生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展

生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展

展昭刚

济南市琦泉热电有限责任公司 山东省济南市 250400

摘要：我国生物质资源储量丰富、种类繁多，其中农业生物质所占比重较大。据统计，我国可开发的生物质能源资源总量约为7亿t标准煤，由于没有得到合理利用，出现了野外焚烧、无组织排放的现象。随着人们环保意识增强，我国环境保护要求不断提高，各地先后出台政策，鼓励生物质发电技术应用。循环流化床锅炉因其具有宽负荷、燃料适应性广、燃烧效率高等特点，被广泛地应用于生物质发电。

关键词：生物质；循环流化床锅炉；烟气脱硝

1生物质燃料及循环流化床锅炉特点

生物质燃料与煤比较有以下特性：(1）生物质燃料堆积密度小，结构松散，能量体积密度远小于煤炭。(2）生物质循环流化床锅炉飞灰中有含大量K,Na等元素的盐类物质，这些物质熔点较低，飞灰易粘结在受热面上，形成沉积，造成受热面沾污。(3）生物质燃料的挥发性高，燃尽比较容易。流化床锅炉一般主要由炉膛、分离器、回料阀、点火燃烧器和尾部对流烟道组成，形成炉膛-分离器-返料器-炉膛所构成的循环系统。由于生物质燃料的特性，为了避免生物质结焦影响流化，生物质锅炉床温一般控制在850℃以下。生物质流化床锅炉采用多回程的对流烟道，烟道内布置屏式受热面，在吸收炉膛辐射热的同时，利用循环流化床锅炉炉内高浓度的循环灰对高温屏的冲刷来减少高温腐蚀的发生。

2存在的问题

2.1除尘沾灰

脱硝装置运行后，当氨水量增大后，后系统电除尘极线出现明显粘黏现象，影响除尘的长周期安全运行。

2.2腐蚀严重

现场对引风机及烟道查看，发现叶轮及烟道产生严重的锈蚀痕迹并附带黄白色结晶体，特别是冬季重污染天气期间，上级环保部门要求降低NOx的排放，氨水量加大，加重腐蚀，对引风机腐蚀有较大影响。

2.3反应条件苛刻

脱硝原理是利用还原剂（氨水）在非催化剂的情况下，在850℃高温环境中有选择性地与烟气中的氮氧化物（NOx，主要是NO和NO2）发生化学反应，生成无害的氮气和水，从而脱除烟气中NOx，但在锅炉低负荷运行和停炉期间，炉膛出口温度<650℃时，脱硝效率大大降低，逃逸氨和NOx超标。

3常用脱硝技术

3.1炉内低氮燃烧技术

循环流化床锅炉原始NOx排放主要受煤质、床温、含氧量、燃烧均匀性和炉内还原气氛的影响。炉内低氮燃烧技术主要通过保证燃烧均匀性，采用流型、结构优化等耦合优化技术措施，实现炉内高效氮气抑制。现有的循环流化床锅炉大多通过炉内低氮燃烧技术将NOx控制在100mg/m3以下。由于部分循环流化床锅炉煤质和运行参数偏离设计条件，运行床温较高，锅炉原始NOx排放量超过200mg/Nm3。单一使用SNCR无法实现超低NOx排放，必须在炉内进行低氮燃烧改造。炉内低氮燃烧改造主要包括罩优化、二次风改造、烟气再循环等。

3.2SNCR技术

SNCR脱硝技术是指在合适的反应温度范围内，无催化剂参与，通过脱硝剂将烟气中的NOx还原为无害的氮气和水。该工艺采用稀尿素溶液或氨水作为脱硝剂，经喷枪雾化，在850～1100℃下注入炉膛烟气进行脱硝反应。SNCR技术在循环流化床中的应用已经比较成熟。它具有系统简单可靠、效率高等优点。脱硝效率可达60%～75%，但SNCR的氨逸出率较高，可达8%×10-6

3.3SCR技术

SCR脱硝技术是指在催化剂作用下，用脱硝剂NH3将烟气中的NOx还原成无害的氮气和水。该技术将脱硝剂NH3注入烟气中，含氨烟气在催化剂作用下通过含专用催化剂的反应器反应。SCR脱硝技术广泛应用于煤粉锅炉烟气脱硝。系统运行可靠，脱硝效率达90%以上。在循环流化床锅炉上应用该技术时，必须重点解决燃烧劣质煤时粉尘含量大引起的催化剂磨损和炉内石灰石脱硫引起的催化剂中毒等问题，这将直接影响脱硝效率和催化剂的使用寿命。

4生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展

本项目主要采用循环流化床锅炉烟气脱硝技术，包括低氮燃烧工艺、选择性催化还原（SCR）脱硝工艺、选择性非催化还原（SNCR）脱硝工艺和SNCR+SCR耦合脱硝工艺。

低氮燃烧技术是一种从发电源头控制NOx的技术。该技术主要分为空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术等，主要通过调节炉膛燃烧温度、烟气含氧量、烟气停留时间等来抑制NOx的生成，脱硝效率低，脱硝率一般在50%以下。

SCR工艺的原理是在催化剂的作用下，通过还原剂将烟气中的NOx还原为N2和水。还原剂一般包括尿素、氨水和液氨，其中尿素和氨水最常用。在热解或水解后，它们生成NH3，NH3由输送风机通过氨喷淋格栅输送至反应器。SCR反应器的布置分为高尘布置和低尘布置。高粉尘布置是将反应器布置在省煤器和空气预热器之间，将烟道引入反应器，并使用高温催化剂（钒钛系统）。高粉尘布置应用最为广泛，催化剂最为成熟，反应温度在320~420℃之间；低粉尘布置是在脱硫除尘后布置反应器，反应温度低，采用低温催化剂。由于低温催化剂成本高，对硫、硫酸盐和反应温度敏感，发展不成熟，因此主要应用于垃圾发电领域。SCR工艺脱硝效率高，可达90%，运行稳定，适用范围广，但成本高，运行维护成本高。需要配置还原剂裂解或水解装置，催化剂使用寿命有限，需要定期更换。

SNCR工艺的原理是将还原剂（尿素和氨）注入炉温850~1100℃的区域后，还原剂迅速热分解为NH3等副产物，然后NH3与烟气中的NOx反应生成N2。对于循环流化床锅炉，还原剂注入点一般位于旋风分离器进口水平烟道处，为直线段，烟气流场均匀，烟气在此停留时间较长，保证了还原剂的热解时间和烟气与NH3的反应时间，有利于NOx与NH3的完全反应。SNCR工艺脱硝效率低，可达40%，但工艺简单，投资低，运行成本低。适用于脱硝效率要求低的锅炉。

SNCR+SCR耦合脱硝工艺将SCR工艺与SNCR工艺相结合，利用了SNCR工艺中还原剂制备简单、SCR工艺脱硝效率高的特点。还原剂被注入锅炉的适当温度范围以生成NH3。热解NH3一方面可与炉内部分NOx发生反应，另一方面未反应的NH3逸出到下游脱硝反应器，在催化剂作用下与NOx进一步反应，实现NOx脱除。该工艺脱硝效率高达60%～90%，成本和运行维护费用均低于SCR工艺。它是目前应用最广泛的锅炉脱硝技术之一。

由于生物质循环流化床锅炉的特点，采用上述工艺存在一定的局限性。生物质锅炉烟气灰分和碱金属含量高，增加了SCR过程中催化剂堵塞和中毒的风险。SNCR+低粉尘SCR耦合工艺可有效避免催化剂中毒，但成本较高。SNCR脱硝系统结构简单，投资和运行成本低。新型生物质循环流化床锅炉虽然脱硝效率低，但NOx排放质量浓度一般低于150mg/m3。因此，SNCR脱硝技术是生物质锅炉控制NOx排放的首选技术。由于SNCR脱硝温度范围为850~1100℃，生物质锅炉床温一般控制在850℃以下，生物质锅炉SNCR脱硝效率较低，结合低氮燃烧技术效果较好。

结论

化石燃料不可再生，日益枯竭，生物质作为可大规模再生的资源，运用于能源领域是大势所趋，开发具有独立自主知识产权且适用于我国生物质锅炉的脱硝技术具有非常重要的现实意义。根据生物质循环流化床锅炉特性，低氮燃烧+SNCR脱硝工艺、SNCR+低尘布置SCR工艺较为适合当前生物质循环流化床锅炉NOX减排。

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