氧化脱硝技术在CFB机组深度调峰中的应用

随着国家“十四五”电力规划的逐渐推进，光伏发电、风力发电等新能源发电的装机容量持续增加，而火电机组装机容量的占比逐年下降。在2020年煤电装机容量占全部装机容量的比例首次降至50%以下。国家能源局要求各火电生产企业提升灵活性和相应的深度调峰改造，例如在西北和东北等地区先后要求火电机组的调峰比例要达到 30%负荷，部分地区已经要求火电机组具有10%~20%负荷的长期调峰能力。燃煤机组实现深度调峰对机组安全性、环保性、协调性等方面提出了更高的要求。本文重点研究了循环流化床机组在深度调峰要求下对低温脱硝的挑战和应对措施。

1.高级氧化技术的原理和特点

1.1.高级氧化技术脱硝的原理和特点

高级氧化技术又称深度氧化技术，其基础在于运用电、光辐照、催化剂，有时还与氧化剂结合，在反应中产生活性极强的自由基（如 HO?），再通过自由基与有机化合物之间的加合、取代、电子转移、断键等，使水体中的大分子难降解有机物氧化降解成低毒或无毒的小分子物质，甚至直接降解成为CO₂和H₂O，接近完全矿化。目前的高级氧化技术主要包括化学氧化法、电化学氧化法、湿式氧化法、超临界水氧化法和光催化氧化法等。表₁为几种常用氧化剂的氧化型比较情况，其中臭氧（O₃）具有较高的氧化性能，利用臭氧法进行脱硝在工业上已得到一定的应用。

 

采用臭氧法脱硝，即用O₃与烟气中的NO反应，将NO氧化成高价态的氮氧化物，在湿法洗涤塔中利用碱液有效吸收，生成硝酸盐和亚硝酸盐，最后利用硝酸盐溶解度随温度变化敏感的特点，采用蒸发结晶、饱和结晶等工艺实现硝酸盐的回收。其反应方程式如下：

 

1.2.臭氧脱硝工艺和设备简介

臭氧法脱硝一般是通过臭氧发生系统将液氧（或者制氧机）中的O₂激活，产生的O₃活性分子通入烟道进行脱硝反应，产生的N₂O₅在脱硫塔中反应生成硝酸盐或者亚硝酸盐，其工艺流程图如图 1所示。

 

臭氧发生器是氧化法脱硝的核心设备之一，其原理是依据介质阻挡放电法来产生臭氧。在两平行高压电极之间存在一层绝缘介电体，并保持一定的放电间隙，当通入高压电流时，会产生交变高压电场，当空气或氧气通过放电间隙时，氧气分子受高能电子激发而获得能量并相互碰撞形成臭氧分子。臭氧发生器产生臭氧的工作原理如图₂所示。采用臭氧法脱硝具有以下特点：

（1）低温烟气处理，无SCR/SNCR温度窗口限制；在40℃~150℃低温烟气中发生反应，具有较高的脱硝效率，一般可以达到80%以上；

（2）与前端燃烧过程无关，对运行无影响；

（3）适用各种烟气环境，如电站锅炉、垃圾焚烧炉、水泥窑炉、钢铁行业烧结机烟气处理等复杂环境；

（4）同时可实现脱硫除汞，以及有机物的降解，实现一塔多脱；

（5）非NH₃脱硝，无氨逃逸及二次污染风险；

（6）脱硝副产品实现高附加值资源化利用；

（7）相比SCR改造，臭氧脱销的投资费用更低，可在炉外施工，且工期对停机要求不高。

 

2.氧化脱硝的试验分析

某垃圾焚烧发电项目采用日本荏原往复式机械炉排炉，处理垃圾能力为2×500t/d。该项目设置蒸汽空气预热器，在垃圾低位热值为4190kJ/kg（1000kcal/kg）时能将一次空气预热至240℃，以提高入炉热量，维持正常燃烧。同时该项目设置烟气再循环系统，能够有效地降低锅炉出口的NOx排放浓度值，并通过蒸汽空气预热器可将循环烟气温度最高加热到240℃，保证燃烧稳定。该项目的烟气净化系统采用SNCR+减温塔+干法（熟石灰）+活性炭吸附+袋式除尘器+湿法+烟气再循环相组合的净化工艺，炉内SNCR脱硝工艺可将NOx排放浓度（质量浓度）控制在200mg/m³以内。通过在低温段增加氧化法脱硝，研究不同试验工况条件对NO氧化率的影响，具体如表₂所示。表₂中，通过对发生器出力为30%、50%、100% 与烟气温度为166℃、178℃、189℃进行交叉组合，产生了9个不同的工况，且O₃投加量随发生器出力和烟气温度变化，分析不同工况条件对进、出口参数和NO氧化率的影响，不同工况下的能耗对比如表 3所示。

 

 

由表₂可知，NO的转化率跟O₃投加量和烟气温度有较大的关系。在相同温度下，随着臭氧投加量的增加，NO的转化率随之提升，可以达到70%以上，具有较好的脱硝效果。此外，由该表可知，臭氧投加量的增加，对 φ（O 2 ）和 w（CO）的影响很小。

臭氧发生器能耗（电耗）是核算氧化脱硝成本的主要指标，如表₃所示，本试验的臭氧能耗平均值为5.04kWh/kg；按照电价0.6元/（kWh）的成本计算，电费为3.02元/kg，某些工况下的脱硝成本将低于尿素消耗量产生的脱硝成本。

3 循环流化床锅炉NOx的生成机理

3.1CFB锅炉NOx排放的特点

NOx排放低是循环流化床（CFB）锅炉最重要的优点之一。由于循环流化床锅炉内燃烧温度在800℃~900℃，此条件下空气中的氮很难被氧化为NO，而燃料中N元素可转化生成燃料型NOx，因此与煤粉锅炉相比，循环流化床锅炉中NOx的生成量显著减少。

目前，应用在燃煤电站锅炉上成熟的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原（Selective Catalytic Reduc?tion，SCR）、选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）以及SNCR-SCR的组合脱硝技术。循环流化床机组目前普遍采用的是SNCR技术，在旋风分离器入口或出口喷射尿素或氨水溶液，将烟气中的NOx还原成N₂和H₂O。SNCR技术具有投资少、系统简单的优点，在850℃~950℃温度区间内具有80%以上的脱硝效率。但SNCR技术对反应温度的要求比较严格，当烟气温度低于800℃时，其反应效率将大幅度下降，造成氨逃逸量较高，影响机组的经济性和安全性。SCR烟气脱硝技术是指利用还原剂NH₃在有氧条件下、合适温度范围内将吸附在催化剂表面的NOx选择性还原成无害的氮气和水。它具有较高的脱硝率，能达到50%~90%，是一种相对成熟的电站烟气脱硝技术。因此在部分循环流化床机组中也采用了SNCR-SCR的组合脱硝技术。

3.2CFB锅炉在深度调峰要求下存在的主要问题

在深度调峰要求下，低负荷运行工况下的循环流化床机组会面临如下问题：

（1）为了满足循环流化的需要，随着负荷降低，锅炉风量并不随负荷比例下降，往往低负荷下的燃烧氧量偏高是影响NOx生成的主要因素之一；

（2）负荷越低，锅炉燃烧温度越低，SNCR脱硝效率大幅度下降，氨逃逸量呈现出显著增加的现象；

（3）低负荷下，二次风量较少，分级燃烧效果不明显。循环流化床机组由于其燃烧的特殊性，随着负荷的降低，燃烧温度逐渐下降。当负荷低于40%机组额定负荷时，会造成脱销系统的脱硝效率明显下降，氨逃逸量大幅度增加。而在低负荷下时，为了满足物料流化，需要足够的流化风量，会造成燃烧氧量偏高，此时若仅靠炉内的脱硝手段不能完全满足全负荷脱硝的需要。因此，循环流化床机组在深度调峰的过程中，采用炉内的高温脱硝（还原法）和尾部的低温脱硝（氧化法）相结合的方式是可行的。

4.高级氧化技术在CFB锅炉深度调峰中的应用

以某2×300 MWe CFB 项目为例，将本文介绍的高级氧化技术（臭氧脱硝法）与其SNCR脱硝系统进行对比分析，该机组全负荷脱硝情况如表 4所示。在低负荷阶段，如0~40%BMCR 工况下仅采用氧化脱硝法的脱硝率可以达到 80% 左右，可满足超低排放的要求，不需要投入SNCR脱硝装置，避免氨逃逸的产生。随着负荷的提升，当炉内温度达到 SNCR 装置的最佳反应温度时，仅靠 SNCR 可实现 80% 左右的脱硝效率。当负荷进一步提升时，一部分循环流化床机组因为床温过高，NOx的生成量过大，则需要将SNCR和氧化法脱硝同时投入来确保出口的NOx浓度达到超低排放的要求。

对在役的采用 SNCR 的循环流化床机组进行深度调峰的技术改造，对比其在低负荷下采用氧化脱硝与新增SCR的方案，对比情况如表 5所示。从综合投资成本、施工周期、运行成本和影响上来看，氧化脱硝将更加适合低负荷工况的需求。

以该 2×300 MWe CFB项目为例，设计新增一套氧化脱硝设备，设备基本条件如表 6所示。

 

 

5 “双碳”目标下关于能耗的新要求

目前，随着我国环保政策的加强，常规煤粉锅炉机组开始普及采用催化还原（SCR）的方式进行脱硝，由于这种方式要消耗大量的尿素（或氨水，但是有些地方不允许储存氨水），因此运行成本较高。据报道，300MWe容量等级的煤粉锅炉机组每年的脱硝成本中仅尿素消耗量的成本就在 1 500万元以上，如果再加上催化剂的更换、处理费用将会更高。此外，使用过程中更换下来的催化剂如果处理不当还会造成严重的二次污染，而且尿素生产过程中还要增加大量的水、电成本等。据统计，每生产1t氨水需要消耗的能量为20. 93GJ，而我国目前每合成1t氨气能耗可达 40 GJ，且合成氨过程中主要消耗的是天然气，又进一步增加了化石燃料的使用。因而，采用 SCR的方式进行脱硝就某个电厂来看，尽管污染物排放量降低了，但是如果从考虑合成氨过程中所消耗的能量来看，整体的碳排放是否降低，还需要进一步综合分析计算。

循环流化床锅炉具有低温动力燃烧和分级送风等特点，大量的未燃尽碳颗粒能在主循环回路中进一步还原已经生成的NOx，因而在NOx排放量控制方面较常规煤粉锅炉有明显的优势，其NOx排放量远远小于常规煤粉锅炉。以300MWe容量等级的循环流化床锅炉机组为例，若仅采用SNCR脱硝，其消耗的尿素消耗量年度成本大约500万元~800万元，但其在低负荷工况下氨逃逸造成的二次污染也比较严重。

2020年第75届联合国大会上，我国向世界郑重承诺“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。文件《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，明确提出要扎实做好碳达峰碳中和工作。在“双碳”目标的形势下，国家进一步加强了新能源发电的建设，这不仅要求火电机组要进一步满足“灵活性”调峰的需要，还应对节能降耗做出更大的贡献。这意味着火电机组与风、光发电相结合的模式将越来越多。部分有条件的电厂，利用火电厂内和周边空余场地，建设分布式光伏电站，完全或者部分替代火电厂的厂用电是完全可行的。在此条件下，利用新能源发电来带动臭氧发生器进行氧化脱硝，将大大降低尿素的消耗量，可实现在整个工艺链中进一步降低能耗和碳排放的目标，可为碳减排做出更大的贡献。

6 结论

在新的形势下，不仅需要进一步满足电网对循环流化床机组深度调峰的要求，还对机组的节能降耗提出更高的要求，为“双碳”目标做出更大的贡献。高级氧化法脱硝具有在低温条件下脱硝效率高的特点，作为一种辅助的脱硝手段，可实现在对锅炉小幅度改动的情况下，满足循环流化床机组全负荷脱硝的需求，从而进一步提升循环流化床机组的深度调峰的能力。

文献信息宋刚,陈燕辉,庄露凯.氧化脱硝技术在CFB机组深度调峰中的应用[J].电力学报,2022,37(04):329-335.DOI:10.13357/j.dlxb.2022.042.