生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展

2021-07-23杜显超谭月杨超英杜媛

环境保护与循环经济 2021年5期

杜显超谭月杨超英杜媛

（陕西大秦环境科技有限公司，陕西西安 710000）

1 引言

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［1］，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［2］。

生物质循环流化床锅炉不同于燃煤锅炉，具有温度低、负荷不稳定、氮氧化物含量低等特点，为烟气脱硝带来一定挑战。本文从生物质锅炉特点入手，结合NOX形成机理，综述生物质循环流化床锅炉烟气脱硝进展。

2 生物质燃料及循环流化床锅炉特点

生物质燃料来源主要是农作物及其废弃物、木材及其废弃物等，较为典型的几种见表1。

表1 部分典型生物质燃料样品分析

生物质燃料与煤比较有以下特性［3］：

（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［4］。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］。

3 生物质锅炉中NOX 形成机理

燃烧过程生成的NOX主要有热力型、快速型和燃料型3 种类型。根据生物质锅炉温度特性，生物质燃烧生成的NOX主要是燃料型。对固体生物质燃烧过程中NOX生成机理的研究，主要集中在Fuel－N的迁移机理上［5］。Fuel－N 的转化过程可分为一次热解、热解产物二次反应、热解产物燃烧3 个阶段，见图1［6］。

图1 生物质燃烧过程Fuel－N 迁移路径

在一次热解阶段和二次反应阶段，Fuel－N 首先随挥发分析出，形成初级热解产物（大分子挥发分氮、焦油氮、半焦炭等）。随着温度升高，初级热解产物进一步发生裂解生成HCN，NH3，HNCO，NO，N2等气相氮（Gas－N）物质，少部分含氮物质聚合生成焦炭氮（Char－N）。最后再经过热解产物燃烧阶段，Gas－N，Char－N 被氧化成了NOX或N2［6］。燃料的含氮量是影响生物质燃烧时NOX生成量的主要因素，含氮量越高，其生成量越高，排放量也越高［7］。

4 生物质循环流化床锅炉烟气脱硝研究进展

循环流化床锅炉烟气脱硝技术运用于工程项目的主要有低氮燃烧工艺、选择性催化还原（SCR）脱硝工艺、选择性非催化还原（SNCR）脱硝工艺以及SNCR＋SCR 耦合脱硝工艺。

低氮燃烧技术是从生成源头控制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，主要是通过调节炉膛燃烧温度、烟气中含氧量、烟气停留时间等来抑制NOX生成。该技术的脱硝效率较低，一般能达到脱硝率在50%以下［8］。

SCR 工艺原理是还原剂在催化剂作用下，将烟气中NOX还原为N2和水。还原剂一般有尿素、氨水、液氨，其中尿素、氨水最为常用，其经过热解或水解后生成NH3，由输送风机经过喷氨格栅送入反应器。SCR 反应器布置形式分为高尘布置、低尘布置。高尘布置是将反应器布置在省煤器与空预器之间，引出一条烟道进入反应器，采用高温催化剂（钒钛系），高尘布置应用最广，催化剂最为成熟，反应温度在320～420 ℃之间；低尘布置是将反应器布置在脱硫除尘之后，反应温度低，采用低温催化剂，由于低温催化剂造价高，对硫及硫酸盐以及反应温度较为敏感，发展不成熟，多用于垃圾发电领域。SCR 工艺脱硝效率高，可达90%，运行稳定，适用范围广，但成本、运行维护费用高，需要配置还原剂热解或水解装置，催化剂寿命有限，需定期更换。

SNCR 工艺原理是把还原剂（尿素、氨水）喷入炉膛温度为850～1 100 ℃的区域后，还原剂可迅速热分解成NH3和其他副产物，随后NH3与烟气中的NOX反应生成N2。对于循环流化床锅炉，还原剂喷射点一般位于旋风分离器入口水平烟道处，该处为直段，烟气流场均匀，烟气在此处停留时间较长，保证了还原剂热解时间及烟气与NH3的反应时间，有利于NOX与NH3反应完全。SNCR 工艺脱硝效率低，最高可达40%，但工艺简单，投资、运行成本较低，适用于脱硝效率要求较低的锅炉。

SNCR＋SCR 耦合脱硝工艺是将SCR 工艺与SNCR 工艺结合，利用SNCR 工艺还原剂制备简单、SCR 工艺脱硝效率高的特点。在锅炉合适温度区间喷入还原剂，生成NH3，一方面热解的NH3可在炉膛内与一部分NOX反应，另一方面未反应的NH3逃逸至下游脱硝反应器内，在催化剂作用下进一步与NOX反应，实现NOX脱除。该工艺脱硝效率高达60%～90%，成本与运行维护费用低于SCR 工艺，是目前锅炉脱硝应用最多的技术之一。

由于生物质循环流化床锅炉所具有的特性，决定了其在采用上述工艺时存在一些局限性。生物质锅炉烟气灰分大、碱金属含量高，使得SCR 工艺中催化剂阻塞、中毒风险加大。采用SNCR+低尘布置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，尽管其脱硝效率较低，但目前新型生物质循环流化床锅炉NOX排放质量浓度一般低于150 mg/m3，因此SNCR 脱硝技术是生物质锅炉控制NOX排放的首选。由于SNCR 脱硝温度区间在850～1 100 ℃，而生物质锅炉床温一般控制在850 ℃以下，因此，生物质锅炉SNCR 脱硝效率较低，配合低氮燃烧技术效果会更好。