燃用煤矸石循环流化床锅炉烟气脱硝方案研究

 CFB(循环流化床)燃煤发电锅炉具有燃烧效率高､燃料适应性广､污染物排放低､运行稳定等诸多优势,已在国内外得到广泛应用｡对于煤矸石的综合利用与发电,CFB被认为是最为适宜的技术之一｡

 

(来源：循环流化床发电 作者：陈建全)

 

虽然我国煤矸石储量丰富,但由于其质地硬､密度大､热值低､不易燃烧等特点,采用常规煤粉燃烧技术,燃用煤矸石发电是极其困难的｡而CFB锅炉则完全可以适应这种低热值煤｡目前,我国已经规划建造了多个以煤矸石为燃料的CFB锅炉发电机组,最大单机容量达到了350MW｡

 

燃用煤矸石CFB锅炉采用炉内喷石灰石脱硫,可以降低烟气排放的SO2浓度,同时由于炉内燃烧温度不高,采用分级配风方式,其烟气中的NOX浓度也较低｡然而,随着国家对电站锅炉烟气污染物排放标准的不断提高,燃用煤矸石的CFB锅炉烟气污染物达标排放问题,是发电厂面临的又一新的挑战｡2011年我国颁布了GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》,要求自2014年7月1日起现有CFB机组排放的烟气中氮氧化物浓度不大于200mg/m3,新建CFB机组不大于100mg/m3｡2014年印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》中,要求和鼓励新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值,即在基准氧含量6%条件下,烟尘､二氧化硫､氮氧化物排放浓度分别不高于10,35,50mg/m3,实现燃煤发电机组的超低排放｡

 

目前,燃煤矸石大型CFB锅炉排烟NOX浓度通过运行调整一般可控制在200mg/m3以内,但如果要实现超低排放目标,则必须根据机组的实际特点,研究和应用适宜的技术,对CFB锅炉进行改造升级｡

 

1、CFB锅炉脱硝技术分析

 

燃煤锅炉中NOX的生成途径主要可分为3种:热力型､快速型和燃料型｡热力型NOX的生成温度一般要求1500℃以上,而CFB锅炉炉内温度在1000℃以下,因此热力型NOX的含量很少｡快速型NOX的生成条件为低氧､燃料富余,而CFB锅炉内的空气过剩系数一般在1.2以上,不满足快速型NOX的生成条件｡燃料型NOX主要由燃料中的含氮化合物在加热过程中,伴随挥发分燃烧和焦炭燃烧形成｡因此,CFB锅炉生成的NOX主要是燃料型NOX,其含量常超过95%,主要包括:挥发分燃料燃烧阶段形成的NOX和焦炭燃烧阶段形成NOX｡

 

目前,控制CFB锅炉NOX排放的技术主要有以下几种｡

 

1.1 低氮燃烧技术

 

低氮燃烧技术主要是通过运行方式的改进或对燃烧过程进行特殊控制,一方面抑制燃料生成NOX,另一方面将已生成的NOX还原,最终降低NOX排放量｡主要方法包括:

 

(1)低氧燃烧｡通过降低过量空气系数,以利于还原性气氛的形成,减少NOX的生成｡

 

(2)强化分级配风｡流化床锅炉本身就是分级配风,但需根据煤种不同合理调整一､二次风的风量及风速,避免产生局部高温｡

 

(3)燃料再燃｡在旋风分离器入口前再送入一股气体燃料,由于氧量不足会形成还原性气氛,将NOX还原为N2｡

 

1.2 SNCR脱硝技术

 

SNCR(选择性催化还原)脱硝技术是指在无催化剂的作用下,在最佳反应温度850~1000℃之间喷入还原剂,将烟气中的NOX还原为无害的N2和H2O｡该技术一般采用炉内喷氨或尿素作为还原剂还原NOX,其主要反应式为:

 

 

 

1.3 SCR脱硝技术

 

SCR(选择性催化还原)脱硝技术的原理是在催化剂(V2O5/TiO2)的作用下,在最佳的催化温度300~400℃之间,用还原剂氨(NH3)与NOX反应生成无害的N2和H2O,一般将SCR反应器置于省煤器后､空气预热器之前｡其主要反应式如下:

 

 

1.4 SCR-SNCR脱硝技术

 

SCR-SNCR混合脱硝技术是结合了SNCR法的经济性和SCR法的高效而发展起来的一种脱硝工艺,其流程是:先将还原剂喷入炉膛,在高温下还原剂与烟气中的NOX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NOX｡

 

 

 

2、脱硝方案选择

 

对于燃煤矸石CFB锅炉脱硝技术的选择,不应采取一刀切的方式,而应结合不同地区､机组新旧程度以及煤质等因素采用不同的脱硝技术｡

 

2.1 满足GB13223-2011标准的改造方案

 

要满足GB13223-2011的排放标准,老机组需将NOX的排放量降至200mg/m3以下｡现有的300MW燃煤矸石CFB锅炉NOX排放量一般在200mg/m3左右,只需选择合适的低氮燃烧方法进行改造,即可满足要求｡

 

对于NOX的排放量要求在100mg/m3以下的新建机组,以及通过低氮燃烧改造仍不能满足排放要求的老机组,可在低氮燃烧的基础上加装SNCR脱硝装置｡一般而言,CFB锅炉在旋风分离器处的温度为800~950℃,恰处于SNCR脱硝技术的最佳反应温度区间;此外,高温烟气在旋风分离器内形成强烈的涡流,将SNCR喷枪布置于旋风分离器进口烟道上,既能保证还原剂与烟气充分混合,又能保证有足够长的停留时间｡这种脱硝方式的效率可达60%以上｡

 

表3为某240t/h的CFB锅炉在采用燃料再燃+SNCR脱硝技术后NOX的排放浓度,其结果达到了GB13223-2011标准的限值要求,且对整个锅炉机组的影响较小｡

 

 

2.2 满足超低排放标准的改造方案

 

若要满足超低排放要求,NOX的排放需低于50mg/m3,采用低氮燃烧+SNCR脱硝技术已经无法满足要求｡由前文分析,结合表2可知,SCR和SCR-SNCR脱硝技术均具有较高的脱硝效率｡如采用SCR脱硝技术,一方面催化剂容易中毒和磨耗,另一方面SO3含量的增加会对下游设备造成堵塞和腐蚀,影响系统连续运行｡且SCR脱硝技术的催化剂用量大,占用空间较大,需要对空预器及引风机等进行改造,难度大､工期长､初投资和运行维护费用也较大｡因此单独采用SCR脱硝技术不适用于燃煤矸石的CFB锅炉｡而SCR-SNCR脱硝技术催化剂用量少,中毒和磨损带来的损失小,占用空间小,改造难度也减小,且氨逃逸量也较小,减轻了对下游设备的影响,既结合了SNCR和SCR的优点,又减少了SNCR和SCR的缺点｡采用SCR-SNCR脱硝并结合低氮燃烧技术,脱硝效率可达90%以上,完全可以满足超低排放的要求｡同时在工程改造中可以预留一部分空间,当排放达不到规定标准时,可以直接在此加装催化剂,减小工程改造的难度与风险｡

 

3、结语

 

脱硝技术的改造可以遵循低氮燃烧→低氮燃烧+SNCR→低氮燃烧+SCR-SNCR的技术路线,当前一项不能满足排放标准时,在原有脱硝技术的基础上进行下一步的脱硝改造｡对燃煤矸石CFB锅炉脱硝改造提出以下建议:

 

(1)对于现有或新建的非敏感(只需满足GB13223-2011标准)地区的燃煤矸石CFB机组可采用低氮燃烧技术或低氮燃烧+SNCR脱硝技术｡

 

(2)对于敏感(需满足超低排放要求)地区的燃煤矸石CFB机组可采用低氮燃烧+SCR-SNCR混合脱硝技术｡

 

文献信息

 

陈建全,高彬彬,高建强. 燃用煤矸石循环流化床锅炉烟气脱硝方案研究[J]. 浙江电力,2016,05:38-41.