6%的條件下煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3。

上海大屯能源股份有限公司發電廠一分廠共有4臺機組，總裝機容量為390MW，額定供熱能力200t/h，均為循環流化床鍋爐（CFB），現有脫硫、脫硝、除塵設施煙塵采用靜電除塵器加尾部煙氣布袋除塵器工藝，脫硫采用爐內噴鈣加尾部煙氣半干法脫硫工藝，煙塵、二氧化硫排放濃度可以滿足國家《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）排放限值要求。脫硝采用低氮燃燒加選擇性非催化還原化（SNCR）工藝，在現有工藝情況下，氮氧化物排放濃度不能保證穩定達到超低排放要求。

2循環流化床鍋爐脫硝技術研究

為保障該廠氮氧化物排放濃度能夠穩定達到超低排放要求，破解循環流化床鍋爐煙氣排放達到超凈限值技術難題，對鍋爐現有低氮燃燒、選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術進行研究，創新性提出基于半干法脫硫吸收塔作為反應器的低溫循環氧化吸收（COA）脫硝技術在CFB鍋爐超低排放中進行應用研究，主要技術研究內容如下：

2.1 CFB鍋爐低氮燃燒技術研究

通過研究氮氧化物產生原理，研究從源頭降低氮氧化物生成，采取低氮燃燒工藝，降低后續脫硝成本。

通過提高鍋爐分離器效率，增加循環灰量，降低床溫，減少NOx生成;通過爐內強化分級燃燒，對二次風系統進行優化，控制密相區氧量，減少NOx生成;旋風分離器提效，縮小旋風分離器進口老鷹嘴尺寸。低氮燃燒技術應用后在實際運行參數工況下NOx原始產生濃度低于150mg/Nm3（干煙氣，6%O2）。

2.2 選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術優化研究

根據鍋爐設計資料、鍋爐運行數據和現有SNCR脫硝系統運行條件，制定兩臺機組SNCR脫硝裝置設備的優化設計、合理選型和布置方案，提高SNCR脫硝裝置脫硝效率等性能指標、運行安全可靠，并且投資省、能耗低。SNCR增容升級優化完成后在實際運行參數工況下進入脫硫島的NOx濃度在50mg/Nm3左右。

2.3 低溫循環氧化吸收（COA）脫硝技術研究

如圖1，低溫循環氧化吸收（COA）脫硝技術的基本機理是采用半干法脫硫吸收塔作為反應器，完全利用現有半干法脫硫裝置。煙氣首先與吸收劑和循環灰進行充分預混合，在吸收塔的形成高密度的物料區域，利用區域內部物料顆粒與煙氣之間激烈的湍動，強化了氣固間的傳熱、傳質（由物質濃度不均勻而發生的質量轉移過程）。以循環流化床反應器內激烈湍動的、擁有巨大的表面積的吸附劑顆粒作為載體，液相脫硝劑通過COA專用雙流體噴槍噴入吸收塔，通過添加劑的強氧化和催化作用，將煙氣中難溶于水的NO轉化為NO2，并最終與鈣基吸收劑反應脫除，同時對SO2、重金屬（特別是汞）、二噁英等污染物的脫除具有極大的促進作用。因高壓霧化水的降溫、增濕作用，確保氣-固之間的反應轉為快速的離子型反應。由反應區煙氣流速較低（約為4～6m/s），擁有足夠接觸時間，保證對NOx的高效脫除。其脫硝主要化學反應為：

NaClO2作為脫硝劑，在前一個反應中主要起強氧化作用，而在后一個Ca（OH）2與NO2吸收反應中起催化作用。相關生成物均為無毒害的Ca（NO3）2、NaCl和H2O，對原有脫硫系統無其他危害。

3 COA脫硝技術在CFB鍋爐超低改造中的應用

3.1 低溫循環氧化吸收（COA）工藝應用分析

通過低氮燃燒、選擇性非催化還原（SNCR）升級優化兩級脫硝技術應用后，在實際運行參數工況下，NOx濃度分別低于150mg/Nm3（干煙氣，6%O2）、50mg/Nm3左右，不能保證穩定達到50mg/Nm3超低排放要求，需新增脫硝裝置確保穩定達標。

3.2低溫循環氧化吸收（COA）工藝系統

該工藝系統主要由COA溶液存儲及輸送系統、稀釋水系統及溶液噴射系統組成。如圖2，設計一套溶液存儲及輸送系統，脫硝劑存儲系統采用直接外購25%的液態亞氯酸鈉溶液，通過罐車與卸料泵管道連接的接口對接。設置兩臺卸料泵，一用一備;兩臺溶液輸送泵，用于將存儲罐中的溶液輸送至混合器中，輸送泵一用一備。在COA脫硝間內設置一個廢水池和一臺廢水泵，設備及管道的沖洗水匯入廢水池內，沖洗水優先經廢水泵輸送到存儲罐中循環使用。

脫硝劑技術要求如下：

脫硝劑主料為25%-30%亞氯酸鈉溶液，亞氯酸鈉溶液品質符合工業亞氯酸鈉HG/T 3250-2010要求。亞氯酸鈉溶液屬于氧化劑，危險化學品品名表（GB12268）將該物質劃分為第8類。

3.3 低溫循環氧化吸收（COA）稀釋水系統（圖3）

為滿足COA工藝的要求，需對脫硝劑進行適當的稀釋，設置一座COA稀釋水箱，設置三臺稀釋水泵，用于將稀釋水輸送至混合器。稀釋水泵兩用一備。溶液噴射系統：脫硝溶液在混合器中稀釋后，經計量系統后輸送至COA專用雙流體噴槍，經噴槍充分霧化的溶液噴入到吸收塔中完成脫硝過程。

3.4 COA協同脫硝系統經濟運行最佳稀釋比探索

為了保證發電廠#1、2、6、7號鍋爐氮氧化物排放濃度穩定達到超低排放標準限值，均采用低氮燃燒、SNCR脫硝和COA協同脫硝工藝，其中COA協同脫硝工藝采用外購25%的液態亞氯酸鈉溶液，該脫硝劑價格較為昂貴，約6000元/噸。為滿足COA工藝的要求，需通過稀釋水系統對脫硝劑進行適當的稀釋，溶液在混合器中稀釋后，經計量系統后輸送至COA專用雙流體噴槍，經噴槍充分霧化的溶液噴入到吸收塔中完成脫硝過程。通過對比試驗，研究在不同稀釋比、不同溶液流量情況下的脫硝效果，得出結論如下：在正常投運SNCR系統，沒有投運COA系統時，脫硫島出口氮氧化物濃度為39.5mg/m3，投運COA系統后，每種工況均持續時間10分鐘以上，主要研究如下，稀釋比相同、溶液流量不同時，（1）稀釋比2.0時，稀釋水泵300L/h，供料泵186L/h，出口總流量約500L/h，出口氮氧化物濃度降至13mg/m3;（2）稀釋比2.0時，稀釋水泵550L/h，供料泵260L/h，出口總流量約830L/h，出口氮氧化物濃度降至13.89mg/m3;（3）稀釋比2.5時，稀釋水泵420L/h，供料泵240L/h，出口總流量約700L/h，出口氮氧化物濃度降至14.5mg/m3。

通過研究對比發現，在稀釋比2.0時，溶液總消耗流量約500L/h時，脫硝效果最為明顯，且試驗過程中反應較為靈敏，建議運行在低氮燃燒、SNCR脫硝均不能保證氮氧化物達到超低排放標準50mg/m3，需要投運COA系統進行脫硝時，按照稀釋比2.0、溶液總消耗流量500L/h左右進行投運，降低環保設備運行費用，提升企業經濟效益。

4結語

（1）該項目充分研究利用現有煙氣循環流化床半干法脫硫除塵（RCFB）設施，創新應用低溫循環氧化吸收（COA）工藝技術提升煙氣脫硝技術裝備性能，鍋爐煙氣氮氧化物排放濃度滿足超低限值要求（即氮氧化物控制在50mg/Nm3以下），取得了顯著的效果，滿足發電廠生產需要。

（2）通過對循環流化床鍋爐氮氧化物產生原理及脫除技術進行研究，創新提出了以“鍋爐低氮燃燒技術+SNCR（選擇性非催化還原法）系統優化技術+低溫循環氧化吸收（COA）深度脫硝（以亞氯酸鈉強氧化劑）”為核心的新型復合脫硝技術。復合脫硝技術水平在電力行業處于較領先水平，具有較高的推廣價值，已陸續在發電廠4臺鍋爐（2×60MW機組、2×135MW機組）超低排放改造中推廣使用，取得較好的環保效益、經濟效益、安全效益。