陳建全， 高彬彬， 高建強(qiáng)

（1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.同煤國電王坪發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

燃用煤矸石循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝方案研究

陳建全1，2， 高彬彬1， 高建強(qiáng)1

（1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.同煤國電王坪發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000）

通過對比低氮燃燒技術(shù)、SNCR脫硝技術(shù)、SCR脫硝技術(shù)以及SCR-SNCR脫硝技術(shù)，對燃煤矸石的循環(huán)流化床鍋爐脫硝方案進(jìn)行了分析，建議對于只需滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的機(jī)組可采用低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)，對于要滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)（NOX排放低于50 mg/m3）的機(jī)組可采用低氮燃燒+SCR-SNCR混合脫硝技術(shù)。

煤矸石；循環(huán)流化床；脫硝；鍋爐

0 引言

CFB（循環(huán)流化床）燃煤發(fā)電鍋爐具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、污染物排放低、運(yùn)行穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。對于煤矸石的綜合利用與發(fā)電，CFB被認(rèn)為是最為適宜的技術(shù)之一。

雖然我國煤矸石儲量豐富，但由于其質(zhì)地硬、密度大、熱值低、不易燃燒等特點(diǎn)，采用常規(guī)煤粉燃燒技術(shù)，燃用煤矸石發(fā)電是極其困難的。而CFB鍋爐則完全可以適應(yīng)這種低熱值煤。目前，我國已經(jīng)規(guī)劃建造了多個以煤矸石為燃料的CFB鍋爐發(fā)電機(jī)組，最大單機(jī)容量達(dá)到了350 MW。

燃用煤矸石CFB鍋爐采用爐內(nèi)噴石灰石脫硫，可以降低煙氣排放的SO2濃度，同時(shí)由于爐內(nèi)燃燒溫度不高，采用分級配風(fēng)方式，其煙氣中的NOX濃度也較低。然而，隨著國家對電站鍋爐煙氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，燃用煤矸石的CFB鍋爐煙氣污染物達(dá)標(biāo)排放問題，是發(fā)電廠面臨的又一新的挑戰(zhàn)。

2011年我國頒布了GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求自2014年7月1日起現(xiàn)有CFB機(jī)組排放的煙氣中氮氧化物濃度不大于200 mg/m3，新建CFB機(jī)組不大于100 mg/m3[1]。2014年印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014—2020年）》中[2]，要求和鼓勵新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10，35，50 mg/m3，實(shí)現(xiàn)燃煤發(fā)電機(jī)組的超低排放。

目前，燃煤矸石大型CFB鍋爐排煙NOX濃度通過運(yùn)行調(diào)整一般可控制在200 mg/m3以內(nèi)，但如果要實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)，則必須根據(jù)機(jī)組的實(shí)際特點(diǎn)，研究和應(yīng)用適宜的技術(shù)，對CFB鍋爐進(jìn)行改造升級。

1 CFB鍋爐脫硝技術(shù)分析

燃煤鍋爐中NOX的生成途徑主要可分為3種：熱力型、快速型和燃料型[3]。熱力型NOX的生成溫度一般要求1 500℃以上，而CFB鍋爐爐內(nèi)溫度在1 000℃以下，因此熱力型NOX的含量很少?？焖傩蚇OX的生成條件為低氧、燃料富余，而CFB鍋爐內(nèi)的空氣過剩系數(shù)一般在1.2以上，不滿足快速型NOX的生成條件。燃料型NOX主要由燃料中的含氮化合物在加熱過程中，伴隨揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒形成。因此，CFB鍋爐生成的NOX主要是燃料型NOX，其含量常超過95%[4]，主要包括：揮發(fā)分燃料燃燒階段形成的NOX和焦炭燃燒階段形成的NOX。

目前，控制CFB鍋爐NOX排放的技術(shù)主要有以下幾種。

1.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)主要是通過運(yùn)行方式的改進(jìn)或?qū)θ紵^程進(jìn)行特殊控制，一方面抑制燃料生成NOX，另一方面將已生成的NOX還原，最終降低NOX排放量[5]。主要方法包括：

（1）低氧燃燒。通過降低過量空氣系數(shù)，以利于還原性氣氛的形成，減少NOX的生成[4]。

（2）強(qiáng)化分級配風(fēng)。流化床鍋爐本身就是分級配風(fēng)，但需根據(jù)煤種不同合理調(diào)整一、二次風(fēng)的風(fēng)量及風(fēng)速，避免產(chǎn)生局部高溫。

（3）燃料再燃。在旋風(fēng)分離器入口前再送入一股氣體燃料，由于氧量不足會形成還原性氣氛，將NOX還原為N2[6]。

1.2 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR（選擇性催化還原）脫硝技術(shù)是指在無催化劑的作用下，在最佳反應(yīng)溫度850～1 000℃之間噴入還原劑，將煙氣中的NOX還原為無害的N2和H2O。該技術(shù)一般采用爐內(nèi)噴氨或尿素作為還原劑還原NOX，其主要反應(yīng)式為[7]：

1.3 SCR脫硝技術(shù)

SCR（選擇性催化還原）脫硝技術(shù)的原理是在催化劑（V2O5/TiO2）的作用下，在最佳的催化溫度300～400℃之間，用還原劑氨（NH3）與NOX反應(yīng)生成無害的N2和H2O，一般將SCR反應(yīng)器置于省煤器后、空氣預(yù)熱器之前。其主要反應(yīng)式如下[7]：

1.4SCR-SNCR脫硝技術(shù)

SCR-SNCR混合脫硝技術(shù)是結(jié)合了SNCR法的經(jīng)濟(jì)性和SCR法的高效而發(fā)展起來的一種脫硝工藝[8]，其流程是：先將還原劑噴入爐膛，在高溫下還原劑與煙氣中的NOX發(fā)生還原反應(yīng)，初步脫硝后，未反應(yīng)完全的還原劑進(jìn)入設(shè)在省煤器與空預(yù)器之間的SCR反應(yīng)器，在有催化劑參與的情況下進(jìn)一步脫除NOX。

以上各種脫硝技術(shù)特點(diǎn)的對比詳見表1、表2。

表1 不同脫硝技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)比較

2 脫硝方案選擇

對于燃煤矸石CFB鍋爐脫硝技術(shù)的選擇，不應(yīng)采取一刀切的方式，而應(yīng)結(jié)合不同地區(qū)、機(jī)組新舊程度以及煤質(zhì)等因素采用不同的脫硝技術(shù)。

2.1 滿足GB 13223-2011標(biāo)準(zhǔn)的改造方案

要滿足GB 13223-2011的排放標(biāo)準(zhǔn)，老機(jī)組需將NOX的排放量降至200 mg/m3以下?，F(xiàn)有的300 MW燃煤矸石CFB鍋爐NOX排放量一般在200 mg/m3左右[11]，只需選擇合適的低氮燃燒方法進(jìn)行改造，即可滿足要求。

對于NOX的排放量要求在100 mg/m3以下的新建機(jī)組，以及通過低氮燃燒改造仍不能滿足排放要求的老機(jī)組，可在低氮燃燒的基礎(chǔ)上加裝SNCR脫硝裝置。一般而言，CFB鍋爐在旋風(fēng)分離器處的溫度為800～950℃，恰處于SNCR脫硝技術(shù)的最佳反應(yīng)溫度區(qū)間；此外，高溫?zé)煔庠谛L(fēng)分離器內(nèi)形成強(qiáng)烈的渦流，將SNCR噴槍布置于旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道上，既能保證還原劑與煙氣充分混合，又能保證有足夠長的停留時(shí)間。這種脫硝方式的效率可達(dá)60%以上。

表3為某240 t/h的CFB鍋爐[12]在采用燃料再燃+SNCR脫硝技術(shù)后NOX的排放濃度，其結(jié)果達(dá)到了GB 13223-2011標(biāo)準(zhǔn)的限值要求，且對整個鍋爐機(jī)組的影響較小。

表2 不同脫硝技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能比較[9-10]

表3 燃料再燃+SNCR脫硝技術(shù)性能指標(biāo)

2.2 滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)的改造方案

若要滿足超低排放要求，NOX的排放需低于50 mg/m3，采用低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)已經(jīng)無法滿足要求。由前文分析，結(jié)合表2可知，SCR和SCR-SNCR脫硝技術(shù)均具有較高的脫硝效率。如采用SCR脫硝技術(shù)，一方面催化劑容易中毒和磨耗[13]，另一方面SO3含量的增加會對下游設(shè)備造成堵塞和腐蝕，影響系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。且SCR脫硝技術(shù)的催化劑用量大，占用空間較大，需要對空預(yù)器及引風(fēng)機(jī)等進(jìn)行改造，難度大、工期長、初投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較大。因此單獨(dú)采用SCR脫硝技術(shù)不適用于燃煤矸石的CFB鍋爐。

而SCR-SNCR脫硝技術(shù)催化劑用量少，中毒和磨損帶來的損失小，占用空間小，改造難度也減小，且氨逃逸量也較小，減輕了對下游設(shè)備的影響，既結(jié)合了SNCR和SCR的優(yōu)點(diǎn)，又減少了SNCR和SCR的缺點(diǎn)。采用SCR-SNCR脫硝并結(jié)合低氮燃燒技術(shù)，脫硝效率可達(dá)90%以上，完全可以滿足超低排放的要求。同時(shí)在工程改造中可以預(yù)留一部分空間，當(dāng)排放達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以直接在此加裝催化劑，減小工程改造的難度與風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

脫硝技術(shù)的改造可以遵循低氮燃燒→低氮燃燒+SNCR→低氮燃燒+SCR-SNCR的技術(shù)路線，當(dāng)前一項(xiàng)不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在原有脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步的脫硝改造。對燃煤矸石CFB鍋爐脫硝改造提出以下建議：

（1）對于現(xiàn)有或新建的非敏感（只需滿足GB 13223-2011標(biāo)準(zhǔn)）地區(qū)的燃煤矸石CFB機(jī)組可采用低氮燃燒技術(shù)或低氮燃燒+SNCR脫硝技術(shù)。

（2）對于敏感（需滿足超低排放要求）地區(qū)的燃煤矸石CFB機(jī)組可采用低氮燃燒+SCR-SNCR混合脫硝技術(shù)。

[1]GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011．

[2]中華人民共和國發(fā)展改革委，環(huán)境保護(hù)部，國家能源局.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014—2020年）[Z]. 2014.

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（本文編輯：張 彩）

Research on Flue Gas Denitration Scheme for Coal Gangue CFB Boiler

CHEN Jianquan，GAO Binbin，GAO Jianqiang
（1.School of Energy，Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding Hebei 071003，China；2.TGP Wangping Power Generation Co.，Ltd.，Shuozhou Shandong 036000，China）

By comparing low-nitrogen combustion technology，SNCR denitration technology，SCR denitration technology and SCR-SNCR denitration technology，the paper analyzes the denitration scheme for coal gangue CFB（circulating fluidized bed）boiler and suggests boilers that only meet the"Emission Standard of Air Pollution for Thermal Power Plants"adopt low-nitrogen combustion plus SNCR denitration technology；for boilers that must meet the ultra-low emission standard（NOXemission lower than 50 mg/m3）can adopt an integrated denitration technology of low-nitrogen combustion plus SCR-SNCR.

coal gangue；CFB；denitration；boiler

X773

：B

：1007-1881（2016）05-0038-04

2016-11-05

陳建全（1967），男，高級工程師，主要從事發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)行管理工作。