浅谈循环流化床锅炉脱硝超低排放技术路线

郑合飞　焦建忠

（山西漳电大唐热电有限公司，山西 大同 037003）

【摘　要】循环流化床锅炉实施超低排放标准时，由于燃烧特点不同于煤粉炉，脱硝的工艺可以不同于煤粉炉，从而使企业减少投资优化技术达到排放标准。

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关键词 循环流化床锅炉；脱硝；超低排放

【Abstract】Circulating fluidized bed boiler of ultra-low emission standards， the combustion characteristics different from pulverized coal boiler， the process of denitrification can be different from a pulverized coal furnace， so as to make the enterprise to reduce the investment optimization technology to achieve the emission standard.

【Key words】Circulating fluidized bed boiler；Denitrification；Ultra-low emission

1　国家形势

随着我国工业化进入到深水区，我国环境情况也在最近几年交易区有了很大的变化，京津冀雾霾影响着人的健康、城市的文明水平。十八大充分体现了以人为本的基本精神，将生态文明建设写入报告，并多次提及15次之多。2015年1月1日将执行新的《环境保护法》把环境保护提升到基本国策的高度。

我国国家环保部《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014 对电厂锅炉烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放限值进行了明确规定。据统计，我国烟尘排放量的70%，二氧化硫排放量的90%，氮氧化物排放量的67%都来自燃煤。作为燃煤大户的火电厂贡献率比重最大，因此，治理电厂的污染物排放将变的尤为重要。本文主要对大型循环流化床锅炉的氮氧化物排放控制措施进行讨论。

2　传统上电厂燃煤锅炉在脱硝上采取的工艺

目前火电厂应用的脱硝手段有三种：低氮燃烧脱硝、选择性催化还原法(SCR)脱硝和非选择性催化还原法(SNCR)脱硝。低氮燃烧脱硝目前在300兆瓦以上新建机组都有应用，但脱除效率比较低，低氮燃烧技术能使电厂烟气中氮氧化物的浓度达到300~400毫克/立方米，在这种情况下，再利用SCR脱硝就可以达到100毫克/立方米以下。两者配合使用，催化剂的效率可达70%~80%，对于实现新标准的限值是比较可行的。

2.1　低氮燃烧技术

从氮氧化物的生成机理看，占氮氧化物绝大部分的燃料型氮氧化物是在煤粉的着火阶段生成的，因此，通过特殊设计的燃烧器结构以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将前述的空气分级、燃料分级和烟气再循环降低氮氧化物浓度的大批量用于燃烧器，以尽可能地降低着火氧的浓度适当降低着火区的温度达到最大限度地抑制氮氧化物生成的目的，这就是低氮氧化物燃烧器。目前主要有以下几种：

1）低过量空气燃烧；

2）空气分级燃烧；

3）燃料分级燃烧；

4）烟气再循环；

5）低氮氧化物燃烧器。

低氮燃烧技术优势。低氮燃烧技术是根据氮氧化物的生成机理，主要通过采用空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环和低氮燃烧器等方法降低煤粉燃烧过程中氮氧化物的生成量的技术。这类技术具有相对简单，投资、运行费用较低等特点，是经济、有效的技术措施，同时大幅度地降低二次循环污染。

2.2　SCR脱硝技术

在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（SCR）是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。在日本、欧洲、美国目前约有300套装置，我国随着生态文明建设的要求，电厂锅炉使用SCR 方法已成为目前脱硝比较成熟的主流技术。

2.2.1　SCR法烟气脱硝原理

在催化剂作用下，向温度约280℃～420℃的烟气中喷人氨，将N0还原成N2和氮氧化物。由于该反应没有产生副产物，并且装置结构简单，适合于处理大量的烟气。

2.2.2　SCR烟气脱硝工艺的影响因素

催化剂、温度环境及空气流速无疑是SCR设计的三要素；当前流行的成熟催化剂有蜂窝式、波纹状和平板式等。当前各种催化剂活性成分大部分为WO3和V2O5。如果反应区温度太低，催化剂的活性降低，脱硝效率下降，则达不到脱硝的效果。催化剂按温度分为三类：高温催化剂345℃～590℃、中温催化剂260℃～380℃及低温催化剂80℃～300℃。目前，国内外SCR系统大多采用高温催化剂，反应温度在315℃～400℃。除了温度的影响，空气流速对催化剂性能的影响也是重中之重，烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR 的一个关键设计参数，烟气体积流量与SCR反应塔中催化剂体积比值， 反映了烟气在SCR 反应塔内的滞留时间的长短。烟气的空塔速度越大，其停留时间越短。一般SCR 的脱硝效率将随烟气空塔速度的增大而降低。

另外，根据锅炉烟气中的粉尘浓度大小，SCR布置可设计为高粉尘浓度的及低粉尘浓度的，这两种工艺特点将影响到工程的技术路线及造价，如何选择设计是影响脱硝效率及设备可靠性的主要因素。

2.3　SNCR脱硝技术

SNCR技术是目前世界上除SCR法外应用最多的一种脱硝技术，全世界大约有300套SNCR装置应用于电厂锅炉、工业锅炉、市政垃圾焚烧炉和其他燃烧装置。该技术脱除氮氧化物的机理简单，在反应温度为850-950℃条件下，利用氨或尿素等还原剂分解成的自由基NH3和NH2，将氮氧化物@还原为N2和H2O。

SCR工艺具有不改变原有炉型、投资费用较低、工程建设周期短等优点，主要设备为溶解系统、混合系统、输送系统、喷射系统及控制系统。但是氨逃逸率高，脱硝效率低，所以为了克服这些缺点，国内外一些电厂常把SNCR技术和SCR技术组合在一起应用，以达到脱硝目标。

3　循环流化床锅炉在超低排放中的探索

3.1　循环流化床锅炉的燃烧特点

循环流化床锅炉是燃料范围适应性较大的低污染清洁燃烧技术。其具有燃烧温度低850~900℃、烟气中污染气体排放浓度低等优点，在当今日益严峻的能源枯竭和生态保护要求下，在我国得到了迅速的发展目前机组最大等级为600MW。

在锅炉燃烧过程中，氮氧化物的生成可分为温度型氮氧化物（包括快速温度型）和燃料型氮氧化物。

温度型氮氧化物是指燃烧过程中空气含的氮气，在高温下（1500℃以上）产生的氮氧化物，它随温度的升高而急剧生成。另外，氧气的浓度越高，氮氧化物的生成量就越高。综上所述，影响温度型氮氧化物的生成量，主要影响因素是温度、氧气浓度和停留时间。CFB炉的燃烧温度在850~900，所以基本上没有温度型氮氧化物的产生。

燃料型氮氧化物是指燃料中的N，在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物，而燃料型氮氧化物的生成量只占煤中N的产物的60％，其余大部分为N2和NH3，且燃料型氮氧化物的生成温度范围在600~800℃。由于燃烧中碳粒子的存在及NH3的生成，它们又是氮氧化物的良好的还原剂，特别是在850~950℃范围内。

根据上述分析，要想降低氮氧化物的排放量，一是要控制低温燃烧（CFB炉的燃烧温度在850~900℃，正是脱硫的最理想的温度范围）；二是要采用分级燃烧。所谓分级燃烧，就是让燃料在床层中空气（即一次风）稍微不足的条件下燃烧（称为一级燃烧），这时由于空气不足，一次风只能供部分燃料燃烧，产生大量碳粒和NH3与烟气混合，进而将氮氧化物还原成H2、N2，这时再在床层上方适当位置送入二次风，以保证氮氧化物的分解反应充分完成（称为二级燃烧）。CFB炉则很好的满足了这些要求，从而使烟气中的氮氧化物含量在40~150mg/m3（而同煤种的PC炉，则在300~450mg/m3）。

3.2　循环流化床锅炉脱硝工艺选择分析

1）对于循环流化床锅炉来说，燃烧温度在850~900，所以基本上没有温度型氮氧化物的产生，只有燃料型氮氧化物产生，经过多层燃烧的燃烧方式，有很好的抑制氮氧化物的生成的作用，使锅炉的排放值更低，增加全容量的SCR脱硝方式将会增加较高的成本，是不经济的选择。因此，大型循环流化床锅炉可优化完善二次风等燃尽风配风方式，将锅炉内部就将一次燃烧区的氮氧化物还原一部分，降低60%~70%，再安装一套SNCR脱硝装置，降烟气氮氧化物降低65%~70%，最终排放将满足超低排放标准50/mg/m3。

2）成本分析

通过对具有代表性的燃煤电厂进行的脱硝情况调研，认为新建烟气脱硝装置的初始投资成本主要由3个部分构成：（1）脱硝装置建设安装费用；（2）配风优化费用；（3）氨贮存和管道建设费用。后期运行时还将增加原剂购买费用。

2014年部分地区颁布的新标准规定重点区域的氮氧化物排放限值为50mg/m3，根据调研得到的相关数据对我国已运行电厂的烟气脱硝技术的投资费用进行了计算，每台锅炉SNCR装置费用约2000~3000万元，配风优化改造费用约1000~1500万元。

4　总结与展望

《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014对火电厂氮氧化物的排放已做出严格限制规定，部分省针对区域的污染情况及经济发展情况，又制定了更严格的排放标准——超低排放，因此企业的环保排放不但要满足国家标准更要符合产业政策，相对于以前的粗放型、污染型经济已经不满足现在的社会形势。企业要想生存、要发展就必须考虑环保要求，企业不管是建设新项目还是对原有的设备进行改造，一定要有前瞻性，而对于大型的循环流化床锅炉电厂来说，一方面改造要有效果，另一方面，改造的投入要合理，采用优化二次风加SNCR的改造方式，是利用锅炉燃烧特性的一种方式，能够满足使用要求，并为企业节约大量资金。

［责任编辑：刘展］