CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺设计及应用

侯致福，杨玉环

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.山西普丽环境工程股份有限公司，山西 晋中 030600)

CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺设计及应用

侯致福1,2，杨玉环2

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.山西普丽环境工程股份有限公司，山西 晋中 030600)

针对某1 060 t/h CFB锅炉NOx排放浓度长期稳定在50 mg/Nm3以下的超低排放目标，设计一套处理烟气量为1 150 000 Nm3/h、初始NOx含量190 mg/Nm3，NOx排放浓度不高于50 mg/Nm3的SNCR+SCR联合烟气脱硝系统。分析当前烟气NOx主要脱除技术的原理及优缺点，对SNCR+SCR联合脱硝工艺的主要参数、工艺流程进行设计，对工艺的设计依据、原理、目标及系统主要组成部分进行阐述。经168 h试运和性能测试，NOx排放浓度平均值为33.55 mg/Nm3，满足超低排放要求。性能测试结果表明：机组90%和80%负荷下，NOx排放浓度、氨逃逸、联合脱硝效率、还原剂耗量、催化剂阻力及SO2/SO3转化率均满足设计要求和环保要求。

CFB锅炉；NOx超低排放；SNCR+SCR；烟气脱硝；设计与应用

随着环保要求日益严格，燃煤电厂烟气中SO2、NOx、烟尘等污染物的排放备受社会关注[1-3]。国办发[2014]31号《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》对火电节能减排提出严格的强制要求：东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(基准氧含量6%，烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50 mg/Nm3)，中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值。

CFB锅炉燃烧温度低，分级、分段燃烧的特点使炉内产生NOx较少，单一的SNCR脱硝技术不能长期稳定确保NOx低于50 mg/Nm3的超低排放要求，因此针对CFB锅炉本身特点，研究设计一种充分利用CFB锅炉本身优势，系统投资、运行、维护费用低，同时可长期稳定确保烟气中NOx排放浓度满足超低排放要求的脱硝工艺具有重要意义。

1 烟气NOx主要脱除技术

目前，脱除烟气氮氧化物的成熟技术主要有低氮燃烧技术、SNCR+SCR联合烟气脱硝技术、SNCR烟气脱硝技术和SCR烟气脱硝技术[4-7]。

1.1 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术主要是通过控制、调整炉膛内风量改变炉内燃烧条件以控制燃料燃烧过程中氮氧化物的生成，从而达到降低烟气中NOx排放浓度的目的。

1.2 SNCR+SCR联合脱硝技术

采用前段SNCR脱硝与后段SCR脱硝相结合的脱硝技术。该联合脱硝技术所添加脱硝催化剂量较少，对后续设备及系统的影响、新增阻力、整体投资等均介于SNCR脱硝与SCR脱硝技术之间，多用于脱硝改造工程改造空间受限的情况[6-8]。前段SNCR脱硝对烟气中氮氧化物进行初步脱除，后段SCR脱硝对烟气氮氧化物做深度脱除，同时后段SCR脱硝还可降低前段SNCR反应逃逸的氨气，降低烟气中氨逃逸的排放浓度，避免产生二次污染。

1.3 SNCR脱硝技术

SNCR烟气脱硝技术主要是在无催化剂条件下向分离器入口烟道或炉膛上部等850～1 100 ℃的温度区域喷入氨、尿素等还原剂进行选择性非催化反应来还原烟气中的氮氧化物，使其生成氮气和水，达到降低烟气中NOx排放浓度的目的。

在850～1 100 ℃条件下，SNCR烟气脱硝主要化学反应方程式如式(1)，当脱硝还原剂喷入点的温度过高时，还原剂NH3被氧化为NO，会增加烟气中NOx含量，具体化学反应方程式如式(2)[7-9]：

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(1)

4NH3+5O2→6H2O+4NO

(2)

SNCR脱硝技术主要优缺点：脱硝效率低，大机组效率一般为25%～50%，小机组效率可达70%～80%；无需添加脱硝催化剂，且反应过程中无SO3转化；对脱硝改造场地条件要求低，适用于改造条件受限、入口NOx含量低的脱硝工程。

1.4 SCR脱硝技术

SCR烟气脱硝技术是在催化剂条件下向温度300～400 ℃区域的尾部烟道内喷入氨或尿素等还原剂进行选择性催化反应来还原烟气中的氮氧化物，使其生成无害的水和氮气，降低烟气中NOx含量。主要化学反应方程式如式(3)、(4)[7-8]:

4NH3+2NO2+O2→6H2O+3N2

(3)

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(4)

SCR脱硝技术主要优缺点：脱硝效率较高，一般可达60%～90%；必须有脱硝催化剂反应模块，且要求具有300～400 ℃较佳的反应温度窗口；催化剂的存在会增加SO3转化，硫酸氢铵的生成会造成空气预热器的腐蚀、堵塞等问题。

2 SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺设计

2.1 设计依据

针对某发电厂300 MW CFB机组脱硝超低排放改造项目，选用循环流化床清洁燃烧技术和SNCR+SCR联合烟气脱硝技术相结合的方式来确保烟气NOx排放浓度长期稳定于50 mg/Nm3以下。

该300 MW CFB锅炉为亚临界中间再热、单锅筒自然循环、集中下降管、平衡通风、绝热式旋风气固分离器、循环流化床燃烧方式。锅炉的燃料为采掘矸(含风氧化煤)及洗煤厂生产的煤矸石和煤泥，燃料在循环流化床锅炉炉内燃烧过程中产生的烟气具体情况如表1所示。

表1 燃料燃烧过程烟气参数

2.2 设计原理

CFB锅炉清洁燃烧技术控制燃料燃烧过程中产生较少NOx，锅炉旋风分离器入口烟道SNCR脱硝与锅炉尾部烟道SCR脱硝联合脱硝实现对烟气中NOx的高效脱除。整个工艺中，炉内生成的NOx较少，联合烟气脱硝技术中前段SNCR脱硝对烟气中NOx进行初步脱除，后段SCR脱硝一方面利用前段SNCR脱硝的逃逸氨进行脱硝反应对NOx做深度脱除，提高整体脱硝效率，降低氨逃逸浓度，避免二次污染；同时尾部烟道催化剂上部设有SCR脱硝补喷氨喷枪可根据烟气中NOx排放情况，合理设定还原剂补喷量，确保烟气中氮氧化物长期稳定超低达标排放。

2.3 设计目标

SNCR+SCR联合脱硝系统设计目标如下[10-11]：

a.稳定运行中，烟气NOx排放浓度≤50 mg/Nm3；

b.稳定运行中，整体脱硝效率≥75%；

c.稳定运行中，氨逃逸排放浓度≤2.5 mg/Nm3；

d.装置可用率≥98%，系统主体使用寿命不小于30年。

2.4 设计参数

CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放系统的主要设计参数如表2所示。

表2 主要设计参数

注：涉及NOx的主要设计参数均以NO2计。

2.5 工艺流程

CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺流程如图1所示。整个流程中，氨水与除盐水混合溶液、辅助雾化压缩空气以及喷枪保护风均通过双流体喷枪喷至脱硝反应区域参加脱硝反应，进而脱除烟气中NOx，降低污染物排放浓度。

2.6 工艺主要组成部分

图1 CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺流程

CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放工艺中脱硝还原剂选用氨水，其主要系统设置有还原剂存储系统、还原剂输送系统、还原剂稀释系统、辅助雾化系统、喷枪保护风系统、还原剂喷射系统及其他辅助系统。

a.还原剂存储系统

脱硝还原剂为氨水，采用外购，汽运至氨水储区。还原剂存储系统为厂区各机组脱硝公用，氨水储罐体积为100 m3，罐顶部的安全阀在卸载氨水过程中起保护作用。

b.还原剂输送系统

脱硝泵将氨水由氨水储区输送至末端还原剂喷射系统，通过双流体喷枪还原剂被喷至旋风分离器入口烟道和锅炉尾部烟道催化剂上部还原剂反应区域。

c.还原剂稀释系统

d.辅助雾化系统

辅助雾化系统指引自厂区压缩空气母管的压缩空气输送至脱硝喷枪气相接口对还原剂氨水喷射起辅助雾化作用，提高还原剂对烟气的穿透力和混合均匀程度。压缩空气罐储存一定量压缩空气起缓冲作用，避免压力波动。

e.喷枪保护风系统

保护风引自厂区内流化风母管，在脱硝喷枪使用过程中用来降低烟道内外温差，减少膨胀，达到保护喷枪的目的。

f.还原剂喷射系统

由旋风分离器入口烟道氨水喷射装置和锅炉尾部烟道脱硝催化剂上部氨水喷射装置组成。每台机组4台旋风分离器，每台旋风分离器入口烟道设5支脱硝喷枪，锅炉尾部烟道催化剂上部合适温度区域前后墙或左右墙各设5支脱硝喷枪，单机共布置还原剂喷射装置30套。

测量值是否有效会影响锅炉给水、机组循环汽水的品质的真实性，因此测量值的有效性需要被验证。专家诊断系统会自动定期扫描状态值、校准历史、仪表设定值等，告诉用户当前测量值是否有效。

g.其他辅助系统

主要指电气、控制及其他公用设施。控制系统无需单独安排人员进行监视和控制，仅采用DCS控制系统集中控制对工艺系统被控对象和系统指标自动监测与调整。

3 应用效果分析

CFB锅炉SNCR+SCR联合脱硝超低排放改造完成，主要设备、各分系统调试结束后对整套系统进行热态调整试验。以某公司3号机组为例，该联合脱硝超低排放工艺的应用效果主要从系统168 h试运和系统性能测试结果两方面体现。

3.1 系统168 h运行

SNCR+SCR联合脱硝超低排放系统操作简单，数据显示准确，运行稳定，168 h试运期间机组相关参数连续运行曲线及NOx变化趋势如图2所示。

图2 SNCR+SCR联合脱硝168 h运行相关参数变化曲线

根据图2运行数据可知：在168 h试运行期间尾部湿法脱硫塔出口的氮氧化物排放浓度平均值为33.55 mg/Nm3，满足氮氧化物超低排放的要求；氨逃逸浓度小于2.5 mg/Nm3，满足环保要求。

3.2 系统性能测试

选取3号机组90%负荷及80%负荷稳定运行段内对新建SNCR+SCR联合脱硝超低排放系统的性能进行测试，该系统出口的NOx浓度、联合脱硝效率、氨逃逸浓度、还原剂用量、SO2/SO3转化率等设计参数进行测试，测试结果表明系统的主要设计参数值均满足设计要求，主要性能试验结果如表3所示。

表3 3号机组SNCR+SCR联合脱硝装置性能测试结果

注：表中NOx浓度、氨逃逸浓度均为6%O2、标态、干基条件下浓度，还原剂为25%浓度氨水；因统计表计故障，表中未给出水耗、电耗、压缩空气耗量的测试结果。

4 结论

a.1 060 t/h CFB锅炉NOx超低排放控制采用SNCR+SCR联合脱硝技术，系统168 h试运期间NOx排放浓度平均值为33.55 mg/Nm3，氨逃逸小于2.5 mg/Nm3，污染物排放浓度满足环保要求；性能测试结果表明：3号机组90%和80%负荷下，NOx排放浓度、氨逃逸浓度、联合脱硝效率、还原剂耗量、催化剂阻力及SO2/SO3转化率均满足设计要求和环保要求。

b.SNCR+SCR联合烟气脱硝技术可长期稳定确保1 060 t/h CFB锅炉NOx排放浓度满足超低排放要求(≤50 mg/Nm3)，在CFB锅炉NOx超低排放脱硝改造中具有明显优势，可为CFB锅炉脱硝超低排放工程的改造及设计提供借鉴。

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[11] 火电厂烟气脱硝工程技术规范 选择性催化还原法：HJ 562—2010[S].

Process Design and Application on Ultra Low Emission Technology with Combined SNCR and SCR Denitrification of CFB Boiler

HOU Zhifu1,2, YANG Yuhuan2

(1. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Shanxi Puli Environmental Engineering Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600, China)

A flue gas treatment system of combined SNCR and SCR denitrification technology that NOxemission concentration of long-term stability to meet no more than 50 mg/Nm3ultra-low goal for 1 060 t/h CFB boiler is designed, which handles 1.15 million Nm3/h flue gas, initial NOxcontent is 190 mg/Nm3and NOxemission concentration less than 50 mg/Nm3. The advantages and disadvantages of main flue gas denitration technology are analyzed. The main parameters and process of combined SNCR and SCR denitrification are designed. Design basis,principle,goal and main components of system are expounded. Through commissioning of 168 h and performance testing results,NOxaverage emissions concentration is 33.55 mg/Nm3, which satisfies the requirement of ultra-low emissions. The performance testing show that the NOxemission concentration,ammonia escape concentration, combined denitration efficiency, reductant consumption,catalyst resistance and SO2/SO3conversions meet design requirements and environmental requirements with 90% load and 80% load.

CFB boiler; NOxultra low emission; SNCR+SCR; flue gas denitrification; design and application

X773

A

1004-7913(2017)02-0030-04

侯致福(1986)，男，在职博士，工程师，主要从事CFB锅炉清洁燃烧及污染物控制技术研究。

2016-11-20)