SNCR+COA脫硝在中溫旋風分離器CFB鍋爐中的應用

廖新偉

福建龍凈環保股份有限公司

1 引言

循環流化床鍋爐是近三十年來發展起來的新一代高效、低污染的清潔燃燒技術，具有燃料適應性廣、負荷調節性能好、低NOX排放特性，爐內高效脫硫等優點，應用廣泛。

2014年9月12日，國家發改委、環保部和能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014年～2020年）》，明確要求東部地區、中部地區、西部地區新建和在役燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到或接近達到燃氣輪機機組排放限值（氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別不高于50、35、10mg∕Nm3）。

選擇性非催化還原反應（Selective Non．Catalytic Reduction，簡稱SNCR）是目前主流煙氣脫硝技術之一。SNCR 脫硝是把還原劑如氨氣、尿素稀溶液等噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區域,還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOx進行反應生成N2和H2O。該方法以爐膛為反應器，可通過對鍋爐進行改造實現SNCR 脫硝。具有投資成本低，脫硝效率較高，但不同的鍋爐爐型，脫硝效率相差很大。

循環氧化吸收協同脫硝技術（Circulating Oxidation and Ab?sorption，簡稱COA）是煙氣循環流化床脫硫技術的基礎上，通過加氧化劑的氧化作用，將煙氣中NO 轉化為NO2，再與循環流化床脫硫塔內的Ca（OH）2吸收劑發生反應實現脫硝，生產硝酸鈣和亞硝酸鈣。COA技術在實現煙氣脫硫的同時可單獨用作電廠爐后的煙氣脫硝，也可與SNCR 脫硝技術組合應用，作為煙氣NOx超低排放的工藝選配。

CFB 鍋爐爐膛煙氣出口溫度與SNCR 工藝的反應溫度范圍正好吻合；且旋風分離器中的煙氣流場的情況十分有利于噴入的還原劑和煙氣的良好混合，有效地停留時間可以達到1 秒以上，因此，CFB鍋爐的特別適合采用SNCR煙氣脫硝工藝；但對于中溫循環分離型的循環流化床鍋爐，旋風分離器溫度只有400℃～500℃，SNCR噴槍布置在爐膛，反應器時間段，混合差，SNCR脫硝效率較低。

為了達到NOx＜50mg∕Nm3的超低排放，聯合COA 協同脫硝技術，本文介紹了SNCR+COA 組合脫硝技術在中溫分離器循環流化床鍋爐的應用，并且研究了爐膛截面的溫度、鍋爐負荷等對SNCR脫硝效率、氨逃逸參數的影響。

2 脫硝超低排放改造

2.1 鍋爐概況

某電廠75t∕h循環流化床鍋爐由原北京鍋爐廠與美國RILEY公司共同設計，自行制造的循環液化床燃煤鍋爐。鍋爐燃燒系統主要由爐膛、分離器、后豎井三部分組成，其中：爐膛內部從下向上依次布置蒸發管、高低過熱器、高溫省煤器，后豎井從上向下依次布置低溫省煤器、四級空氣預熱器，爐膛與后豎井由兩臺并列中溫分離器（分離器入口設計溫度445℃～500℃）連接。

鍋爐現運行工況：床溫平均控制在800℃～860℃（測點標高4300mm），濃相區溫度平均控制在830℃～900℃（測點標高8100mm），稀相區溫度平均控制在800℃～840℃（測點標高12600mm），蒸發管集箱標高18350mm。鍋爐冷態臨界風流37km3∕h、滿負荷下一次風量 42km3∕h、送風總量51km3∕h～53km3∕h（二、三次風量1：1）、風室風壓10kPa以下。鍋爐原煤含硫量≤0.7時SO2原始濃度460mg∕Nm3以下，爐內脫硫降至200mg∕Nm3以下Ca：S 比 1.5 左右，含硫量≥1 時 SO2最高原始濃度 1500mg∕Nm3左右，爐內脫硫降至200mg∕Nm3以下Ca：S比3左右。電-袋除塵器入口粉塵原始濃度 13000mg∕Nm3，出口粉塵濃度≤22mg∕Nm3。鍋爐年運行7200h，其中：冬季4400h、夏季2800h。

2.2 主要設計參數

脫硝采用SNCR+COA 脫硝技術，鍋爐原始NOx濃度200mg∕Nm3，設計出口排放小于50mg∕Nm3，達到超低排放標準。

2.3 工藝原理

CFB 鍋爐一級脫硝采用SNCR 工藝，SNCR 脫硝工藝是把還原劑尿素溶液等噴入爐膛溫度為850℃～1000℃的區域，還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOX進行反應生成N2和H2O。

二級脫硝采用循環氧化吸收協同脫硝技術（Circulating Oxi?dation and Absorption，簡稱COA）。COA 工藝的基本原理是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，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，再與鈣基吸收劑發生中和反應完成脫除過程。

本項目以亞氯酸鈉溶液作為氧化劑，亞氯酸鈉溶液與煙氣中的NO完成化學反應生成NO2，并最終在循環流化床脫硫塔中與Ca（OH）2吸收劑中和脫除，其主要化學反應方程式如下：

2.4 噴槍布置

SNCR 噴槍的布置需要結合鍋爐的結構及燃燒情況進行設計，SNCR噴槍參數選擇及噴槍位置的選取對脫硝效率的因素至關重要。本項目在11.2m 位置側墻各布置了4 支SNCR 噴槍，前墻布置了4 支噴槍，13mm 位置側墻布置了5 支噴槍，一共22 支噴槍。噴槍選用小流量、大粒徑的雙流體噴槍，噴槍選型霧化粒徑為200um，通過霧化粒徑的提升，溶液顆粒的動能增加約10倍，能夠保證溶液顆粒對爐膛的穿透，實現均勻分布。流量變化范圍為20L∕h～50L∕h，霧化角度45°，采用壓縮空氣作為霧化介質和噴槍冷卻介質，霧化壓縮空氣壓力為0.2MPa～0.4MPa，冷卻壓力為0.1MPa。

在鍋爐75t∕h負荷時，測量噴槍位置溫度分別如下。第一層11.2m處、第二層13m噴槍處溫度分別見表1、表2。

表1 第一層噴槍處溫度（鍋爐11.2M標高）

表2 第二層噴槍處溫度（鍋爐13.5M標高）

在第一層噴槍處（11.2m 標高），爐膛溫度低于第二層溫度，67%都不能滿足850℃要求，第二層噴槍（13m 標高），靠前墻位置溫度在800℃一下，不能滿足850℃要求，對SNCR 脫硝效率有較大影響。

3 項目研究與應用

3.1 氨氮比與脫硝效率影響

為了研究不同氨氮摩爾比對脫硝效率的影響，在分別在鍋爐負荷50%、75%、100%負荷下，投運上下兩層共28 支噴槍，觀察氨氮比對脫硝效率的影響。試驗結果如圖1所示。脫硝效率隨著氨氮比的升高，在NSR小于2時，升高明顯，當氨氮比大于3以后，脫硝效率上升越來越緩慢。這表明，增大氨氮摩爾比可以提高一定的脫硝效率，但過大的NSR對于脫硝效率提升不明顯。鍋爐負荷50%、75%、100%負荷下，SNCR 脫硝效率分別是75t∕h＞56t∕h＞37.5t∕h，相同的氨氮比時，鍋爐負荷越高脫硝效率越高，這也表明在低負荷時，爐膛溫度過低，溫度低于850℃，偏離了SNCR最佳的反應溫度，脫硝效率在10%～30%之間。

圖1 在不同負荷下脫硝效率與NSR的關系圖

3.2 SNCR噴槍組合研究

在設計時，在鍋爐11.2m和13.5m處設置了兩層噴槍。為了研究不同負荷下，噴槍組合對脫硝效率及氨逃逸的影響，分別在75t∕h、56t∕h、37.5t∕h 下，氨氮比控制在 2 左右時，調整 SNCR 噴槍組合，研究脫硝效率及氨逃逸。

試驗詳見表3，在37.5t∕h負荷時，三種噴槍組合投運，脫硝效率均低于20%。

當鍋爐負荷在56t∕h時，在控制氨逃逸情況下下層噴槍效率低于上層噴槍投運，兩層噴槍同時投運的效率最高。

在鍋爐滿負荷運行時，在控制氨逃逸情況下，脫硝效率在40%～50%之間，下層噴槍投運的脫硝效率略高于上層噴槍投運，兩層同時投運的效率最高，可以達到47.6%。從而確定最佳的噴槍組合方案。

表3 在不同負荷下噴槍組合投運脫硝參數表

根據鍋爐熱力計算資料估算，爐膛內SNCR溫度窗口的有效高度約為4m，故噴槍布置于爐膛密相區往上區域，滿負荷時煙氣在爐膛內的垂直方向平均流速約為5.1m∕s，則還原劑在SNCR溫度窗口的停留時間僅0.8s，同時密相區往上爐膛溫度較低，因此脫硝效率有所限制，已經達到理論水平。

3.3 SNCR+COA組合脫硝

當爐內 SNCR 運行時，鍋爐出口 NOx 濃度在 80mg∕Nm3～130mg∕Nm3，此時需要COA脫硝投運。由于鍋爐工況的波動，NOx波動比較大，為了兩級聯合脫硝更為穩定，分別在75t∕h、56t∕h、37.5t∕h 負荷下，測試了兩級聯合脫硝的脫硝溶液耗量及脫硝效率。COA脫硝裝置進、出口NOx濃度測試結果見表5。

表5 COA脫硝裝置進、出口NOx濃度測試結果

75t∕h 負荷，投運 SNCR 時，COA 脫硝裝置進口 NOx平均濃度為 92.1mg∕m3，COA 脫硝裝置出口 NOx 平均濃度為 38.6mg∕m3，COA脫硝裝置平均脫硝效率為58.1%。

56t∕h 負荷，投運 SNCR 時，COA 脫硝裝置進口 NOx平均濃度為 99.8mg∕m3，COA 脫硝裝置出口 NOx平均濃度為 42.5mg∕m3，COA脫硝裝置脫硝效率為42.6%。

37.5t∕h負荷，停運SNCR，鍋爐出口NOx平均濃度在125.6mg∕Nm3，投運SNCR時，COA脫硝裝置進口NOx平均濃度為103.6mg∕Nm3，COA脫硝裝置出口NOx平均濃度為40.3mg∕m3，COA脫硝裝置脫硝效率為61.1%。

在 SNCR+COA 脫硝同時投用，能滿足 NOx排放＜50mg∕m3，兩級脫硝效率可以達到80%以上，其中COA協同脫硝效率達到50%以上。

4 總結

（1）中溫旋風分離器循環流化床鍋爐，在控制氨逃逸小于8ppm 時，高負荷時，SNCR 脫硝效率在40%～50%，同在中低負荷時，爐膛溫度偏低，脫硝效率在15%～30%之間，脫硝效率較低。

（2）脫硝效率隨著氨氮比的增大而升高，在NSR 小于2 時，升高明顯，當氨氮比大于3以后，脫硝效率上升越來越緩慢。說明脫硝效率受到鍋爐本身結構限制，反應區溫度低、反應停留時間較短決定脫硝效率有限。

（3）在SNCR+COA脫硝同時投用，能滿足NOx排放＜50mg∕m3，兩級脫硝效率可以達到70%以上，其中COA協同脫硝效率達到50%以上。