高玉新，鄒天舒，叢日成

（1.國(guó)家電力投資集團(tuán)東北公司，遼寧 沈陽 110001；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

研究與應(yīng)用

CFB鍋爐采用ROFA＋Rotamix技術(shù)降低SO2和NOx排放的應(yīng)用研究

高玉新1，鄒天舒2，叢日成2

（1.國(guó)家電力投資集團(tuán)東北公司，遼寧 沈陽 110001；2.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

大連泰山熱電有限公司鍋爐采用爐內(nèi)添加石灰石的方式進(jìn)行脫硫，脫硫效率很低，未設(shè)脫硝設(shè)備，排放煙氣中SO2和NOx濃度達(dá)不到國(guó)家環(huán)保排放要求。經(jīng)研究決定采用ROFA＋Rotamix技術(shù)降低SO2和NOx排放濃度。改造后，鍋爐帶負(fù)荷能力不變，著火穩(wěn)定，燃燒完全，爐內(nèi)溫度場(chǎng)及熱負(fù)荷分布均勻，經(jīng)測(cè)試SO2排放濃度在200 mg／Nm3以內(nèi)，NOx排放濃度在100 mg／Nm3以內(nèi)，滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。

循環(huán)流化床鍋爐；ROFA＋Rotamix；脫硫脫硝

大連泰山熱電有限公司2臺(tái)135 MW機(jī)組循環(huán)流化床鍋爐（CFB）于2005年年底投入商業(yè)運(yùn)行，鍋爐采用爐內(nèi)添加石灰石的方式進(jìn)行脫硫，但脫硫效率很低，未設(shè)有脫硝設(shè)備，排放的煙氣中SO2和NOx濃度達(dá)不到國(guó)家環(huán)保排放要求。

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，至2014年7月1日，現(xiàn)有循環(huán)流化床鍋爐SO2、NOx排放濃度在200 mg／Nm3以下。目前大連泰山熱電有限公司2臺(tái)CFB鍋爐SO2和NOx排放濃度均在200 mg／Nm3以上，嚴(yán)重超標(biāo)。為了使SO2、NOx排放濃度滿足排放要求，脫硫脫硝改造勢(shì)在必行。

1 設(shè)備概況及電廠現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備概況

大連泰山熱電有限公司440 t／h CFB鍋爐采用超高壓參數(shù)中間再熱機(jī)組設(shè)計(jì)，鍋爐采用循環(huán)流化床燃燒技術(shù)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

鍋爐脫硫方式為爐內(nèi)添加石灰石粉，在爐膛高溫下石灰石可充分發(fā)生焙燒反應(yīng)，使碳酸鈣分解為氧化鈣，氧化鈣與煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫進(jìn)行鹽化反應(yīng)，生成硫酸鈣，以固體形式排出從而達(dá)到脫硫目的。鍋爐設(shè)計(jì)燃用黑龍江煙煤，目前改燒霍林河褐煤，平均含硫量在0.3%左右，最大燃煤量達(dá)到98～110 t／h。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 電廠現(xiàn)狀

大連泰山熱電有限公司位于大連市中心，廠地小，承擔(dān)著冬季市區(qū)供熱的任務(wù)。由于廠區(qū)可利用面積有限，2臺(tái)鍋爐均采用爐內(nèi)添加石灰石方式進(jìn)行脫硫，均未安裝脫硝系統(tǒng)設(shè)備。2臺(tái)鍋爐SO2排放濃度為370 mg／m3、NOx排放濃度為350 mg／m3，超出國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)且脫硫效率僅為50%～60%，同時(shí)石灰石接卸能力嚴(yán)重不足，沒有儲(chǔ)存?zhèn)}，雙機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)石灰石燒空現(xiàn)象，入爐石灰石投加系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)不合理、出力不足、故障較多、無備用等問題，造成脫硫系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定［1］。因此，環(huán)保問題將制約公司的可持續(xù)發(fā)展，為了解決以上問題決定對(duì)1號(hào)鍋爐進(jìn)行脫硫脫硝改造。

2 脫硫技術(shù)選擇

2.1 脫硫技術(shù)選擇

目前循環(huán)流化床鍋爐采用的脫硫技術(shù)，主要以燃燒中脫硫和燃燒后脫硫?yàn)橹鳎饕摿蚣夹g(shù)主要有爐內(nèi)噴入石灰石脫硫、濕式石灰石—石膏法脫硫、半干法煙氣脫硫、爐內(nèi)脫硫＋燃燒優(yōu)化技術(shù)（CFB－ROFA系統(tǒng)）［2］，見表2。

表2 脫硫技術(shù)對(duì)比

由表2可知，從投資成本來看，爐內(nèi)脫硫＋優(yōu)化燃燒技術(shù)（CFB－ROFA）要低于濕式石灰石—石膏法；從運(yùn)行收益來看，爐內(nèi)脫硫＋優(yōu)化燃燒技術(shù)（CFB－ROFA）要優(yōu)于濕式石灰石—石膏法。根據(jù)大連泰山熱電有限公司機(jī)組的實(shí)際狀況分析如下：

a.電廠位于大連市中心，廠區(qū)可利用面積有限，而濕式石灰石—石膏法法占地面積非常大，在現(xiàn)有的場(chǎng)地內(nèi)無法布置；

b.電廠沒有灰場(chǎng)，鍋爐排出的灰渣必須能夠得到有效利用。

因此，在滿足SO2排放濃度要求的前提下，按實(shí)用、簡(jiǎn)單、投資小、運(yùn)行費(fèi)用小的原則，采用爐內(nèi)脫硫＋燃燒優(yōu)化工藝（CFB－ROFA脫硫系統(tǒng)）對(duì)大連泰山熱電有限公司CFB鍋爐進(jìn)行脫硫技術(shù)改造。

2.2 爐內(nèi)脫硫＋燃燒優(yōu)化技術(shù)（CFB－ROFA系統(tǒng)）

2.2.1 CFB－ROFA脫硫技術(shù)

CFB－ROFA又稱旋轉(zhuǎn)對(duì)沖燃盡風(fēng)系統(tǒng)，它是利用高壓頭風(fēng)機(jī)儲(chǔ)能后通過安裝在鍋爐上的非對(duì)稱布置的空氣噴嘴將高速射流噴入鍋爐或各種空間內(nèi)，在爐膛上部形成旋轉(zhuǎn)渦流，使氣流高速流動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流擾動(dòng)和大量旋轉(zhuǎn)［3］，以其對(duì)空間內(nèi)的物料場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)進(jìn)行更充分的混合，獲得更強(qiáng)烈的反應(yīng)效果，從而改善爐內(nèi)的煙氣溫度分布、物料分布、熱量吸收、CO的氧化等。

CFB－ROFA技術(shù)因其獨(dú)特的噴口形狀及設(shè)計(jì)，能在鍋爐爐膛相應(yīng)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)（見圖1），能對(duì)鍋爐噴射區(qū)域及影響區(qū)域內(nèi)整個(gè)物料流化反應(yīng)場(chǎng)進(jìn)行重新分配，不但能有效去除煙囪效應(yīng)，增大鍋爐的有效反應(yīng)空間，同時(shí)因氣流的高速旋轉(zhuǎn)，也增加煤顆粒及石灰石顆粒在爐內(nèi)的滯留時(shí)間，改善了碳顆粒與石灰石顆粒在爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)條件。

圖1 ROFA形成旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)簡(jiǎn)圖

2.2.2 CFB－ROFA脫硫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

a.改善鍋爐效率。CFB－ROFA系統(tǒng)可以改善爐內(nèi)燃料與空氣的混合，改善鍋爐的燃燒性能，延長(zhǎng)可燃物在爐膛內(nèi)部的停留時(shí)間，增強(qiáng)了碳粒的燃盡和爐內(nèi)受熱面的對(duì)流換熱，從而降低飛灰可燃物含量及CO含量，提高鍋爐效率。

b.改善鍋爐安全性。CFB－ROFA系統(tǒng)可以降低爐內(nèi)磨損，避免水冷壁爆管現(xiàn)象發(fā)生，確保系統(tǒng)投運(yùn)后鍋爐燃燒正常，安全可靠。

c.改善爐內(nèi)石灰石和煙氣的混合和停留時(shí)間，提高脫硫效率。CFB－ROFA產(chǎn)生的混合和旋轉(zhuǎn)渦流可降低爐內(nèi)溫度。強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)湍流阻止了片狀氣流的流動(dòng)，使得爐膛體積在燃料的燃燒過程中得到充分利用，爐內(nèi)石灰石和煙氣得以充分混合，反應(yīng)更加充分，從而提高了脫硫效率。

d.設(shè)備更新費(fèi)用較低。

e.風(fēng)險(xiǎn)低，技術(shù)成熟。

3 脫硝技術(shù)選擇

3.1 脫硝技術(shù)選擇

目前，比較成熟的脫硝技術(shù)主要有SCR、SNCR＋SCR混合法及Rotamix－SNCR工藝，見表3。

表3 脫硝技術(shù)對(duì)比［4－5］

在實(shí)際工程中，煤粉鍋爐應(yīng)用較多的是SCR，CFB鍋爐應(yīng)用較多的是SNCR＋燃燒優(yōu)化。SCR技術(shù)能夠提供高達(dá)60%～90%的脫硝率，但其總費(fèi)用也最高，是SNCR技術(shù)費(fèi)用的2～3倍，SNCR的脫硝率為70%～85%。SNCR＋燃燒優(yōu)化的混合技術(shù)可將NOx濃度由350 mg／Nm3降至100 mg／Nm3以內(nèi)，完全滿足國(guó)家最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述，針對(duì)大連泰山熱電有限公司CFB鍋爐實(shí)際情況，確定采用Rotamix＋燃燒優(yōu)化的脫硝技術(shù)。

3.2 選擇性非催化還原法（Rotamix－SNCR）

Rotamix－SNCR脫硝技術(shù)指在鍋爐爐膛出口800～1 250℃的溫度范圍內(nèi)噴入還原劑，將其中的NOx選擇性還原成N2和H2O［6－7］。Rotamix－SNCR技術(shù)是一個(gè)綜合的污染物治理平臺(tái)，通過噴射不同的介質(zhì)能治理不同的污染物。Rotamix－SNCR技術(shù)一般和ROFA系統(tǒng)聯(lián)合使用能夠達(dá)到更高的效率，在煙氣進(jìn)入Rotamix－SNCR系統(tǒng)之前，CFB－ROFA已在爐內(nèi)創(chuàng)造了高動(dòng)能、混合充分的環(huán)境，使燃料得以均勻分布。湍流空氣通過ROFA噴入爐內(nèi)并進(jìn)行混合，使?fàn)t內(nèi)化學(xué)吸收劑和燃燒物料可以有效混合。Rotamix－SNCR技術(shù)采用三通噴嘴調(diào)控優(yōu)化設(shè)計(jì)，將化學(xué)吸收劑直接噴入分布均勻、旋轉(zhuǎn)混合的爐膛內(nèi)，減少了吸收劑的用量。

4 脫硫脫硝改造實(shí)施效果

ROFA＋Rotamix脫硫脫硝系統(tǒng)改造后，鍋爐帶負(fù)荷能力不變、著火穩(wěn)定、燃燒完全，已穩(wěn)定運(yùn)行近2年。

當(dāng)鍋爐達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行了ROFA＋Rotamix系統(tǒng)投入后的SO2排放及Ca／S測(cè)試試驗(yàn)、NOx排放及尿素耗量測(cè)試試驗(yàn)、鍋爐效率測(cè)試試驗(yàn)及改造后經(jīng)濟(jì)性分析。

4.1 SO2排放及石灰石耗量

ROFA＋Rotamix系統(tǒng)整體投運(yùn)后進(jìn)行了Ca／S及石灰石耗量測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 SO2排放及石灰石耗量測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

a.在415 t／h出力下，SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下時(shí)，鍋爐Ca／S為5.19，石灰石耗量為3.72 t／h；當(dāng)NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時(shí)，鍋爐Ca／S為4.45，石灰石耗量為3.23 t／h。

b.在360 t／h出力下，SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下時(shí)，鍋爐Ca／S為3.86，石灰石耗量2.26 t／h；當(dāng)NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時(shí)，鍋爐Ca／S為3.91，石灰石耗量為2.29 t／h。

綜上所述，4種工況下平均Ca／S為4.35，較設(shè)計(jì)值4.5低0.15，平均石灰石耗量為2.88 t／h，Ca／S及石灰石耗量均實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

4.2 NOx排放及尿素耗量

ROFA＋Rotamix系統(tǒng)整體投運(yùn)后進(jìn)行了NOx及尿素耗量測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 NOx排放及尿素耗量測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

a.415 t／h負(fù)荷下，NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下，可穩(wěn)定運(yùn)行，尿素耗量在348.4 kg／h；NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時(shí)，尿素耗量在221 kg／h。

b.360 t／h負(fù)荷下，NOx排放濃度控制在100 mg／Nm3以下，可穩(wěn)定運(yùn)行，尿素耗量299 kg／h；NOx排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時(shí)，尿素耗量在164.5 kg／h，NOx排放實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。

4.3 效率試驗(yàn)

熱效率試驗(yàn)在415 t／h負(fù)荷下進(jìn)行，試驗(yàn)分SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度分在100 mg／Nm3以下和200 mg／Nm3以下兩種工況進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：

表6 各工況下鍋爐熱效率試驗(yàn)結(jié)果

a.當(dāng)SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度在100 mg／Nm3以下時(shí)，在415 t／h出力下，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率為90.76%，修正后鍋爐熱效率為92.13%。

b.當(dāng)NOx排放濃度在200 mg／Nm3以下時(shí)，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率為90.84%，修正后鍋爐熱效率為92.19%。兩種工況下，實(shí)測(cè)鍋爐熱效率平均值為90.80%，修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%。

綜上所述，兩種工況下修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%，較2014年脫硫脫硝改造前平均效率92.41%降低了0.25百分點(diǎn)，因此脫硫脫硝改造對(duì)鍋爐熱效率的影響幅度符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 經(jīng)濟(jì)性分析

在ROFA＋Rotamix系統(tǒng)投運(yùn)后，根據(jù)當(dāng)前機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況與改造前機(jī)組情況，進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。以下計(jì)算結(jié)果均按試驗(yàn)期間煤質(zhì)含硫量為0.2%計(jì)算。

經(jīng)濟(jì)性分析按SO2排放濃度控制在200 mg／Nm3以下、NOx排放濃度按≤100 mg／Nm3和200 mg／Nm3以下兩種工況控制。運(yùn)行成本分析按年利用小時(shí)數(shù)4 500 h、尿素單價(jià)2 850元／t、稀釋水單價(jià)4元／t、石灰石單價(jià)122元／t進(jìn)行計(jì)算。

在415 t／h負(fù)荷下，ROFA＋Rotamix系統(tǒng)投運(yùn)后，排煙SO2折算后排放濃度控制在200 mg／Nm3以下時(shí)，石灰石耗量為3.47 t／h，Ca／S為4.82。

NOx折算后排放濃度分別控制在100 mg／Nm3、200 mg／Nm3以下，尿素溶液流量分別為696.8 L／h、442 L／h，稀釋水流量分別為2 202 L／h、2 381 L／h。

按機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)4 500 h計(jì)算，脫硫系統(tǒng)年運(yùn)行成本為227.22萬元，脫硝系統(tǒng)年運(yùn)行成本分別為471.49萬元、308.43萬元。

5 效益分析

5.1 社會(huì)效益

改造前，按SO2排放濃度370 mg／Nm3、NOx排放濃度350 mg／Nm3計(jì)算，采用ROFA＋Rotamix技術(shù)改造后，按SO2排放濃度180 mg／Nm3、NOx排放濃度180 mg／Nm3、鍋爐年利用小時(shí)數(shù)4 500 h計(jì)算，1號(hào)機(jī)組鍋爐SO2年排放總量由899.1 t降至437.4 t，減少了461.7 t；NOx年排放總量由850.5 t降至437.4 t，減少了413.1 t。鍋爐SO2、NOx排放量降低，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，具有顯著的社會(huì)效益。

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

大連泰山熱電有限公司對(duì)1號(hào)鍋爐進(jìn)行了ROFA＋Rotamix技術(shù)改造，總投資約1 468.19萬元，煤中含硫量為0.2%時(shí)，年收益為610.39萬元，項(xiàng)目投產(chǎn)后2.4年可以收回投資成本。常用煤質(zhì)含硫量為0.3%，煤質(zhì)發(fā)生變化使石灰石及尿素成本增加，因此成本回收年限將延長(zhǎng)。

6 結(jié)論

a.ROFA＋Rotamix脫硫脫硝改造后，SO2排放濃度可以控制在200 mg／Nm3以內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；NOx排放濃度可以控制在100 mg／Nm3以內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

b.鍋爐ROFA＋Rotamix脫硫脫硝改造后，兩種工況下修正后鍋爐熱效率平均值為92.16%，較改造前鍋爐效率92.41%降低了0.25百分點(diǎn)。

c.ROFA＋Rotamix技術(shù)改造后，1號(hào)鍋爐SO2年減排量為461.7 t；NOx年減排量為413.1 t，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，具有顯著的社會(huì)效益。

d.ROFA＋Rotamix技術(shù)改造，總投資約1 468.19萬元，煤中含硫量為0.2%，年收益為610.39萬元，項(xiàng)目投產(chǎn)后2.4年可以收回投資成本。

［1］徐有寧，關(guān)多嬌.燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)及脫硫工藝選擇［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（6）：7－11.

［2］馮兆興，程云馳，董建勛.燃煤電站煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)的試驗(yàn)研究［J］.東北電力技術(shù)，2002，23（10）：5－8.

［3］顧英春，田慶峰.旋轉(zhuǎn)對(duì)沖燃燼風(fēng)燃燒技術(shù)的可行性分析［J］.熱電技術(shù)，2010，106（2）：10－14.

［4］仲建中.嘉興電廠2×300 MW機(jī)組脫硝方案對(duì)比分析［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2007，23（5）：33－35.

［5］黃成群，金 非.300 MW燃煤鍋爐NOx排放控制技術(shù)的選擇［J］.冶金能源，2010，29（3）：56－60.

［6］馬永杰.低氮燃燒與SCR脫硝技術(shù)相結(jié)合的改造［J］.電力安全技術(shù)，2014，16（4）：31－36.

［7］蔡 輝.聯(lián)合脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐脫硝改造中的應(yīng)用［J］.甘肅科技，2016，32（3）：32－33.

Application Research on Reducing SO2and NOxMissions of CFB Boiler Based on ROFA＋Rotamix Technology

GAO Yuxin1，ZOU Tianshu2，CONG Richeng2
（1.State Power Investment Corporation Northeast Company，Shenyang，Liaoning 110001，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The boiler of Dalian Taishan thermoelectic Co.，Ltd.is 440 t／h circulating fluidized bed boiler（CFB），which adds lime?stone to bolier for desulfurization，its desulfurization efficiency is low and not use denitrification equipment，the SO2and NOxconcen?tration of flue gas can't reach the national environmental emission requirements.So using ROFA＋Rotamix technology to reduce SO2and NOxemissions are decided.After the transformation，the boiler operates with the same load capacity，fire stable，complete combus?tion，furnace temperature and heat load uniform distributed.According to the test，SO2and NOxemission concentration are respec?tively less than 200 mg／Nm3and 100 mg／Nm3，which meet emission standard of air pollutants for thermal power plants.

CFB；ROFA＋Rotamix；desulfurization and denitrification

TM621

A

1004－7913（2016）12－0009－05

高玉新（1972），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事鍋爐節(jié)能環(huán)保研究工作。

2016－09－15）