环保新标准的循环流化床锅炉改造分析

环保新标准的循环流化床锅炉改造分析

吴庆泉

（杭州锅炉集团股份有限公司浙江省杭州市310021）

摘要:因具有燃烧效率高、燃料适应性广、高效脱硫、NOX排放低、运行稳定等诸多优势，循环流化床在国内外被广泛使用。本文具体分析现有循环流化床锅炉的环保技术手段，并针对具体不足之处提出了相应改良方法，以适应新的环保标准，对于进一步完善循环流化床脱硫脱硝技术具有重要的指导意义。

关键词:循环流化床锅炉；环保特性；改造分析

0引言

据统计，我国现有不同容量的循环流化床锅炉近3000台，占电力行业中锅炉总台数的1/3。在当前能源短缺，环境污染治理备受关注的大环境下，循环流化床燃烧技术作为一项具有良好环保特性的燃烧技术，更是受到许多电厂的青睐，特别是针对煤种的多样性以及低品质的煤矸石发电或生物质煤混燃。目前，300MW等级的循环流化床锅炉机组SO2排放浓度的平均值在300mg/Nm3，NO排放浓度平均值不超过150mg/Nm3。

一、循环流化床的环保技术改进方案

1.1脱硝

目前应用较广泛的脱硝工艺主要是选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)，也有少数电厂使用SNCR-SCR联合工艺。

SNCR是指在无催化剂的作用下，在适合脱硝反应的“温度窗口”内喷入还原剂将烟气中的氮氧化物还原为无害的氮气和水。该技术一般采用炉内喷氨、尿素作为还原剂还原NOx。还原剂只和烟气中的NOx反应，一般不与氧反应，该技术不采用催化剂，所以这种方法被称为选择性非催化还原法(SNCR)。

主要反应如下:

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O(1)

NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O(2)

6NO2+8NH3→7N2+12H2O(3)

4NH3+3O2→2N2+6H2O(4)

4NH3+5O2→4NO+6H2O(5)

由于该工艺不用催化剂，因此必须在高温区加入还原剂。还原剂喷入炉膛温度为850~1100°C的区域，NH3与烟气中的NOx反应生成N2和水。循环流化床锅炉中炉膛、分离器、出口烟道等部位的温度在850~950°C之间，正好在SNCR的最佳反应温度窗口。在980°C条件下SNCR的脱硝效率达到最大，在此温度下NO2生成量随氨氮摩尔比提高的增加程度最大，为了保证脱硝效率同时降低氨泄漏和N2O的生成，氨氮摩尔比在1~1.5范围内较为合适。锅炉在采用优化后的脱硝系统脱硝效率达50%以上，NOx脱除后浓度降到80mg/m3。由此可见SNCR对循环流化床的脱硝效果较明显，且脱硝效率可达80%以上。低成本和系统简单是循环流化床锅炉脱硝的一大优势，SCR的原理是在290~400°C条件下，还原剂NH3在催化剂作用下将NO2和NO还原成N2，减少了NH3的消耗。主要反应如下:

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3→3N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

SCR有脱除效率高、无副产物、不形成二次污染、装置结构简单、运行可靠、便于维护等优点，结合半干旋转喷雾法脱硫工艺(SDA)和SCR，氮氧化物的脱除效率可达到95%。但是循环流化床中高CaO被烟气携带，在催化床内会与三氧化硫反应生成硫酸钙，造成催化剂中毒和失活;另外，高尘环境，比如有的烧劣质煤的锅炉，其尾部烟气含尘在50~60g/Nm3，会造成催化剂的中毒和磨损，大大影响脱硝效率。因此，目前SCR法用在循环流化床上的应用实例不多，主要是因为循环流化床一般是偏中小锅炉型，NOx排放量比较少，应用SCR法不经济，处于重点控制区的大容量循环流化床锅炉可以考虑采用SCR。

为了充分发挥SNCR的低成本和SCR高效率的优势，充分利用SNCR逃逸的氨气，部分电厂采用SNCR/SCR联合工艺进行脱硝:先将还原剂喷入炉膛，在高温下还原剂与烟气中的氮氧化物发生还原反应，初步脱硝后，未反应完全的还原剂进入设在省煤器与空预器之间的SCR反应器，在有催化剂参与的情况下进一步脱除氮氧化物。SNCR的脱除效率虽然相对较低，但通过延长还原剂在系统内的停留时间，并提高与烟气的混合程度，使脱硝率超过了70%。SNCR/SCR混合法初期投资与单纯SCR工艺基本持平，但还原剂的耗量远高于SCR工艺，因此应用并不广泛。但如果是处于重点控制区的电厂，氮氧化物按照100mg/Nm3控制，这时SNCR/SCR混合法是可选择的技术方案。

但是对部分燃烧生物质的循环流化床锅炉，锅炉燃烧温度比较低，烟气中含有大量SCR催化剂的毒物，这种情况下SNCR或SCR都不适合用于烟气脱硝，此时可考虑采用湿法脱硝，比如氧化工艺或络合脱硝工艺，但需要进一步的技术经济论证，并分析可能造成的二次污染。

1.2脱硫

目前许多循环流化床都采用富氧燃烧的技术。从固硫角度考虑，在空气条件下循环流化床的最佳燃烧温度为860°C，在富氧条件下，固硫的最佳温度从860°C左右升高到了900~925°C。

循环流化床炉内脱硫的一大缺陷是需要高的钙硫摩尔比，也即意味着低的固硫剂利用率。如果要达到90%的脱硫效率，采用烟气湿法脱硫技术，钙硫摩尔比只需要1.1左右，而采用循环流化床锅炉炉内添加石灰石的脱硫方法，钙硫摩尔比一般需要达到2.0以上。此外，反应温度和停留时间也影响炉内固硫反应。但面对当前新环保标准中一般控制区SO2按照100mg/Nm3，重点控制区按照50mg/Nm3控制，仅采用炉内脱硫还有些困难，因此一些电厂已经在尾部增加了传统的湿法烟气脱硫以增强脱硫效果。为了利用炉内未反应完全的吸收剂，有的电厂采用了尾部活化器，在活化器内喷水增湿，可以继续吸收部分SO2。此种类型的典型工艺是炉内喷钙尾部增湿活化，也即LIFAC工艺。另外一个可取的技术是采用排烟循环流化床脱硫技术，也可以利用炉内未反应完全的氧化钙，通过增湿水的活化在流化床内完成脱硫，其脱硫效率可达到90%左右。

2总结

循环流化床中燃烧生成的氮氧化物的主要来源是燃料型氮氧化物，且生成的燃料型氮氧化物一般低于10%。结合半干旋转喷雾法脱硫工艺(SDA)和SCR，氮氧化物的脱除效率可达到95%。因此，对SNCR技术加以控制和调整完全可以满足新环保标准的要求。较之煤粉锅炉，循环流化床锅炉的炉内脱硫能达到较好的脱硫效果，但仍无法满足最新的排放标准，石灰石-石膏湿法脱硫具有技术成熟，脱硫效率高，负荷适应性好等特点，建议在炉内脱硫的基础上增加该工艺来配合脱硫。

参考文献:

[1]李斌，李建锋，吕俊复，等.我国大型循环流化床锅炉机组运行现状[J].锅炉技术，2012，43(1):22-28.

[2]朱劲松，董志乾，郑天阳，等.300MW循环流化床锅炉

脱硫脱硝特性分析[J].节能与环保，2007，(3):44-46.

[3]李鹏飞，俞非漉，朱晓华.钙基循环流化床烧结烟气同时脱硫脱硝技术[C].2013年全国冶金能源环保生产技术会论文集，2013.547-550.

[4]程乐鸣,骆仲泱,李绚天,等.循环流化床膜式壁传热试验与模型[J].工程热物理学报,1998(4):514-518.

[5]黄素华,陆继东,钱诗智,等.循环流化床膜式壁附近气动力特性研究[J].动力工程,1995(5):25-29.

[6]累红海,程红芳.如何提高75T/H循环流化床锅炉的效率[J].科技创新导报,2011:68.

[7]李峰,张缦,于龙.135MW循环流化床锅炉工程设计[J].黑龙江电力,2002(5):398-400.