基于高温烟气下CFB锅炉的SNCR脱硝工艺优化研究

张伟强，刘冠杰，张 庆，郭 涛

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 100098；2.北京市低质燃料高效清洁利用工程技术研究中心，北京 100098；3.煤基清洁能源国家重点实验室，北京 100098)

循环流化床(CFB)锅炉具有热效率较高、燃烧强度大、负荷调节范围广、燃料适应性好、调峰性能好等优点，非常适合于我国褐煤、煤泥、煤矸石的燃烧发电，近二十多年里在我国各个行业中得到了迅速的发展和推广[1]。截至2016年底，我国已投运的CFB锅炉已超过4 000台，累计总容量达1 000 GW，占全国燃煤发电机组总容量的12.1%[2]。

近些年来，随着我国经济的发展，人民群众对于生活环境质量的要求愈来愈高，我国所面临的环境保护、节能减排的压力逐年增大。为积极响应习近平主席提出的“绿水青山就是金山银山”的发展号召，2014年起，煤电行业率先推进了二氧化硫不超过35 mg/m3、氮氧化物不超过50 mg/m3、烟尘不超过5 mg/m3的超低排放改造计划[3]。2015年12月2日，国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，大幅降低发电煤耗和污染排放。在国家政策的引导下，其他行业也积极推进超低排放改造计划，对各行业的各种自备电厂的燃煤、燃气锅炉实施超低排放改造。东北某热电厂于2009年投产的两台410 t/h循环流化床锅炉必须进行改造升级以满足日益严格的环保法规，从2018年起对两台锅炉进行了SNCR脱硝技术改造。本文介绍了其中5号炉的SNCR脱硝改造后的情况、面临的问题以及后续优化SNCR脱硝工艺后的改造效果。

1 SNCR脱硝技术改造

1.1 锅炉使用情况

东北某热电公司的4、5号锅炉为上海锅炉厂有限公司设计制造的高压单汽包自然循环的SG-410/9.81-M592型循环流化床锅炉，设计锅炉效率91.7%。锅炉为П型布置，主要由汽包、悬吊式全膜式水冷壁炉膛、绝热式旋风分离器、U型返料回路以及后烟井对流受热面组成。在后烟道内按烟气流向依次布置高温过热器、中温过热器和二级省煤器，分离后的烟气由分离器中心筒出来依次通过后烟温降至135 ℃左右排出锅炉。4～5号炉目前的环保设施各配有一套石灰石炉内脱硫系统、一套SNCR脱硝系统、一套布袋除尘系统、一套炉外氨法脱硫系统。目前，SNCR脱硝系统的喷枪全部布置于旋风分离器的入口水平烟道处，于每个旋风分离器入口的两侧面布置了SNCR喷枪。目前，5号炉的氮氧化物的原始排放在超过83%BMCR时在230～260 mg/m3(标准)，采用SNCR法利用氨水溶液喷入旋风分离器入口烟道处的工艺脱硝后，目前5号炉的排放浓度在45～70 mg/m3(标准)变化，尚无法稳定达到燃煤机组的超低排放标准中对氮氧化物的指标要求。

1.2 SNCR脱硝原理及影响因素

SNCR脱硝技术即选择性非催化还原脱硝方法，在不布置催化剂的条件下，在适合脱硝反应的窗口温度区间内(最佳反应温度区间约为850～920 ℃)喷入氨基还原剂将锅炉烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水[4-5]。SNCR脱硝技术一般采用炉内喷尿素、氨水或氢氨酸等氨基化合物作为还原剂去还原氮氧化物。当温度低于1 050 ℃时，还原剂在炉内与烟气中的氮氧化物的反应占据主导地位；而在温度高于1 050 ℃时与氧反应产生新的氮氧化物的反应占据优势。由于该技术不需采用昂贵的催化剂，所以这种方法被称为选择性非催化还原法(SNCR)，以其低投资和低运行成本等多方面优势而广泛应用于电力、石化等行业的超低排放改造工程中，特别是循环流化床锅炉由于其自身的特点，旋风分离器处的温度与SNCR脱硝技术的最佳反应温度区间比较贴合，因此在CFB锅炉上SNCR脱硝技术应用十分广泛。

众多研究发现，氨基还原剂首先本身快速热解产生NH3，通过反应NH3+OH→NH2+H2O来生成NH2以继续还原NOx，NH2在SNCR脱硝窗口温度区间内选择性地与NOx快速反应。

在循环流化床锅炉中，燃料型NOx占据了氮氧化物总生成量的95%以上。CFB锅炉中SNCR法脱硝效果受负荷、氧量、炉膛温度、旋风分离器温度等因素的影响很大，因此要针对同一锅炉在不同煤种和不同负荷下采用燃烧优化调整策略来配合实现超低排放。而其中旋风分离器烟气温度场状况对于CFB锅炉SNCR脱硝效率有着直接的影响，应针对特定炉型出现的特定旋风分离器处锅炉烟气温度状况应做具体分析后，进一步优化出SNCR脱硝工艺。

1.3 两台锅炉的脱硝效果对比及可能出现的问题

东北某热电公司的4、5号CFB锅炉为上海锅炉厂有限公司设计制造的高压单汽包自然循环的SG-410/9.81-M592型循环流化床锅炉。两台锅炉都经过了类似的SNCR脱硝改造，在相同的旋风分离器入口位置增加了相同数量、相同布置形式的SNCR喷枪后，投运了同一氨水管线供给的相同流量的氨水溶液后，在高负荷状态下的脱硝效果有较大的不同。4号炉在配合合适的燃烧优化调整后可以达到超低排放；而在对5号炉经过多种方式的燃烧优化调整尝试后，始终不能稳定保持氮氧化物超低排放，氮氧化物的平均排放浓度比4号炉的排放浓度高15～25 mg/m3(标态、干基、6%氧)。

对比4号炉的旋风分离器温度场，经综合分析后发现，5号炉的旋风分离器中可能出现后燃现象。对于五号炉而言，在长期处于高负荷状态下运行时，稳定灰循环建立后出现旋风分离器出口测点位置烟气温度高于旋风分离器入口测点烟气温度的状况。在85%BMCR以上负荷下，两侧旋风分离器出口位置的两个测点的烟气温度均高于相对应的入口位置测点烟气温度的最高值，平均高约15 ℃。烟气温度在旋风分离器中出现了较为明显的上升，达到了比较高的温度水平，因此推测在旋风分离器的部分区域出现了后燃现象，从而在后燃过程中产生了新的氮氧化物。由于SNCR喷枪均布置在旋风分离器入口水平烟道处，新产生的氮氧化物未能有氨基还原剂来充分混合进行还原。虽然后燃产生的氮氧化物的总量不大，但是其浓度较高，因而使得总的烟气的氮氧化物排放值大为升高，不能满足超低排放的要求。

1.4 进一步改造方案

在对5号CFB锅炉进行二次风配比、氧量调整、松动风/返料风等多种燃烧优化调整尝试后发现，由于5号炉自身设计等原因所导致调整裕度相对较小的现实情况，燃烧优化调整等调试手段难以完全去除后燃现象的发生，5号炉在高负荷状态下的氮氧化物排放仍难以持续满足超低排放的要求。因此，需考虑优化脱硝工艺，采用在旋风分离器出口烟道安装脱硝喷枪的方式，来消除后燃现象带来的氮氧化物提升份额，以进一步优化脱硝效果。为进一步延长氨基还原剂与烟气的混合反应时间，在现场考察后采用在分离器出口垂直烟道位置加装SNCR脱硝喷枪的设计方案。由于总的烟气量并未发生变化，因此在加装脱硝喷枪后，投运脱硝系统时将通过优化调整不同位置处的喷枪氨水流量，并配合燃烧调整，在设计氨水耗量基本不变的情况下优化脱硝效果，达到超低排放效果。

2 燃烧优化调整试验

一般而言，在保证锅炉燃烧效率的前提下，通过降低锅炉炉膛出口烟气的氧量可以有效氮氧化物的生成，从而降低氮氧化物的原始排放浓度。由于5号炉在高负荷运行时因床温高而燃烧效果有所保证，因此通过同时降低一二次风的方式将氧量降低到2%～2.5%，以低氧量燃烧的方式来配合进一步优化后的SNCR工艺而实现脱硝效果。

同时，考虑到整个CFB锅炉的炉膛烟气及灰料向上流动的动力主要源于一次风，因而，特定负荷下一次风量的大小在一定程度上影响了燃料的携带率。因而在略微降低一次风后，后燃现象可能会有所削弱，在旋风分离器中产生新增的氮氧化物减小，帮助降低了氮氧化物的最终排放值[6]。

在不改变二次风量的情况下，通过调节上下二次风口的风量，增大上环二次风量的同时减小下环二次风量，将二次风送入稀相区完成燃烧，在保证燃烧效率的同时优化了炉膛空气分级燃烧，降低氮氧化物的生成量。

3 改造后的效果分析

在对5号炉实施了分离器出口垂直烟道处加装脱硝喷枪的SNCR脱硝工艺优化改造，并配合以实际的低氧量燃烧、分级送风等燃烧优化调整辅助措施后，5号炉的氮氧化物排放值在氨水耗量未增加的情况下显著降低，最终达到了<50 mg/m3(标准)的超低排放要求。

在未来应继续考虑通过优化返料系统、增加烟气再循环系统等低氮燃烧技术手段来确保该CFB锅炉在启动后全负荷状态下的超低排放要求。

4 总 结

针对东北某热电厂的410 t/h循环流化床锅炉在高负荷运行状态下可能出现后燃现象导致的旋风分离器出口烟道处的高温烟气情况，通过在旋风分离器出口垂直烟道增加脱硝喷枪的SNCR优化工艺，并辅助于低氧量燃烧、分级送风等燃烧优化调整等改造措施后，使该CFB锅炉的氮氧化物最终达到了低于50 mg /m3(标态、干基、6%氧)的超低排放要求。

虽然后燃现象在CFB锅炉中可以通过一定措施将其弱化，但对相当一部分燃料后燃现象不可避免，因此需在循环流化床锅炉的SNCR脱硝工艺中进行特殊考虑。特别是长期处于高负荷状态运行中经常出现后燃现象的CFB锅炉，在超低排放改造的脱硝设计中需要特别考虑喷枪的具体布置形式。