侯致福，楊玉環(huán)

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.山西普麗環(huán)境工程股份有限公司，山西 晉中 030600)

CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

侯致福1,2，楊玉環(huán)2

(1.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.山西普麗環(huán)境工程股份有限公司，山西 晉中 030600)

針對(duì)某1 060 t/h CFB鍋爐NOx排放濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在50 mg/Nm3以下的超低排放目標(biāo)，設(shè)計(jì)一套處理煙氣量為1 150 000 Nm3/h、初始NOx含量190 mg/Nm3，NOx排放濃度不高于50 mg/Nm3的SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝系統(tǒng)。分析當(dāng)前煙氣NOx主要脫除技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝的主要參數(shù)、工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)工藝的設(shè)計(jì)依據(jù)、原理、目標(biāo)及系統(tǒng)主要組成部分進(jìn)行闡述。經(jīng)168 h試運(yùn)和性能測(cè)試，NOx排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，滿足超低排放要求。性能測(cè)試結(jié)果表明：機(jī)組90%和80%負(fù)荷下，NOx排放濃度、氨逃逸、聯(lián)合脫硝效率、還原劑耗量、催化劑阻力及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率均滿足設(shè)計(jì)要求和環(huán)保要求。

CFB鍋爐；NOx超低排放；SNCR+SCR；煙氣脫硝；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

隨著環(huán)保要求日益嚴(yán)格，燃煤電廠煙氣中SO2、NOx、煙塵等污染物的排放備受社會(huì)關(guān)注[1-3]。國辦發(fā)[2014]31號(hào)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》對(duì)火電節(jié)能減排提出嚴(yán)格的強(qiáng)制要求：東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(基準(zhǔn)氧含量6%，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3)，中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。

CFB鍋爐燃燒溫度低，分級(jí)、分段燃燒的特點(diǎn)使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生NOx較少，單一的SNCR脫硝技術(shù)不能長(zhǎng)期穩(wěn)定確保NOx低于50 mg/Nm3的超低排放要求，因此針對(duì)CFB鍋爐本身特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)一種充分利用CFB鍋爐本身優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)投資、運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低，同時(shí)可長(zhǎng)期穩(wěn)定確保煙氣中NOx排放濃度滿足超低排放要求的脫硝工藝具有重要意義。

1 煙氣NOx主要脫除技術(shù)

目前，脫除煙氣氮氧化物的成熟技術(shù)主要有低氮燃燒技術(shù)、SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)、SNCR煙氣脫硝技術(shù)和SCR煙氣脫硝技術(shù)[4-7]。

1.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)主要是通過控制、調(diào)整爐膛內(nèi)風(fēng)量改變爐內(nèi)燃燒條件以控制燃料燃燒過程中氮氧化物的生成，從而達(dá)到降低煙氣中NOx排放濃度的目的。

1.2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)

采用前段SNCR脫硝與后段SCR脫硝相結(jié)合的脫硝技術(shù)。該聯(lián)合脫硝技術(shù)所添加脫硝催化劑量較少，對(duì)后續(xù)設(shè)備及系統(tǒng)的影響、新增阻力、整體投資等均介于SNCR脫硝與SCR脫硝技術(shù)之間，多用于脫硝改造工程改造空間受限的情況[6-8]。前段SNCR脫硝對(duì)煙氣中氮氧化物進(jìn)行初步脫除，后段SCR脫硝對(duì)煙氣氮氧化物做深度脫除，同時(shí)后段SCR脫硝還可降低前段SNCR反應(yīng)逃逸的氨氣，降低煙氣中氨逃逸的排放濃度，避免產(chǎn)生二次污染。

1.3 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR煙氣脫硝技術(shù)主要是在無催化劑條件下向分離器入口煙道或爐膛上部等850～1 100 ℃的溫度區(qū)域噴入氨、尿素等還原劑進(jìn)行選擇性非催化反應(yīng)來還原煙氣中的氮氧化物，使其生成氮?dú)夂退?，達(dá)到降低煙氣中NOx排放濃度的目的。

在850～1 100 ℃條件下，SNCR煙氣脫硝主要化學(xué)反應(yīng)方程式如式(1)，當(dāng)脫硝還原劑噴入點(diǎn)的溫度過高時(shí)，還原劑NH3被氧化為NO，會(huì)增加煙氣中NOx含量，具體化學(xué)反應(yīng)方程式如式(2)[7-9]：

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(1)

4NH3+5O2→6H2O+4NO

(2)

SNCR脫硝技術(shù)主要優(yōu)缺點(diǎn)：脫硝效率低，大機(jī)組效率一般為25%～50%，小機(jī)組效率可達(dá)70%～80%；無需添加脫硝催化劑，且反應(yīng)過程中無SO3轉(zhuǎn)化；對(duì)脫硝改造場(chǎng)地條件要求低，適用于改造條件受限、入口NOx含量低的脫硝工程。

1.4 SCR脫硝技術(shù)

SCR煙氣脫硝技術(shù)是在催化劑條件下向溫度300～400 ℃區(qū)域的尾部煙道內(nèi)噴入氨或尿素等還原劑進(jìn)行選擇性催化反應(yīng)來還原煙氣中的氮氧化物，使其生成無害的水和氮?dú)?，降低煙氣中NOx含量。主要化學(xué)反應(yīng)方程式如式(3)、(4)[7-8]:

4NH3+2NO2+O2→6H2O+3N2

(3)

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2

(4)

SCR脫硝技術(shù)主要優(yōu)缺點(diǎn)：脫硝效率較高，一般可達(dá)60%～90%；必須有脫硝催化劑反應(yīng)模塊，且要求具有300～400 ℃較佳的反應(yīng)溫度窗口；催化劑的存在會(huì)增加SO3轉(zhuǎn)化，硫酸氫銨的生成會(huì)造成空氣預(yù)熱器的腐蝕、堵塞等問題。

2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放工藝設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

針對(duì)某發(fā)電廠300 MW CFB機(jī)組脫硝超低排放改造項(xiàng)目，選用循環(huán)流化床清潔燃燒技術(shù)和SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合的方式來確保煙氣NOx排放濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定于50 mg/Nm3以下。

該300 MW CFB鍋爐為亞臨界中間再熱、單鍋筒自然循環(huán)、集中下降管、平衡通風(fēng)、絕熱式旋風(fēng)氣固分離器、循環(huán)流化床燃燒方式。鍋爐的燃料為采掘矸(含風(fēng)氧化煤)及洗煤廠生產(chǎn)的煤矸石和煤泥，燃料在循環(huán)流化床鍋爐爐內(nèi)燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣具體情況如表1所示。

表1 燃料燃燒過程煙氣參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)原理

CFB鍋爐清潔燃燒技術(shù)控制燃料燃燒過程中產(chǎn)生較少NOx，鍋爐旋風(fēng)分離器入口煙道SNCR脫硝與鍋爐尾部煙道SCR脫硝聯(lián)合脫硝實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中NOx的高效脫除。整個(gè)工藝中，爐內(nèi)生成的NOx較少，聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)中前段SNCR脫硝對(duì)煙氣中NOx進(jìn)行初步脫除，后段SCR脫硝一方面利用前段SNCR脫硝的逃逸氨進(jìn)行脫硝反應(yīng)對(duì)NOx做深度脫除，提高整體脫硝效率，降低氨逃逸濃度，避免二次污染；同時(shí)尾部煙道催化劑上部設(shè)有SCR脫硝補(bǔ)噴氨噴槍可根據(jù)煙氣中NOx排放情況，合理設(shè)定還原劑補(bǔ)噴量，確保煙氣中氮氧化物長(zhǎng)期穩(wěn)定超低達(dá)標(biāo)排放。

2.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下[10-11]：

a.穩(wěn)定運(yùn)行中，煙氣NOx排放濃度≤50 mg/Nm3；

b.穩(wěn)定運(yùn)行中，整體脫硝效率≥75%；

c.穩(wěn)定運(yùn)行中，氨逃逸排放濃度≤2.5 mg/Nm3；

d.裝置可用率≥98%，系統(tǒng)主體使用壽命不小于30年。

2.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

注：涉及NOx的主要設(shè)計(jì)參數(shù)均以NO2計(jì)。

2.5 工藝流程

CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放工藝流程如圖1所示。整個(gè)流程中，氨水與除鹽水混合溶液、輔助霧化壓縮空氣以及噴槍保護(hù)風(fēng)均通過雙流體噴槍噴至脫硝反應(yīng)區(qū)域參加脫硝反應(yīng)，進(jìn)而脫除煙氣中NOx，降低污染物排放濃度。

2.6 工藝主要組成部分

圖1 CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放工藝流程

CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放工藝中脫硝還原劑選用氨水，其主要系統(tǒng)設(shè)置有還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)、還原劑輸送系統(tǒng)、還原劑稀釋系統(tǒng)、輔助霧化系統(tǒng)、噴槍保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)、還原劑噴射系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)。

a.還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)

脫硝還原劑為氨水，采用外購，汽運(yùn)至氨水儲(chǔ)區(qū)。還原劑存儲(chǔ)系統(tǒng)為廠區(qū)各機(jī)組脫硝公用，氨水儲(chǔ)罐體積為100 m3，罐頂部的安全閥在卸載氨水過程中起保護(hù)作用。

b.還原劑輸送系統(tǒng)

脫硝泵將氨水由氨水儲(chǔ)區(qū)輸送至末端還原劑噴射系統(tǒng)，通過雙流體噴槍還原劑被噴至旋風(fēng)分離器入口煙道和鍋爐尾部煙道催化劑上部還原劑反應(yīng)區(qū)域。

c.還原劑稀釋系統(tǒng)

d.輔助霧化系統(tǒng)

輔助霧化系統(tǒng)指引自廠區(qū)壓縮空氣母管的壓縮空氣輸送至脫硝噴槍氣相接口對(duì)還原劑氨水噴射起輔助霧化作用，提高還原劑對(duì)煙氣的穿透力和混合均勻程度。壓縮空氣罐儲(chǔ)存一定量壓縮空氣起緩沖作用，避免壓力波動(dòng)。

e.噴槍保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)

保護(hù)風(fēng)引自廠區(qū)內(nèi)流化風(fēng)母管，在脫硝噴槍使用過程中用來降低煙道內(nèi)外溫差，減少膨脹，達(dá)到保護(hù)噴槍的目的。

f.還原劑噴射系統(tǒng)

由旋風(fēng)分離器入口煙道氨水噴射裝置和鍋爐尾部煙道脫硝催化劑上部氨水噴射裝置組成。每臺(tái)機(jī)組4臺(tái)旋風(fēng)分離器，每臺(tái)旋風(fēng)分離器入口煙道設(shè)5支脫硝噴槍，鍋爐尾部煙道催化劑上部合適溫度區(qū)域前后墻或左右墻各設(shè)5支脫硝噴槍，單機(jī)共布置還原劑噴射裝置30套。

測(cè)量值是否有效會(huì)影響鍋爐給水、機(jī)組循環(huán)汽水的品質(zhì)的真實(shí)性，因此測(cè)量值的有效性需要被驗(yàn)證。專家診斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)定期掃描狀態(tài)值、校準(zhǔn)歷史、儀表設(shè)定值等，告訴用戶當(dāng)前測(cè)量值是否有效。

g.其他輔助系統(tǒng)

主要指電氣、控制及其他公用設(shè)施?？刂葡到y(tǒng)無需單獨(dú)安排人員進(jìn)行監(jiān)視和控制，僅采用DCS控制系統(tǒng)集中控制對(duì)工藝系統(tǒng)被控對(duì)象和系統(tǒng)指標(biāo)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與調(diào)整。

3 應(yīng)用效果分析

CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放改造完成，主要設(shè)備、各分系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn)。以某公司3號(hào)機(jī)組為例，該聯(lián)合脫硝超低排放工藝的應(yīng)用效果主要從系統(tǒng)168 h試運(yùn)和系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果兩方面體現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)168 h運(yùn)行

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定，168 h試運(yùn)期間機(jī)組相關(guān)參數(shù)連續(xù)運(yùn)行曲線及NOx變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝168 h運(yùn)行相關(guān)參數(shù)變化曲線

根據(jù)圖2運(yùn)行數(shù)據(jù)可知：在168 h試運(yùn)行期間尾部濕法脫硫塔出口的氮氧化物排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，滿足氮氧化物超低排放的要求；氨逃逸濃度小于2.5 mg/Nm3，滿足環(huán)保要求。

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

選取3號(hào)機(jī)組90%負(fù)荷及80%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行段內(nèi)對(duì)新建SNCR+SCR聯(lián)合脫硝超低排放系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)出口的NOx濃度、聯(lián)合脫硝效率、氨逃逸濃度、還原劑用量、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)值均滿足設(shè)計(jì)要求，主要性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 3號(hào)機(jī)組SNCR+SCR聯(lián)合脫硝裝置性能測(cè)試結(jié)果

注：表中NOx濃度、氨逃逸濃度均為6%O2、標(biāo)態(tài)、干基條件下濃度，還原劑為25%濃度氨水；因統(tǒng)計(jì)表計(jì)故障，表中未給出水耗、電耗、壓縮空氣耗量的測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)論

a.1 060 t/h CFB鍋爐NOx超低排放控制采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，系統(tǒng)168 h試運(yùn)期間NOx排放濃度平均值為33.55 mg/Nm3，氨逃逸小于2.5 mg/Nm3，污染物排放濃度滿足環(huán)保要求；性能測(cè)試結(jié)果表明：3號(hào)機(jī)組90%和80%負(fù)荷下，NOx排放濃度、氨逃逸濃度、聯(lián)合脫硝效率、還原劑耗量、催化劑阻力及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率均滿足設(shè)計(jì)要求和環(huán)保要求。

b.SNCR+SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)可長(zhǎng)期穩(wěn)定確保1 060 t/h CFB鍋爐NOx排放濃度滿足超低排放要求(≤50 mg/Nm3)，在CFB鍋爐NOx超低排放脫硝改造中具有明顯優(yōu)勢(shì)，可為CFB鍋爐脫硝超低排放工程的改造及設(shè)計(jì)提供借鑒。

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[10] 火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 選擇性非催化還原法：HJ 563—2010[S].

[11] 火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范 選擇性催化還原法：HJ 562—2010[S].

Process Design and Application on Ultra Low Emission Technology with Combined SNCR and SCR Denitrification of CFB Boiler

HOU Zhifu1,2, YANG Yuhuan2

(1. School of Energy and Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Shanxi Puli Environmental Engineering Co., Ltd., Jinzhong, Shanxi 030600, China)

A flue gas treatment system of combined SNCR and SCR denitrification technology that NOxemission concentration of long-term stability to meet no more than 50 mg/Nm3ultra-low goal for 1 060 t/h CFB boiler is designed, which handles 1.15 million Nm3/h flue gas, initial NOxcontent is 190 mg/Nm3and NOxemission concentration less than 50 mg/Nm3. The advantages and disadvantages of main flue gas denitration technology are analyzed. The main parameters and process of combined SNCR and SCR denitrification are designed. Design basis,principle,goal and main components of system are expounded. Through commissioning of 168 h and performance testing results,NOxaverage emissions concentration is 33.55 mg/Nm3, which satisfies the requirement of ultra-low emissions. The performance testing show that the NOxemission concentration,ammonia escape concentration, combined denitration efficiency, reductant consumption,catalyst resistance and SO2/SO3conversions meet design requirements and environmental requirements with 90% load and 80% load.

CFB boiler; NOxultra low emission; SNCR+SCR; flue gas denitrification; design and application

X773

A

1004-7913(2017)02-0030-04

侯致福(1986)，男，在職博士，工程師，主要從事CFB鍋爐清潔燃燒及污染物控制技術(shù)研究。

2016-11-20)