循環(huán)流化床鍋爐脫硝方式選擇

1、循環(huán)流化床鍋爐脫硝方式選擇摘要：CFB機組脫硝要求和爐內運行環(huán)境與傳統(tǒng)煤粉爐存在較大差異，絕大部分 CFB機組原始NOX排放濃度在100350mg/m3，具有低NOX排放的優(yōu)勢。因此， 發(fā)揮CFB機組環(huán)保優(yōu)勢，針對性選取脫硝方式，具有重要的經濟和環(huán)境效益。關鍵詞：CFB機組；NOX排放；選??；脫硝方式引言一直以來，循環(huán)流化床鍋爐低污染物排放的特，性一直受到人們的關注，在我 國燃煤發(fā)電領域中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著環(huán)保要求的日益嚴格，污染物 排放指標要求不斷提高，新的脫硝技術不斷涌現(xiàn)。針對循環(huán)流化床鍋爐，在眾多 NOX脫硝工藝中，SNCR脫硝技術因具有投資少、占地面積小、鍋爐改動小、設 施簡

2、單、運行成本低等優(yōu)點，廣泛應用于老電廠及中小型機組的脫硝改造中。燃煤鍋爐NOX的生成機理煤燃燒過程中產生的氮氧化物主要是一氧化氮（NO）和少量二氧化氮（NO2），在煤燃燒過程中氮氧化物的生成量和排放量與煤的燃燒方式，特別是 燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件有關，主要分為熱力型、快速性、燃料型三 種。在電廠鍋爐（循環(huán)流化床）中，燃料型NOX是最主要的，其占NOX總量的 90%以上。熱力型NOX在溫度高于1500C時，空氣中氮氣和氧氣反應生成的氮氧化物即為熱力型 NOx。根據熱力型NOX的生成過程，要控制其生成，就需要降低鍋爐爐膛中燃燒 溫度，并避免產生局部高溫區(qū)，以降低熱力型NOX的生成。在循環(huán)

3、流化床鍋爐中， 燃料是低溫燃燒，因此熱力型NOX可以忽略。快速型NOx快速型NOX主要是指燃料中的碳氫化合物在燃料濃度較高區(qū)域燃燒時所產生 的烴與燃燒空氣中的N2發(fā)生反應，形成CN、HCN，繼續(xù)氧化生成的NOX?？焖?型NOx主要產生于碳氫化合物含量較高、氧濃度較低的富燃料區(qū)，多發(fā)生在內燃 機的燃燒過程。而在燃煤鍋爐中，其生成量很小。燃料3型NOx燃料中的氮化合物在燃燒過程中氧化反應而生成的NOX，稱為燃料型NOX。 燃煤鍋爐產生的NOX中大約90%以上是燃料型NOX。一般情況下，燃料型NOX的主要來源是揮發(fā)份N，其占總量的60% -80%， 其余為焦炭N所形成。煤中的N在燃燒過程中轉化為NO

4、X的量與煤的揮發(fā)份及 燃燒過量空氣系數(shù)有關。除此之外，生成的NOX在爐膛中可能被不同程度的還原， 在CFB鍋爐中，由于整體上處于還原性氣氛燃燒，而且有大量的焦炭顆粒參與循 環(huán)，NOX原始排放濃度較低。揮發(fā)分越低、燃料的反應活性越差，主循環(huán)回路中 的碳含量就越高，生成的NOX越低。這與煤粉爐恰好相反?，F(xiàn)有CFB鍋爐煙氣脫硝技術對比有關NOX的控制方法從燃料生命周期的三個階段入手，即燃燒前、燃燒中和 燃燒后。當前，燃燒前脫硝的研究很少，幾乎所有的研究都集中在燃燒中和燃燒 后的NOX控制。對于循環(huán)流化床鍋爐，目前普遍采用燃燒中NOX控制技術，通 過運行調整，控制爐膛燃燒溫度和爐膛氧含量等手段，抑制或

5、還原燃燒過程中生 成的NOX,來降低NOX排放。根據NOX具有氧化、還原和吸附特性，可采用不同的煙氣脫硝方法，可歸結 為濕法脫硝和干法脫硝兩類。濕法是氧化法，因為NO難溶于水，所以先將NO 氧化成NO2,然后使NO2溶于水變成硝酸。濕法脫硝效率高，但系統(tǒng)復雜，消耗 大量水，并可能造成水污染，目前在燃煤鍋爐上極少采用該技術。干法脫硝包括 還原法和電子束照射法等，還原法是采用還原劑與NOX反應，主要產物是N2和 水。還原法根據是否采用催化劑分為SCR技術、SNCR技術和SCR/SNCR聯(lián)用技術。 由于這些技術較為成熟、脫硝效率高、投資運行成本適中，因此成為當今世界范 圍內采用的主流煙氣脫硝技術。根

6、據文獻調研，各種脫硝技術的優(yōu)缺點比較如表1所示。表1.不同脫硝技術優(yōu)缺點比較電子加速器昂貴，電力消耗大，仍處于中試階段上述煙氣脫硝技術，主要是通過對鍋爐排放的煙氣進行處理，降低煙囪中 NOX排放。應用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原技 術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR）以及SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術。 下面就這兩種技術詳細進行介紹和對比：2.1選擇性催化還原法（SCR）選擇性催化劑還原法的系統(tǒng)主要由催化劑反應器、催化劑和氨儲存和噴射系 統(tǒng)所組成。SCR脫硝工藝是向催化劑上游的煙氣中噴入還原劑，在反應器內催化 劑的作用下，利用還原劑將煙氣中的NOX轉化為氮

7、氣和水。在通常的設計中，使 用液氨或尿素分解后的氨作為還原劑，無論以何種方式使用氨，首先使氨蒸發(fā)， 然后將氨氣稀釋后與煙氣混合，最后將其噴入SCR反應器上游的煙氣中。在鍋爐的煙氣中，NO 一般約占總的NOX濃度的95%，NO2 一般約占總的 NOX濃度的5%。在SCR反應器內，NO通過以下反應被還原：4NO+4NH3+O24N2+6H2O6NO+4NH3 5N2+6H2O圖2為典型的SCR工藝流程。在絕大多數(shù)燃煤鍋爐的煙氣中，NO2僅占NOX總量的5%，因此NO2的影響 并不顯著。一般來說，新安裝的催化劑，SCR系統(tǒng)NOX脫除效率通常很高。但隨 著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，NOX脫除

8、率會下降，氨逃逸量就會增 加。在脫硝反應過程的同時，還有不希望發(fā)生的副反應影響SCR系統(tǒng)的性能和運 行。包括氨的氧化、SO2氧化及銨鹽（如硫酸氫銨和硫酸銨）的生成。SCR催化 劑的氧化特性會將SO2氧化為SO3:2SO2+ O22SO3SO2氧化率受煙氣中SO2濃度、反應器溫度、催化劑質量、催化劑的結構設 計及配方的影響。SO3的產生率正比于煙氣中SO2的濃度。增加反應溫度也會加 快SO2的氧化，因此，為獲得高的脫硝效率和低的氨逃逸而設計的反應器內也會 產生更多的SO3。SO3與催化劑組分及煙氣組分反應，生成固體顆粒沉積在催化 劑表面或內部，縮短催化劑壽命。約在320C以下，SO3和逃逸的氨反

9、應，生成 硫酸氫銨和硫酸銨：圖2. SCR脫硝工藝流程圖NH3+SO3+H2O NH4HSO42NH3+SO3+H2O（NH4） 2SO4這些物質從煙氣中凝結并沉積，可以使催化劑失活；造成SCR系統(tǒng)的下游設 備一空氣預熱器沾污和腐蝕，增加其壓降并降低其傳熱性能。因此，SCR脫硝系 統(tǒng)對氨逃逸的控制要求較高。一般的，在采用管式空氣預熱器布置的CFB鍋爐不 具備SCR的實現(xiàn)條件。對于CFB鍋爐的運行環(huán)境來說，由于CFB鍋爐通常采用高灰劣質燃料，因此 灰渣量較高。盡管飛灰份額相對于煤粉爐低，但是煙氣中的飛灰絕對含量顯著高。 采用SCR脫硝技術時，催化劑處于高塵煙氣中，因此催化劑的壽命會受到影響， 主

10、要影響因素有：煙氣所攜帶的飛灰中含有Na、Ca、Si、As等成分時，會使催化劑中毒 或受污染，從而降低催化劑的效能。飛灰對催化劑反應器的磨損。飛灰將催化劑通道堵塞。高活性的催化劑會促使煙氣中SO2氧化成SO3, NH3和SO3反應生成酸 性硫酸銨，從而會堵塞催化劑和空氣預熱器。2.2選擇性非催化脫硝法（SNCR）SCR技術運行成本主要受催化劑壽命的影響，一種不需要催化劑的選擇性還 原工藝應運而生，這就是選擇性非催化還原技術。該技術是用NH3、尿素等還原 劑噴入爐內與NOX進行選擇性反應，不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。 還原劑噴入爐膛溫度為8501100C的區(qū)域后，受熱迅速熱分解成NH

11、3并與煙氣 中的NOX進行SNCR反應生成N2。研究發(fā)現(xiàn)，在7001100C溫度范圍內、在無 催化劑作用下，NH3或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOX，基本上 不與煙氣中的O2作用，據此發(fā)展了 SNCR法。該方法首先是在室燃爐中開發(fā)的， 由于室燃爐的煙氣流動過程中有受熱面，煙氣溫度逐漸下降，而該反應在700C 后以下時反應緩慢，考慮到反應時間的需要，噴入位置通常在1100C左右的區(qū)域， 經過需要的反應時間（一般在0.6秒左右）后，溫度基本下降到700C左右。CFB 鍋爐中，由于爐膛出口之后燃燒反應基本完成，煙氣中的氧氣含量趨于穩(wěn)定，但 仍然有850950C的恒溫環(huán)境，在此恒溫環(huán)境下煙

12、氣有大約23秒的停留時間， 為SNCR提供了良好的反應環(huán)境。在7001100C范圍內，NH3或尿素還原NOX的主要反應為：NH3為還原劑：4NH3+4NO+O24N2+6H2O尿素為還原劑：（NH2）2CO 2NH2+CONH2+NON2+6H2O2CO+2NO N2+6CO2由于煤粉爐中采用SNCR的煙氣溫度處于變化狀態(tài)，在最佳反應溫度區(qū)的煙 氣停留時間比較短，甚至尿素的完全分解存在困難，因此通常采用氨作為還原劑， 而且脫硝效率比較低，一般在4050%，氨逃逸比較高一些。在CFB鍋爐中，爐 膛出口至分離器出口煙氣基本上處于850950C的恒溫狀況，停留時間較長，一 般為23秒，這為SNCR的

13、實現(xiàn)提供了良好的環(huán)境。在此區(qū)域內，煙氣與循環(huán)物 料的氣固兩相流實現(xiàn)分離，氣體與氣固之間混合劇烈，為還原劑和煙氣中的NOX 均勻混合接觸提供了條件。尤其是燃煤循環(huán)流化床鍋爐的循環(huán)物料以燃料中的灰 為主，而燃料灰是富含鐵、鎳、鋁、鈦等金屬化合物的多孔介質，這些金屬化合 物對于氨或尿素還原NOX具有顯著的催化作用，多孔介質為還原反應提供了活性 位，這樣就使得無外加催化劑的還原反應反應具有強烈的選擇性催化反應特性， 從而可以實現(xiàn)無催化劑消耗的SCR。這些優(yōu)越的反應條件，使得CFB鍋爐的SNCR 效率明顯高煤粉爐，可以在相同的氨氮比條件下將脫硝效率提高到80%以上。若 進一步提高脫硝效率，要重點考慮氨逃

14、逸。引起SNCR系統(tǒng)氨逃逸的原因有個，一是由于噴入點煙氣溫度低影響了還原 反應的進程；另一種是噴入的還原劑過量或還原劑分布不均勻。還原劑噴入系統(tǒng) 必須能將還原劑噴入到爐內最有效的部位，設法使噴入的還原劑與煙氣良好地混 合。根據CFB鍋爐的燃燒和結構特點，分離器內部煙氣混合強烈，煙氣停留時間 長，燃燒溫度正好處于脫硝反應最佳溫度場，分離器入口區(qū)域成為SNCR系統(tǒng)還 原劑噴入的絕佳位置。典型的SNCR系統(tǒng)煙氣脫硝由下面四個基本過程完成：（1）接收和儲存還原劑；（2）還原劑的計量輸出、與水混合稀釋；（3）在鍋爐合適位置注入稀釋后的還原劑；（4）還原劑與煙氣混合進行脫硝反應。3鍋爐煙氣脫硝工藝的方案選

15、擇對于CFB鍋爐，脫硝工藝方案的選擇考慮以下幾方面因素：（1）NOX排放濃度和排放量必須滿足國家和地區(qū)的環(huán)保要求；（2）根據鍋爐的實際NOX排放情況盡量減少脫硝裝置的建設投資；（3）脫硝工藝要做到技術成熟、設備運行可靠，不影響鍋爐機組的運行安全;（4）脫硝裝置應布置合理；（5）脫硝還原劑要有穩(wěn)定可靠的來源；（6）脫硝工藝還原劑、水和能源等消耗少，盡量減少運行費用；（7）檢修和維護費用小。對SNCR與SCR脫硝工藝進行技術和經濟比較：表2.脫硝工藝的比較與SCR脫硝技術相比，SNCR脫硝技術具有投資少、運行費用低、周期短的特點，結合低氮 燃燒技術，即能保證脫硝效率，又能降低運行費用，一般推薦CFB鍋爐采用SNCR煙氣脫硝 技術。結論機組脫硝要求和爐內運行環(huán)境與傳統(tǒng)煤粉爐存在較大差異，CFB鍋爐燃用低熱值高灰 分燃料，尾部灰濃度遠高于煤粉鍋爐，催化劑使用壽命會降低，將使SCR脫銷裝置運行費用 增加較大。由于催化劑的加入會將SO2氧化為SO3并與逃逸氨反應生成硫酸氨和硫酸氫銨， 易造成空預器積灰堵塞和腐蝕且系統(tǒng)阻力增加較大，影響機組運行安全。踽技術適用于CFB機組。首先，其爐膛出口溫度一般在85