适用循环流化床锅炉的脱硝技术

朱冲，仇云霞

(江苏科行环保科技有限公司，江苏盐城 224051)

适用循环流化床锅炉的脱硝技术

朱冲，仇云霞

(江苏科行环保科技有限公司，江苏盐城 224051)

循环流化床锅炉由于NOx排放浓度低在我国应用十分广泛，但如果不采取任何环保措施已不能满足目前的环保要求。简要分析了NOx的产生机理，通过几种脱硝技术的对比，指出循环流化床采用低氮燃烧+SNCR脱硝技术是较好的选择。

循环流化床锅炉;脱硝;低氮燃烧;SNCR

0 引言

NOx作为大气污染的重要物质，一方面可在强光作用下产生光化学烟雾，危害生态环境，另一方面NOx还是形成酸雨的主要原因。我国60%以上的能源供给由煤炭提供，煤在燃烧过程中可产生大量的有害物质，实现煤的高效清洁燃烧显得尤为重要。大气中约70%的NOx是由煤炭产生的，而热电行业产生的NOx占总排量的60%以上［1］。为促进电力行业的健康可持续发展，国家在2011年发布了最新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)，对电厂烟气排放提出了严格的要求。循环流化床锅炉由于其广泛的煤种适用性，目前在我国得到了空前发展。

1 常用脱硝技术简介

目前对燃煤电站NOx主要有低氮燃烧技术、选择性催化还原法(SCR)脱硝技术和选择性非催化还原法(SNCR)脱硝技术，下面简要介绍其原理［1－2］。

1．1 低氮燃烧技术

低氮燃烧主要从两方面考虑，一方面抑制燃料生成NOx，另一方面将已生成的NOx还原，其主要方法是通过运行方式的改进或对燃烧过程进行特殊控制，降低NOx最终排放量。

1．2 选择性催化还原法(SCR)脱硝技术

选择性催化还原法(SCR)脱硝技术，其基本原理是将含有NHx基的还原剂(氨、氨水等)在320～420℃喷入，在催化剂的作用下，迅速与烟气中的NOx反应，生成N2和H2O。

1．3 选择性非催化还原法(SNCR)脱硝技术

选择性非催化还原法(SNCR)脱硝技术，其基本原理是将含有NHx基的还原剂(氨、氨水、尿素、碳酸氢铵等)，在合适的温度窗口喷入炉膛，在无催化剂的作用下，迅速与烟气中的NOx反应，生成N2和H2O，一般认为其主要反应跟SCR类似。

2 循环流化床氮氧化物生成机理

燃煤电站NOx生成主要有热力型、快捷型、燃料型等途径［3－4］。

2．1 热力型

热力型NOx主要认为是空气中的氮在高温条件下氧化而成，其含量主要取决于温度，一般认为当温度低于1350℃时，可忽略热力型的影响。由于循环流化床锅炉正常床温控制在1000℃以下，热力型NOx很难产生。

2．2 快速型

快速型NOx是碳氢化合物燃料过多时，在反应区附近快速生成NOx，但在通常的炉温条件下，其含量占总生成量的5%以下，其影响很小。

2．3 燃料型

燃料型NOx主要是燃料中的含N化合物在燃烧过程中产生的，当燃料进入炉膛后，燃料中的一部分氮在加热过程中随挥发分释放出来，形成HCN或NH3，然后被氧化生成NO，另一部分氮残留在焦炭中，在煤加热过程中也会转化为NOx。

由此可见，循环流化床锅炉产生的NOx主要是燃料型的。

3 循环流化床脱硝技术

循环流化床燃烧是一种在炉内使高速烟气与其携带的固体颗粒物密切接触，并具有大量颗粒返混的流态化燃烧反应过程，同时将绝大部分出炉膛的固体颗粒捕捉，返回床内反复燃烧的过程。由于燃料仅占床料的1%左右，在正常的燃烧过程中，床层相当于一个大的“蓄热池”，把燃料加热到着火温度所吸收的热量只占床层总热容量的千分之几，因而对温度影响很小，同时燃料燃烧放热使炉内床料保持在一定的温度水平。

3．1脱硝技术的选择

3．1．1 SCR脱硝技术在循环流化床上的局限性

目前国内控制氮氧化物含量的主要技术当中，由于SCR烟气脱硝技术可保证较高的脱硝效率和适当的氨逃逸，在煤粉炉中运用最广，却非循环流化床锅炉的首选。归其原因主要有以下几点［5］:

(1)循环流化床对煤种适用性广，燃烧工况恶劣，产生的烟气成分复杂，烟气中碱金属和灰含量比较高，如采用SCR烟气脱硝工艺，不得不面对催化剂的堵塞和“失活”问题。

(2)循环流化床一般直接喷石灰石进行炉内脱硫，旋风分离器可将未完全反应的石灰石重新返回炉膛参与反应，从而保证较高的脱硫效率。CaO会造成催化剂“中毒”和表面堵塞，减缓使用寿命。

(3)循环流化床尾部烟道换热器布置较煤粉炉紧凑得多，空间较狭隘，省煤器的出口温度较煤粉炉低，改造难度加大。

(4)循环流化床锅炉燃烧经常更换燃用煤种或采用混煤，烟气中SO2、SO3含量很高，易在尾部烟道形成难以清除的硫酸氢铵。

3．1．2 SNCR脱硝技术还原剂的选择

SNCR烟气脱硝工艺在循环流化床上应用较多，一般循环流化床炉膛出口温度区间850℃左右，十分适合SNCR还原剂的喷入，同时旋风分离器保证了混合效果和反应充分进行，使得SNCR烟气脱硝工艺在循环流化床比煤粉炉上高得多，煤粉炉采用SNCR烟气脱硝工艺一般可以达到30%左右脱硝效率，而循环流化床可达到50%，有些甚至达到70%。同时，SNCR烟气脱硝工艺由于不需要考虑催化剂，成本较SCR工艺可节约2/3。表1中有几种还原剂现状应用的比较，其中液氨危险性较高。

循环流化床锅炉由于床温较低，正好符合氨水反应的温度区间，尿素的温度窗口在1000℃左右，在循环流化床锅炉上很难找到这样的温度窗口;其次还原剂与烟气可在循环流化床其特有的旋风分离器中充分混合，保证反应停留时间＞1s，保证了还原反应的充分进行。

表1 几种SNCR还原剂的比较

综上所述，选用氨水做循环流化床锅炉SNCR烟气脱硝工艺的还原剂具有相当大的优势。循环流化床由于低床温和本身合理的配风方式，其出口NOx浓度一般可控制在300mg/m3以下［6］，但随着实际煤种与设计煤种的偏离，燃烧工况控制不到位等因素，导致相当一部分的循环流化床出口NOx浓度偏高，有些甚至有赶超常规煤粉炉的趋势，失去循环流化床锅炉低污染排放的优势，但如果单纯采用SNCR烟气脱硝技术又无法满足出口NOx排放浓度低于100mg/m3的环保要求。可采取低氮燃烧+选择性非催化还原(SNCR)技术组合，分部降低出口烟气中的NOx含量。

3．2 循环流化床分级燃烧

循环流化床在设计时一般已考虑空气的分级燃烧，一次风保证床料的正常流化，提高二次风率可使氮氧化物含量下降。煤在燃料过程中经过干燥、挥发分的析出及燃烧、焦炭的着火燃烧等阶段，根据流态化理论，燃料的干燥和挥发分的燃烧主要在密相区进行，稀相区进行部分焦炭的着火燃烧，密相区要严格控制一次风率，使燃料在缺氧环境中燃烧，密相区还原性气氛较强，可以有效抑制燃料中NOx的生成。为保证锅炉的燃烧效率，二次风分段布置在床面以上一段距离，补充燃料燃烧所需的空气，保证锅炉的燃烧效率，也可以加强气固扰动。二次风会增加NOx含量，但密相区燃料未充分燃烧会产生大量的焦炭、CO，非均相还原反应得到加强，NOx发生还原反应，浓度下降到很低的水平。随着二次风率的增大，NOx排放明显降低［7－10］。

在满足锅炉燃烧效率的前提下，空气过量系数的降低可有效降低NOx的生成量。对于挥发分较高的煤种，燃料在密相区的燃烧份额可适当减小，降低一次风率，降低床温，增强炉内还原性气氛，使NOx含量显著下降;二次风分段布置在密相区之上一段距离，这样可适当延长燃料在密相区的反应时间，未燃尽的焦炭和CO，可促进烟气中NOx的分解，大幅削减NOx的含量。

3．3 循环流化床SNCR

氨水作为还原剂时，脱硝系统主要包括氨水的运输和储存系统，氨水输送系统，稀释计量系统和喷射系统组成［11］。

氨水一般由罐车或厂区管道输送到氨水储罐中，容量应可以保证锅炉正常运行一周的需求，氨水而后通过氨水输送到稀释系统，将氨水稀释到合理的浓度后送到喷枪。一般喷枪布置于炉膛出口烟道，此空间温度适中，通过压缩空气将氨水雾化，以保证还原剂与烟气的充分混合。

5 结论及建议

(1)NOx排放浓度较高的循环流化床锅炉，采取SNCR烟气脱硝技术已无法满足当前的环境标准，可采取低氮燃烧+SNCR烟气脱硝技术的思路。

(2)循环流化床锅炉由于其独特的烟气参数和结构，采用氨水作为SNCR烟气脱硝工艺的还原剂是比较好的选择。

(3)循环流化床空气烟气脱硝工艺过量系数的降低可有效降低NOx的生成量。运行中降低一次风率，使NOx含量显著下降;可将二次风分段布置在密相区之上一段距离，这样可适当延长燃料在密相区的反应时间，未燃尽的焦炭和CO，可促进烟气中NOx的分解，大幅削减NOx的含量。

(4)采用SNCR烟气脱硝技术一定要注意反应的温度窗口，保证还原剂与烟气充分混合，有效降低NOx含量。

［1］段传和．选择性非催化还原法(SNCR)烟气脱硝［M］．北京:中国电力出版社，2011．

［2］段传和．燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术［M］．北京:中国电力出版社，2009．

［3］卿山，王华，马林转．循环流化床锅炉氮氧化物的生成与脱除［J］．冶金能源，2005，24(3):60－62．

［4］李友荣，卢啸风，吴双应．循环流化床锅炉中NOx的生成机制及控制措施［J］．电站系统工程，2000，16(4):248－250．

［5］宋连华，刘继民，许 珩，等．循环流化床锅炉(CFB)脱硝研究［J］．山东交通学院学报，2013，21(2):77－83．

［6］骆朝晖．选择性非催化还原烟气脱硝技术(SNCR)在循环流化床锅炉上的工程应用［D］．上海:上海交通大学，2007．

［7］赵凤忠，于少杰．煤种对循环流化床锅炉运行的影响［J］．节能与环保，2007(5):30－32．

［8］宫述钧．对综合控制循环流化床锅炉SO2，NOx及N2O的探讨［J］．广东电力，2007，20(4):74－77．

［9］谢建军，杨学民，郭汉杰．循环流化床燃煤过程NO、N2O和SO2的排放行为研究［J］．燃料化学学报，2006，34(2):151－159．

［10］陈杏．低氮燃烧+选择性非催化还原烟气脱硝技术(SNCR)在循环流化床锅炉脱硝工程上的应用［J］．能源环境保护，2013，27(4):33－35．

［11］马瑞，徐有宁．SNCR法脱硝在循环流化床锅炉中的应用［J］．沈阳工程学院学报，2013，9(1):47－49．

Denitrification technology for Circulating Fluidized Bed boiler

Circulating Fluidized Bed boiler is widely used in our country due to its low pollution emission，the quality of flue gas cannot meet the current emission limit if there is no environmental protection facilities．The mechanism of NOxformation was briefly introduced．Through the comparison of several denitrification technologies，shows that low NOxcombustion+SNCR Technology is a better choice for the Circulating fluidized Bed boiler．

Circulating Fluidized Bed boiler;denitrification;low NOxcombustion;SNCR

X701．7

B

1674－8069(2015)03－015－03

2014-12-09;

2015-02-08

朱冲(1974-)，男，江苏盐城人，工程师，从事燃煤锅炉烟气脱硝设计工作。E－mail:13905109372@163．com