循環流化床鍋爐煙氣脫硝技術改造與應用

賈曉斌

（山西國峰煤電有限責任公司，山西呂梁 032200）

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

1 研究意義

根據我國環保部門頒布的《GB-13223—2011 火電廠大氣污染物排放標準》以及各地區提出的工廠煙氣脫硝改造計劃，要求各個地區的發電廠、企業加強環保建設，切實有效地落實國家提出的政策，從技術層面上研究出更加適合的脫硝處理方案。目前，我國相關規定表明要求火電廠排放的NOx排放量低于100 mg/Nm3以下，包括現役的循環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，新建的火電機組需要構建相應的脫硝裝置，改進相關的脫硝技術，并且現有的燃煤機組的脫硝裝置也要按照國家的政策和標準進行相應相關改造。

脫硝技術的基本原理是根據NO 作為還原反應的主體，其中的還原技術可分為兩種不同的反應。SCR，即選擇性催化還原技術；SNCR，即選擇性非催化還原技術。由此可見，這兩種技術都能夠參與循環流化床鍋爐的脫硝技術。但并不是每一種都適用于實際應用，具體需要根據循環流化床鍋爐煙氣排放的相關特性，進行全面的實驗分析，根據不同的要求和條件，采取理想的脫硝改造技術。

2 SCR與SNCR脫硝技術的比較

2.1 選擇性催化

SCR 技術是指在未使用催化劑的作用下，通過向上千度的高溫煙氣中噴撒還原劑，其中的氨或者尿素能夠與煙氣中的一氧化氮即刻發生反應，整個過程會生成大量的氮氣和水。雖然SCR 技術在具體的燃煤發電生產中脫硝率很高，但是存在的缺點也非常多。例如：該技術所需要的改造空間大，建設所投入的成本非常高，后期實行起來投入遠超過預算費用，并且使用的催化劑的使用壽命短，因此需要經常更換，且催化劑過多使用會影響其他設備的正常運行。

2.2 選擇性非催化還原技術

SNCR 技術是指向溫度為近400℃的煙氣中噴入還原劑NH3，在催化劑的催化還原作用下，能夠將排放的煙氣中NOx進行一系列的反應進而生成氮氣和水。SNCR 技術在實驗中的脫硝率能夠達到90%左右，應用在燃煤發電的生產中，一般情況下能夠達到75%的脫硝率，持續穩定的生產可以達到40%左右。

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

2.3 SNCR與SCR的比較結論

SNCR 與SCR 兩種脫硝技術綜合比較結果。從中可以得出，SNCR 脫硝技術無論是工程造價還是年運行費用上來說更加適合發電廠使用，能夠極大地降低成本，帶來更多的經濟效益。

此外，SNCR 技術的脫硝水平完全符合我國目前規定的煙氣排放標準，并且針對現役的發電機組中的循環流化床鍋爐的脫硝改造過程中，可以利用SNCR技術有效地節約對其他設備的改造成本，不僅省時省力，還能控制預算。由此可見，SNCR 技術應用于循環流化床鍋爐是具有極大的優勢，非常適合發電廠、相關企業使用。

3 循環流化床鍋爐脫硝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SNCR 的噴槍重新設計改造，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

對循環流化床鍋爐進行煙氣的脫硝改造，首先需要確定還原劑的噴射位置，在進行實際操作過程中，SNCR 脫硝技術的還原劑需要通過多個噴入點同時進行噴射，隨后進入到鍋爐內部，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的旋風分離器中，達到脫硝效果，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

循環流化床鍋爐的旋風分離器在運行的過程中，內部結構的氣流是混亂的，并且流場也相對來說較為復雜。還原劑通過分離器的入口噴入到煙氣中，排放出的煙氣會在分離器的內部進行回旋運動，在此過程中會形成一道中心回流區，此區域的作用是將還原劑與煙氣進行充分混合，因此來延長反應時間，確保脫硝反應更加充分，進而有效地提高脫硝效率。通常情況下，單臺鍋爐會配有兩個旋風分離器，并且每個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，促進脫硝更加充分。

3.4 脫硝還原劑的選擇

純氨作為脫硝技術的首要還原劑，當純氨進入到分離器內部后，能夠立即發生反應。同時，純氨屬于一種中性物質，因此不會對鍋爐及其他設備造成腐蝕影響。如果使用氨水作為還原劑，首先氨水需要經過一系列的物理作用進行提純操作，才能夠與氮氧化物發生反應。但經過實驗與表明，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分離器之后同樣也需要經過類似于氨水的操作原理，進行霧化和蒸發所得出的氨與氮氧化物來完成脫硝反應。但由于尿素本身無法將氨完全轉化，并且在轉化的過程中會產生其他副產物，因此，尿素作為還原劑來使用不僅有反應的滯后性，同時會產生其他的雜質，造成污染，導致脫硝效率低。雖然尿素的運行費用相對來說會高一些，但其安全性高，且無毒無害，而氨水和氨雖然運行費用較低，效率相對較高，但其穩定性較差，危險性較高。因此考慮到運輸安全、存儲安全、操作安全等因素，采用尿素作為還原劑是比較理想的。

3.5 進行脫硫改造

鍋爐在生產過程中，所使用的煤料中的硫會通過燃燒，產生會二氧化硫，此過程還會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，從而生成硫酸銨。其中的硫酸銨是一種具有腐蝕性的物質，會致使鍋爐的煙道設施受到一定程度的腐蝕。因此，需要采取相關措施，減少氨的逃逸，與此同時還需要采取煤料中的脫硫措施，最大程度上的減少鍋爐設備受到損壞。

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

3.6 保護燃煤機組設備

通常情況下，處于正常生產過程中的鍋爐一旦出現停止運轉現象，便會造成嚴重的經濟影響。為減少經濟的損失，煙氣脫硝裝置會選擇在發電機組正常運轉的情況下安裝。由于脫硝裝置的安裝區域離煙道、風道、電纜位置等較近，因此在改造的過程中，需要采取措施對相關的設施設備進行保護，避免在安裝改造過程中產生不利的影響。

4 循環流化床鍋爐低氮燃燒技術改造

4.1 分級燃燒

通過重新配風改造，以此來調整一次風、二次風的系統，以解決鍋爐中心區域氧含量不足的問題，增大氧氣燃燒的還原性，用以強化分級燃燒。在鍋爐內實行高梯度的多級配風，以此來確保送風的穿透力度，從而促進氧氣的分布量，加大氧氣的燃燒效果，降低NOx的產生量。技術改造內容：新增二次風通風口，調整二次風角度，最后引入煙氣循環至一次風。

4.2 均勻燃燒

通過改造調整煤料與返料，來解決床溫偏高、局部低氧燃燒等問題。增大催化還原區域，能夠促進床料全面燃燒。通過調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，促進其均勻燃燒，最后達到降低NOx的排放量。

4.3 控制系統模塊

通過控制煙氣中NOx的排放量，以此調節控制氨濃度及還原劑噴撒的具體位置。再設定有氮氣和氨逃逸濃度的超標準警報按鈕裝置，且該裝置屬于獨立的控制系統，同時再設置相關技術人員的工作站，以此來對每臺鍋爐的SNCR 脫硝技術進行有效的控制。

其中，還原劑噴撒系統，也能夠進行同步操作控制。當其處于正常的工作狀態中，通過定時對燃燒系統和SNCR 的相關數據進行記錄，其中包括運動狀態下的參數、相關設備的狀態等，能夠實時監測SNCR技術。因此，當設備發生故障時，系統能夠及時記錄故障信息，方便操作員能夠獲取自動儲存的信息。

5 鍋爐煙氣NOx減排技術改造

氮氧化物的排放可以通過改進燃燒的方式加以控制。其中，低氮燃燒的方法與提高爐內燃燒效率的要求背道而馳，因此這也是目前降低爐內氮氧化物所面臨的主要問題。選擇性催化還原技術能夠通過調節其工藝參數，在一定程度上有效控制氮氧化物的排放。此技術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生反應從而形成氮氣和水。但此技術所需要的成本遠高于SNCR 技術。

由于鍋爐在生產過程中會產生大量的煙氣，這些煙氣通常含有大量的顆粒，這些顆粒會堵塞催化劑床，此外還可能會產生大量的有毒物質。因此，盡管SCR 的脫硝技術是非常有力的，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，并且煙氣中灰塵會對催化劑層進行一定程度上的腐蝕，進而可能會造成污染。此外，由于現役設備的使用壽命較長，而控制氮氧化物排放的技術必須要在使用中的設備進行改造，因此所需要的成本相對較高。

國家制定的《能源發展“十三五”規劃》中明確提出，要逐步把燃煤發電系統中NOx的總體污染物排放水平調整至50 mg/m3以下。經有關試驗證明后，對兩臺130 t/h 循環流化床鍋爐的旋風分離器進行了SNCR 脫硝方法的改進，兩臺循環流化床鍋爐的總脫硝率均達到了68%，然后又對其中的一臺480 t/h 循環流化床鍋爐進行了SNCR 脫硝技術和干法技術相結合的改進，試驗得出的結果是：脫硫和脫硝效果都得到了很大的改善。

由此可見，上述實驗為燃煤發電機組的煙氣低能排放奠定了基礎。濕法脫硝的方法相較于其他燃燒后的煙氣脫硝技術來說其更具優勢，因為它能夠有效地去除煙氣中SOx和NOx，與此同時還能夠控制其他氣體及顆粒物的產生。其中，NO 是一種具有惰性特征的物質，正是由于其特殊性質，所以在工業生產中屬于一個長期存在的難題。但NO 相關衍生物，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 轉化成為NO2，然后再在特定的堿性溶液中進行脫硝技術的改造處理。

6 結語

循環流化床鍋爐中利用的SNCR 脫硝技術，可以有效地降低污染物中的NOx排放量，同時通過對污染物進行化學凈化，降低氮氧化物對大氣環境所產生的二次污染。由此可見，SNCR 是比較理想的脫硝改造技術。不過，在實施技改的過程中，仍必須充分考慮各個因素對循環流化床鍋爐的影響，以保證在機組正常運轉以及切實有效地貫徹我國環境保護政策法規的前提下，既能夠降低對環境的污染，又充分保障發電廠及相關企業的經濟效益。