廖新偉

福建龍凈環(huán)保股份有限公司

1 引言

循環(huán)流化床鍋爐是近三十年來發(fā)展起來的新一代高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)，具有燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好、低NOX排放特性，爐內(nèi)高效脫硫等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。

2014年9月12日，國家發(fā)改委、環(huán)保部和能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014年～2020年）》，明確要求東部地區(qū)、中部地區(qū)、西部地區(qū)新建和在役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到或接近達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排放限值（氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別不高于50、35、10mg∕Nm3）。

選擇性非催化還原反應(yīng)（Selective Non．Catalytic Reduction，簡稱SNCR）是目前主流煙氣脫硝技術(shù)之一。SNCR 脫硝是把還原劑如氨氣、尿素稀溶液等噴入爐膛溫度為850℃～1100℃的區(qū)域,還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)生成N2和H2O。該方法以爐膛為反應(yīng)器，可通過對(duì)鍋爐進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)SNCR 脫硝。具有投資成本低，脫硝效率較高，但不同的鍋爐爐型，脫硝效率相差很大。

循環(huán)氧化吸收協(xié)同脫硝技術(shù)（Circulating Oxidation and Ab?sorption，簡稱COA）是煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過加氧化劑的氧化作用，將煙氣中NO 轉(zhuǎn)化為NO2，再與循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi)的Ca（OH）2吸收劑發(fā)生反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫硝，生產(chǎn)硝酸鈣和亞硝酸鈣。COA技術(shù)在實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫的同時(shí)可單獨(dú)用作電廠爐后的煙氣脫硝，也可與SNCR 脫硝技術(shù)組合應(yīng)用，作為煙氣NOx超低排放的工藝選配。

CFB 鍋爐爐膛煙氣出口溫度與SNCR 工藝的反應(yīng)溫度范圍正好吻合；且旋風(fēng)分離器中的煙氣流場的情況十分有利于噴入的還原劑和煙氣的良好混合，有效地停留時(shí)間可以達(dá)到1 秒以上，因此，CFB鍋爐的特別適合采用SNCR煙氣脫硝工藝；但對(duì)于中溫循環(huán)分離型的循環(huán)流化床鍋爐，旋風(fēng)分離器溫度只有400℃～500℃，SNCR噴槍布置在爐膛，反應(yīng)器時(shí)間段，混合差，SNCR脫硝效率較低。

為了達(dá)到NOx＜50mg∕Nm3的超低排放，聯(lián)合COA 協(xié)同脫硝技術(shù)，本文介紹了SNCR+COA 組合脫硝技術(shù)在中溫分離器循環(huán)流化床鍋爐的應(yīng)用，并且研究了爐膛截面的溫度、鍋爐負(fù)荷等對(duì)SNCR脫硝效率、氨逃逸參數(shù)的影響。

2 脫硝超低排放改造

2.1 鍋爐概況

某電廠75t∕h循環(huán)流化床鍋爐由原北京鍋爐廠與美國RILEY公司共同設(shè)計(jì)，自行制造的循環(huán)液化床燃煤鍋爐。鍋爐燃燒系統(tǒng)主要由爐膛、分離器、后豎井三部分組成，其中：爐膛內(nèi)部從下向上依次布置蒸發(fā)管、高低過熱器、高溫省煤器，后豎井從上向下依次布置低溫省煤器、四級(jí)空氣預(yù)熱器，爐膛與后豎井由兩臺(tái)并列中溫分離器（分離器入口設(shè)計(jì)溫度445℃～500℃）連接。

鍋爐現(xiàn)運(yùn)行工況：床溫平均控制在800℃～860℃（測點(diǎn)標(biāo)高4300mm），濃相區(qū)溫度平均控制在830℃～900℃（測點(diǎn)標(biāo)高8100mm），稀相區(qū)溫度平均控制在800℃～840℃（測點(diǎn)標(biāo)高12600mm），蒸發(fā)管集箱標(biāo)高18350mm。鍋爐冷態(tài)臨界風(fēng)流37km3∕h、滿負(fù)荷下一次風(fēng)量 42km3∕h、送風(fēng)總量51km3∕h～53km3∕h（二、三次風(fēng)量1：1）、風(fēng)室風(fēng)壓10kPa以下。鍋爐原煤含硫量≤0.7時(shí)SO2原始濃度460mg∕Nm3以下，爐內(nèi)脫硫降至200mg∕Nm3以下Ca：S 比 1.5 左右，含硫量≥1 時(shí) SO2最高原始濃度 1500mg∕Nm3左右，爐內(nèi)脫硫降至200mg∕Nm3以下Ca：S比3左右。電-袋除塵器入口粉塵原始濃度 13000mg∕Nm3，出口粉塵濃度≤22mg∕Nm3。鍋爐年運(yùn)行7200h，其中：冬季4400h、夏季2800h。

2.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

脫硝采用SNCR+COA 脫硝技術(shù)，鍋爐原始NOx濃度200mg∕Nm3，設(shè)計(jì)出口排放小于50mg∕Nm3，達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 工藝原理

CFB 鍋爐一級(jí)脫硝采用SNCR 工藝，SNCR 脫硝工藝是把還原劑尿素溶液等噴入爐膛溫度為850℃～1000℃的區(qū)域，還原劑迅速熱分解出NH3，并與煙氣中的NOX進(jìn)行反應(yīng)生成N2和H2O。

二級(jí)脫硝采用循環(huán)氧化吸收協(xié)同脫硝技術(shù)（Circulating Oxi?dation and Absorption，簡稱COA）。COA 工藝的基本原理是以循環(huán)流化床反應(yīng)器內(nèi)激烈湍動(dòng)的、擁有巨大的表面積的吸附劑顆粒作為載體，通過添加劑的強(qiáng)氧化和催化作用，將煙氣中難溶于水的NO 轉(zhuǎn)化為NO2，再與鈣基吸收劑發(fā)生中和反應(yīng)完成脫除過程。

本項(xiàng)目以亞氯酸鈉溶液作為氧化劑，亞氯酸鈉溶液與煙氣中的NO完成化學(xué)反應(yīng)生成NO2，并最終在循環(huán)流化床脫硫塔中與Ca（OH）2吸收劑中和脫除，其主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

2.4 噴槍布置

SNCR 噴槍的布置需要結(jié)合鍋爐的結(jié)構(gòu)及燃燒情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，SNCR噴槍參數(shù)選擇及噴槍位置的選取對(duì)脫硝效率的因素至關(guān)重要。本項(xiàng)目在11.2m 位置側(cè)墻各布置了4 支SNCR 噴槍，前墻布置了4 支噴槍，13mm 位置側(cè)墻布置了5 支噴槍，一共22 支噴槍。噴槍選用小流量、大粒徑的雙流體噴槍，噴槍選型霧化粒徑為200um，通過霧化粒徑的提升，溶液顆粒的動(dòng)能增加約10倍，能夠保證溶液顆粒對(duì)爐膛的穿透，實(shí)現(xiàn)均勻分布。流量變化范圍為20L∕h～50L∕h，霧化角度45°，采用壓縮空氣作為霧化介質(zhì)和噴槍冷卻介質(zhì)，霧化壓縮空氣壓力為0.2MPa～0.4MPa，冷卻壓力為0.1MPa。

在鍋爐75t∕h負(fù)荷時(shí)，測量噴槍位置溫度分別如下。第一層11.2m處、第二層13m噴槍處溫度分別見表1、表2。

表1 第一層噴槍處溫度（鍋爐11.2M標(biāo)高）

表2 第二層噴槍處溫度（鍋爐13.5M標(biāo)高）

在第一層噴槍處（11.2m 標(biāo)高），爐膛溫度低于第二層溫度，67%都不能滿足850℃要求，第二層噴槍（13m 標(biāo)高），靠前墻位置溫度在800℃一下，不能滿足850℃要求，對(duì)SNCR 脫硝效率有較大影響。

3 項(xiàng)目研究與應(yīng)用

3.1 氨氮比與脫硝效率影響

為了研究不同氨氮摩爾比對(duì)脫硝效率的影響，在分別在鍋爐負(fù)荷50%、75%、100%負(fù)荷下，投運(yùn)上下兩層共28 支噴槍，觀察氨氮比對(duì)脫硝效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。脫硝效率隨著氨氮比的升高，在NSR小于2時(shí)，升高明顯，當(dāng)氨氮比大于3以后，脫硝效率上升越來越緩慢。這表明，增大氨氮摩爾比可以提高一定的脫硝效率，但過大的NSR對(duì)于脫硝效率提升不明顯。鍋爐負(fù)荷50%、75%、100%負(fù)荷下，SNCR 脫硝效率分別是75t∕h＞56t∕h＞37.5t∕h，相同的氨氮比時(shí)，鍋爐負(fù)荷越高脫硝效率越高，這也表明在低負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度過低，溫度低于850℃，偏離了SNCR最佳的反應(yīng)溫度，脫硝效率在10%～30%之間。

圖1 在不同負(fù)荷下脫硝效率與NSR的關(guān)系圖

3.2 SNCR噴槍組合研究

在設(shè)計(jì)時(shí)，在鍋爐11.2m和13.5m處設(shè)置了兩層噴槍。為了研究不同負(fù)荷下，噴槍組合對(duì)脫硝效率及氨逃逸的影響，分別在75t∕h、56t∕h、37.5t∕h 下，氨氮比控制在 2 左右時(shí)，調(diào)整 SNCR 噴槍組合，研究脫硝效率及氨逃逸。

試驗(yàn)詳見表3，在37.5t∕h負(fù)荷時(shí)，三種噴槍組合投運(yùn)，脫硝效率均低于20%。

當(dāng)鍋爐負(fù)荷在56t∕h時(shí)，在控制氨逃逸情況下下層噴槍效率低于上層噴槍投運(yùn)，兩層噴槍同時(shí)投運(yùn)的效率最高。

在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，在控制氨逃逸情況下，脫硝效率在40%～50%之間，下層噴槍投運(yùn)的脫硝效率略高于上層噴槍投運(yùn)，兩層同時(shí)投運(yùn)的效率最高，可以達(dá)到47.6%。從而確定最佳的噴槍組合方案。

表3 在不同負(fù)荷下噴槍組合投運(yùn)脫硝參數(shù)表

根據(jù)鍋爐熱力計(jì)算資料估算，爐膛內(nèi)SNCR溫度窗口的有效高度約為4m，故噴槍布置于爐膛密相區(qū)往上區(qū)域，滿負(fù)荷時(shí)煙氣在爐膛內(nèi)的垂直方向平均流速約為5.1m∕s，則還原劑在SNCR溫度窗口的停留時(shí)間僅0.8s，同時(shí)密相區(qū)往上爐膛溫度較低，因此脫硝效率有所限制，已經(jīng)達(dá)到理論水平。

3.3 SNCR+COA組合脫硝

當(dāng)爐內(nèi) SNCR 運(yùn)行時(shí)，鍋爐出口 NOx 濃度在 80mg∕Nm3～130mg∕Nm3，此時(shí)需要COA脫硝投運(yùn)。由于鍋爐工況的波動(dòng)，NOx波動(dòng)比較大，為了兩級(jí)聯(lián)合脫硝更為穩(wěn)定，分別在75t∕h、56t∕h、37.5t∕h 負(fù)荷下，測試了兩級(jí)聯(lián)合脫硝的脫硝溶液耗量及脫硝效率。COA脫硝裝置進(jìn)、出口NOx濃度測試結(jié)果見表5。

表5 COA脫硝裝置進(jìn)、出口NOx濃度測試結(jié)果

75t∕h 負(fù)荷，投運(yùn) SNCR 時(shí)，COA 脫硝裝置進(jìn)口 NOx平均濃度為 92.1mg∕m3，COA 脫硝裝置出口 NOx 平均濃度為 38.6mg∕m3，COA脫硝裝置平均脫硝效率為58.1%。

56t∕h 負(fù)荷，投運(yùn) SNCR 時(shí)，COA 脫硝裝置進(jìn)口 NOx平均濃度為 99.8mg∕m3，COA 脫硝裝置出口 NOx平均濃度為 42.5mg∕m3，COA脫硝裝置脫硝效率為42.6%。

37.5t∕h負(fù)荷，停運(yùn)SNCR，鍋爐出口NOx平均濃度在125.6mg∕Nm3，投運(yùn)SNCR時(shí)，COA脫硝裝置進(jìn)口NOx平均濃度為103.6mg∕Nm3，COA脫硝裝置出口NOx平均濃度為40.3mg∕m3，COA脫硝裝置脫硝效率為61.1%。

在 SNCR+COA 脫硝同時(shí)投用，能滿足 NOx排放＜50mg∕m3，兩級(jí)脫硝效率可以達(dá)到80%以上，其中COA協(xié)同脫硝效率達(dá)到50%以上。

4 總結(jié)

（1）中溫旋風(fēng)分離器循環(huán)流化床鍋爐，在控制氨逃逸小于8ppm 時(shí)，高負(fù)荷時(shí)，SNCR 脫硝效率在40%～50%，同在中低負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度偏低，脫硝效率在15%～30%之間，脫硝效率較低。

（2）脫硝效率隨著氨氮比的增大而升高，在NSR 小于2 時(shí)，升高明顯，當(dāng)氨氮比大于3以后，脫硝效率上升越來越緩慢。說明脫硝效率受到鍋爐本身結(jié)構(gòu)限制，反應(yīng)區(qū)溫度低、反應(yīng)停留時(shí)間較短決定脫硝效率有限。

（3）在SNCR+COA脫硝同時(shí)投用，能滿足NOx排放＜50mg∕m3，兩級(jí)脫硝效率可以達(dá)到70%以上，其中COA協(xié)同脫硝效率達(dá)到50%以上。