循环流化床机组烟气脱硫方案研究

序言

循环流化床(CFB)机组具备燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放低、结构简略、运行灵活等众多优势，在国外外得到广泛应用，非常是小型循环流化床机组的发展和应用在近些年来尤为快速。

近些年来，随着环保问题的集中爆发，国家环保新政越发严苛。国家环保部《火电站大气污染物排放标准》(GB13223—2011)对机组烟气污染物SO2、NO2和烟尘排放限值大降幅回升，大量新政前开工的火马达组应当扩建升级。

在此背景下，文中针对CFB机组烟气脱硫技术进行研究，提供可行方案供参考。

1CFB机组脱硫技术剖析

煤燃烧生成NOx的过程有燃料型NOx、热力型NOx和迅速型NOx三个途径。CFB机组形成的NOx主要是燃料型NOx。现在，控制CFB机组NOx排放的技术主要有以下几种：

1.1SCR脱硫技术

SCR技术最早于上世纪70年代适于台湾电厂机组的NOx控制，其原理是把酰基还原剂喷入机组下游300～400℃的烟道内，在催化剂作用下，借助甲基还原剂的选择性将烟气中NOx还原成无害的N2和H2O。SCR是一种成熟的深度烟气氮氧化物后处理技术，无论是改建锅炉还是在役锅炉改建，绝大部份燃煤机组都可以安装SCR装置。典型的烟气脱硫SCR工艺具备如下特征：

(1)脱碳效率可以高达90%以上，NOx排放含量可控制到50mg/m3(标准状态，干基，6%O2)以下；

(2)催化剂是工艺关键设备。催化剂在与烟气接触过程中，遭到气态物理物质摧残、飞灰堵塞与泥岩磨蚀等诱因的影响，其活性渐渐减少，一般3～4年降低或更换一层催化剂。对于废旧的催化剂，因为富集了大量痕量重金属元素，须要慎重处理；

(3)反应器内烟气平行向上流速约4～4.5m/s，催化剂通道内烟气速率约5～7m/s。300MW锅炉对应的每台SCR反应器截面积分别约80～90m2；

(4)脱硫系统会降低机组烟道系统阻力约700～1000Pa，需增加引水泵压头

(5)SCR系统的运行会降低空预器入口烟气中SO3含量，并残留部份未反应的逃匿气体，两者在空预器高温传热面上反应产生硝酸氢铵，易恶化空预器冷端的堵塞和磨蚀，还要对空预器采取抗硼酸氢铵堵塞举措；

(6)受制于机组烟气参数、飞灰特征及空间布置等诱因的影响，依据反应器的布置位置，SCR工艺分为高灰型、低灰型和尾部型等三种：高灰型SCR是主流布置，工作环境相对恶劣，催化剂活性惰化较快，但烟气气温合适(300～400℃)，经济性最高；低灰型SCR与尾部型SCR的选择，主要是为了洁净催化剂运行的烟气条件或则是遭到布置空间的限制，因为需将烟气加热到300℃以上，只适于于特定环境。

初期的脱硫催化剂供应主要有中国Cormetech、奥地利Ceram、德国亚基隆、日本日立、丹麦托普索等公司，随着催化剂生产线在国外成立，东方凯特瑞、中电远达及广东龙源等国外公司的产品品质得到了认可，渐渐成为国外催化剂供应的主力，现在催化剂售价已有较大降幅衰退。

1.2SNCR脱硫技术

SNCR技术是运用喷枪将甲基还原剂(如甲烷、氨水、尿素)碱液雾化成液滴喷入窑炉，热解生成气态NH3，在950～1050℃温度区域(一般为机组对流传热区)和没有催化剂的条件下，NH3与NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx还原成N2与H2O。喷入窑炉的气态NH3同时参与还原和氧化两个竞争反应：体温超出1050℃时，NH3被氧化成NOx，氧化反应起主导；气温高于1050℃时，NH3与NOx的还原反应为主，但反应速度减慢。

相对SCR而言，SNCR制氢效率有限制。并且，因为它的低投资和低运行费用，非常适宜中小容量机组的使用，尤其是循环流化床机组综合性价比较好。SNCR整体工艺比较别致，具备如下特征：

(1)SNCR技术可控制NOx排放减少50%～80%，循环流化床机组因为反应室温窗口适合与还原剂均匀混和良好，所以脱硫效率远低于烟煤机组；

(2)SNCR装置不降低烟气系统阻力，也不形成新的SO3，氨逃匿含量一般控制在10μL/L以内(SCR是3μL/L)；

(3)还原剂喷入窑炉前，还要稀释到10%以下，而雾化液滴蒸发热解过程还要吸收一定的糖分，这会导致机组效率形成一定程度的减少。

1.3SNCR/SCR混和型烟气脱硫技术

混和型SNCR/SCR技术是将SNCR与烟道型SCR结合，SNCR承当脱硫和提供NH3的双重功能，运用烟道型SCR将上游来的NH3与NOx反应完全，以便提升整体脱硫效率。技术特性如下：

(1)适应于场地空间有限的特定环境，脱硫效率可达到75%左右；若是SNCR结合烟道外独立的反应器SCR，配合良好的烟气喷管及喷氨隔栅，其效率可高达95%左右；

(2)烟道阻力约降低大于150～500Pa，主要取决于催化剂的药量和烟道方式；

(3)整体脱硫效率高于70%时，烟道型SCR不需另设喷氨AIG装置，但须要增加烟道型SCR的脱硫效率时，还得增设单独的氨喷射系统；

(4)SNCR/SCR混和型脱硫技术是现今发展上去的技术，有其特定的应用范围。该技术的形成和应用，同时也说明氮氧化物控制也要讲经济性。

另外，SNCR/SCR还有另外一种应用方式，即SNCR形成的氨逃匿，仅作为SCR的小部份还原剂，SCR所需的还原剂的主要部份一直来自己喷氨隔栅。这些方法的联用技术，才能达到少于90%的脱硫效率。

1.4CFB机组低氮燃烧技术

CFB机组形成的燃料型NOx生成成因十分复杂，控制燃料型NOx生成最有效的举措是分级送风燃烧，在还原氛围中氮燃烧的后边产物较少被氧化成NO，因而抑止了NOx的生成。机组设计结构和运行模式对NOx排放的影响较为显著，国外开工的CFB机组为减少运行费用通常不设置内置床，调节方式有限，部份水厂为了增加飞灰底渣含碳量，更是人为选择了较高的密相区气温，这就促使CFB机组的低NOX燃烧特点发挥遭到了限制。

结合循环流化床机组设计、运行状况，选用合适的技术方式对机组布风均匀性、分离器效率、级配送风等方面进行优化，实现炉内低氮燃烧，可明显减少NOx原始排放含量。

低氮燃烧技术主要是通过运行模式的改进或对燃烧过程进行特殊控制循环流化床，一方面抑止燃料生产NOx，另一方面将已生成的NOx还原，最终减少NOx排放量。

主要方式包括：(1)缺氧燃烧。通过增加适量空气系数，以促使还原性氛围的产生，降低NOx的生成。

(2)加强分土体风。比如，通过二次风口改建，或则调整一、二次风比列，可以减少污染物的排放。

(3)提高分离器效率。主要通过分离器入口烟道改建、中心筒提效扩建等，增加旋风分离器的分离效率。

(4)烟气再循环。将机组尾部的高温烟气的一部份通过再循环水泵送入窑炉，因而改变机组糖分分配，增加局部燃烧体温，调节反应氛围。

2CFB机组超低排放扩建方案

CFB锅炉因为具备低NOx排放的优势，绝大部份CFB锅炉NOx排放到100～350mg/m3。现役大部份CFB机组的运行床控温制在850～950℃，可实现高温燃烧和分级燃烧，在合适的运行参数下，NOx的排放原始含量可控制在200mg/m3左右，但还有部份挥发分较高的煤种以及运行床温较高的CFB机组，NOx排放含量可达到300mg/m3左右。满足不了超低排放要求，还要逐步深度脱硫整修。

2.1低氮扩建+SNCR技术

扩建方案一：低氮扩建+SNCR技术。针对CFB机组运行状况，选择合适的低氮燃烧扩建方案，结合SNCR技术，并且CFB机组烟气可以达到超低排放标准要求。其中详细扩建举措如下：

(1)二次风口整修扩建内容包括为部份二次风口上移、标高及厚度方向上的优化、增加西路二次调节门以控制不同载荷下二次风配比。通过扩建以便优化优化空气分级，使二次风分配均衡可调。

(2)旋风分离器优化扩建通过耐热耐火材料将旋风分离器入口烟道长度降低，增加旋风分离器入口烟气速率，相应增加旋风分离器分离效率。因此依据实际状况对中心筒进行整修，中心筒改建目的只是增加分离器效率，从而减小循环灰量及减少飞灰颗粒度；同时间接增加床温。

(3)深度燃烧调整优化深度燃烧调整包括优化物料紊流及循环状态，缓解机组燃烧特征，控制燃烧气温均匀(控制床温均匀)，入炉燃烧颗粒度的控制，一二次风率的配比调整，上下二次风调整、返料循环调整、炉内脱硝与脱硫综合调整等，逐步有效减少原始排放。在燃烧优化的基础上，对机组热力计算书进行验算，按照结果联合机组厂、研究院对机组进行受热面调整改建，确保逐步减少床温、提高再热汽温、减轻尾部积灰。

(4)SNCR脱硫系统升级改建对现有的SNCR脱硫系统进行脱硫升级改建，提高分离器喷枪数目以及对原有丙酮碱液输送系统进行整修。修改冷却风循环流化床，从机组引出高压流化风，在通过分配模块分到每只喷枪，用作冷却风。选用高压流化风作为冷却风，才能保证冷却风量及增加冷却风系统的靠谱性。优化DCS控制系统，使用卷积调节机制，完成SNCR系统的手动控制，使其在锅炉负荷追踪上满足手动控制要求。

2.2SNCR+SCR

整修方案二：SNCR+SCR。将机组高温省煤器撤除并移位，增设SCR反应器，脱硫后的净烟气引回原低温省煤器出口并步入空预器。考虑到CFB机组现在SNCR运行状况、改造难易程度、工程投资等诱因，可将机组一级过热器与省煤器抬升，在省煤器出口布置烟道型SCR脱硫催化剂，运用SNCR装置逃匿氨还原NOx。安装烟道型SCR特点主要有两方面：一方面可增加SNCR水质比，提高SNCR装置脱硫效率，另一方面可增加SNCR装置氨逃匿对后续设备的影响，保证后续设备运行安全性。因此依据电站实际状况，若改装烟道型SCR装置，需将一级过热器及省煤器压低扩建电热锅炉，提高部份机组载荷，建议安装工程推行中项目中标方与原机组厂商、原设计单位积极勾通，将扩建对原机组影响降至最低。以上两种整修方案均可实现超低排放，但改建施工量均较大。因为方案二还要引出烟道，新增反应器，增设相关支撑钢结构，投资费用超过方案一较差。因而建议优先考虑低氮整修+SNCR技术。

3结束语

文中具体考察了广泛应适于CFB机组的烟气脱硫技术，提出了满足CFB机组烟气超低排放标准的整修方案，建议优先考虑选用低氮整修+SNCR技术，研究结果对CFB机组超低整修具备参考价值。