清華大學張縵副教授：循環流化床鍋爐脫硝工藝經濟性分析

發布時間：2023-06-14 17:10:52

循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣、燃料利用率高和污染物排放低等特點，在劣質燃料的高效綜合利用以及節能環保方面發揮了重大作用。

循環流化床鍋爐具有燃料適應性廣、燃料利用率高和污染物排放低等特點，在劣質燃料的高效綜合利用以及節能環保方面發揮了重大作用。近年，循環流化床技術發展迅速，裝機容量明顯上升。隨著國家對燃煤電廠NOx排放的嚴格要求，多地煙氣排放標準限制NOx濃度不超過50 mg/m3，而循環流化床的原始NOx排放量為100～200 mg/m3，無法滿足超低排放的要求。因此，有必要對循環流化床中普遍應用的低氮燃燒技術、選擇性催化還原技術(SCR)和選擇性非催化還原技術(SNCR)等脫硝工藝開展經濟性分析，為不同條件下循環流化床鍋爐選用合適的脫硝技術提供參考。

清華大學能源與動力工程系張縵副教授結合前人研究成果，通過建立相應的技術經濟性分析模型，結合脫硝工藝的設計參數和運行數據，分析脫硝劑價格、催化劑價格、電價和年運行時間等因素在較大波動范圍內對2種脫硝工藝的影響，并考量了超低排放循環流化床鍋爐技術對2種工藝經濟性的影響。

摘要

循環流化床鍋爐爐內低氮燃燒無法滿足排放要求時，需要對排煙進行進一步凈化。煙氣凈化工藝主要有SNCR脫硝和SCR脫硝。為了比較2種工藝的經濟性，建立了技術經濟分析模型，對比分析了滿負荷時的經濟技術指標。結果表明：脫硝劑價格、催化劑價格和年運行時間是影響脫硝成本的主要因素，尿素價格對SNCR脫硝成本的敏感度最大，液氨對SCR脫硝成本的敏感度大于催化劑價格。SNCR脫硝的運行成本和總成本相對較低時要求NOx濃度分別低于140和228 mg/m3。基于入口NOx濃度200 mg/m3，對SCR工藝和SNCR工藝的經濟性比較表明，當尿素價格低于3 402元/t時，SNCR總成本較低；當液氨單價高于3 300元/t時，SNCR工藝總成本更經濟；在催化劑和年運行時間研究波動范圍內，SNCR總成本始終最低、最經濟。SNCR-SCR聯合脫硝工藝不具備經濟優勢，且入口NOx濃度為151～273 mg/m3時總成本最高。超低排放循環流化床鍋爐技術可以改善SCR工藝和SNCR工藝的經濟性，并使SNCR工藝的優勢更為突出。

1 CFB常用脫硝技術

（1）爐內低氮燃燒技術

循環流化床鍋爐NOx原始排放主要受給煤煤質、床溫、氧量、燃燒均勻性以及爐內還原氣氛強弱等因素影響。爐內低氮燃燒技術主要通過保證燃燒均勻性、采用流態及結構優化等耦合優化技術措施實現爐內高效抑氮。現有的大多數循環流化床鍋爐可通過爐內低氮燃燒技術將NOx控制在100 mg/m3以下。部分循環流化床鍋爐因煤質、運行參數偏離設計工況，運行床溫高，造成鍋爐NOx原始排放超過200 mg/Nm3，單獨采用SNCR不能實現NOx超低排放，須進行爐內低氮燃燒改造，爐內低氮燃燒改造主要包括風帽優化、二次風改造、煙氣再循環等。

（2）SNCR技術

SNCR脫硝技術是指無催化劑參與時，在合適的反應溫度區間內利用脫硝劑將煙氣中的NOx還原為無害的氮氣和水。該技術采用稀釋后的尿素溶液或氨水作為脫硝劑，經噴槍霧化后噴入爐膛850～1 100 ℃煙氣中進行脫硝反應。SNCR技術已在循環流化床中得到成熟應用，具有系統簡單可靠和效率較高的優點，脫硝效率可達60%～75%，但SNCR的氨逃逸率較高，最高達到8×10-6。

（3）SCR技術

SCR脫硝技術是指在催化劑參與時，用脫硝劑NH3將煙氣中的NOx還原成無害的氮氣和水。該技術將脫硝劑NH3噴入煙氣中，含有氨氣的煙氣通過含有專用催化劑的反應器，在催化劑作用下發生反應。SCR脫硝技術在煤粉鍋爐煙氣脫硝中得到廣泛應用，系統可靠，脫硝效率高達90%以上。循環流化床鍋爐應用該技術時，需重點考慮燃用劣質煤時含塵量大所導致的催化劑磨損問題，以及爐內石灰石脫硫導致的催化劑中毒等問題，這將直接影響脫硝效率和催化劑的使用壽

2 技術經濟性分析模型

（1）成本計算方法

對循環流化床鍋爐的脫硝成本用運行費用和綜合費用進行評估。運行費用主要包含機組運行期間的脫硝劑消耗、催化劑消耗、電耗、水耗以及蒸汽消耗，綜合費用則包含設備投資折舊費用、維護費用、人工費用和財務費用。

（2）關鍵因素敏感性分析

①脫硝設備入口NOx濃度

350 MW循環流化床采用SNCR脫硝工藝時，不同NOx入口濃度下的脫硝成本如圖1所示。可知隨著入口NOx濃度的增大，單位發電量總成本上升。其中，尿素成本占主要比例，且隨著入口NOx濃度增大，污染物脫除量增大，尿素耗量顯著增加，其占比顯著增大。當入口NOx濃度為200 mg/m3時，要達到50 mg/m3的超低排放，脫硝效率需要達到75%，之后入口NOx濃度繼續增大，氨氮摩爾比的增加對脫硝效率的影響很小。

圖1 SNCR工藝下入口NOx濃度對脫硝成本的影響

350 MW循環流化床采用SCR脫硝工藝時，不同NOx入口濃度的脫硝成本如圖2所示。可知隨著入口NOx濃度的增大，單位發電量總成本上升，但增幅明顯小于SNCR脫硝工藝。其中，液氨成本和催化劑成本占主要比例，隨著入口NOx濃度的增加，液氨成本增加，但增幅相對SNCR工藝中的尿素耗量較小，這是由于相同脫除效率下SNCR工藝的氨氮摩爾比顯著大于SCR工藝。蒸汽成本和電耗成本與液氨成本的趨勢一致，電耗成本明顯大于SNCR工藝的電耗成本，主要是因為SCR工藝需要布置催化劑層，增加了沿程阻力，導致引風機電耗大幅增加。

圖2 SCR工藝下入口NOx濃度對脫硝成本的影響

2種脫硝工藝的成本隨入口NOx濃度的變化如圖3所示。可知入口NOx濃度低于140 mg/m3時，SNCR工藝的運行成本相對較低；入口NOx濃度低于228 mg/m3時，SNCR工藝的總成本相對較低。2種脫硝工藝配置的總成本構成如圖4所示，計算中入口NOx濃度為200 mg/m3。可見，脫硝劑成本、催化劑成本是脫硝成本的主體。其中，SNCR脫硝工藝的脫硝劑成本很大，占總成本約82%；SCR脫硝工藝的脫硝劑和催化劑成本占比之和約為46%。

圖3 不同入口NOx濃度下2種脫硝工藝成本比較

圖4 不同脫硝工藝的分項成本比例

②其他因素

年運行時間對脫硝成本的敏感性分析如圖5所示，可知，SNCR和SCR工藝年運行時間的敏感度值均小于0，同時年運行時間對SCR工藝成本的敏感度更高，說明SCR成本受年運行時間的影響相對較大，這主要與SCR的初投資較高有關。

圖5 年運行時間對脫硝成本的敏感性分析

相較于SNCR工藝，SCR工藝的脫硝劑單價敏感度系數很低，而SCR工藝的電價和催化劑單價敏感度系數則相對較高，說明脫硝劑單價對SNCR工藝成本的影響程度較大，電價和催化劑單價則對SCR工藝成本的影響程度較大。SNCR工藝脫硝成本的敏感度因素由大到小依次為脫硝劑單價、電價，而SCR工藝脫硝成本的敏感度因素由大到小依次為脫硝劑單價、催化劑單價、電價。

③不同脫硝工藝的情景分析

結合以上分析結果，說明脫硝劑成本、催化劑成本和運行時間是影響脫硝工藝成本的主要因素。基于表1的邊界條件，改變單一變量得到不同脫硝工藝相應的曲線，進而獲得2種工藝經濟性的臨界變量值。

不同脫硝工藝對應不同尿素單價下的單位發電成本如圖6所示。可知基于運行成本來看，尿素單價低于2 296元/t時，SNCR工藝的運行成本較低。基于總成本來看，尿素單價低于3 402元/t時，SNCR工藝的總成本相對較低。當前尿素市場均價在2 000～3 000元/t，最高均價不超4 000元/t，顯然對于絕大多數情景，使用尿素較為經濟。

圖6 不同脫硝工藝下尿素單價對脫硝成本影響

不同脫硝工藝對應不同液氨單價下的單位發電成本如圖7所示。

圖7 不同脫硝工藝下液氨單價對脫硝成本影響

由圖7可知基于運行成本來看，液氨單價低于7 500元/t時，SCR工藝的運行成本較低。基于總成本來看，液氨單價高于3 300元/t時，SNCR工藝的總成本相對更為經濟。當前液氨市場均價在3 000～5 000元/t，顯然SCR運行成本較低，而總成本的經濟性臨界點處于液氨的市場價格范圍內，是否經濟取決于液氨的采購價格。

催化劑單價對脫硝成本的影響如圖8所示。可知在給定的催化劑價格范圍內，不存在經濟性臨界點。當前催化劑市場均價在30 000～50 000元/m3，顯然SCR的運行成本低于SNCR，而SNCR的總成本低于SCR。

圖8 不同催化劑單價下的脫硝成本對比

不同脫硝工藝對應不同運行時間下的單位發電成本如圖9所示。可知運行時間對單位發電量運行成本沒有影響。從總成本來看，運行時間低于7 500 h時，SNCR的總成本始終低于SCR。

圖9 不同運行時間下的脫硝成本

④SNCR-SCR聯合的經濟性

對于循環流化床而言，NOx原始排放較低，通過上述分析可知，選用SNCR要比SCR更經濟，但SNCR的脫硝效率相對低，且同等效率下的氨氮摩爾比高，氨逃逸量相對較大。考慮到煤種的變化和日益嚴格的環保標準，部分循環流化床鍋爐會在尾部預留裝設SCR的空間，下面對比分析SNCR-SCR聯合脫硝的經濟性。

SCR脫硝工藝中，2層催化劑占總投資比例的30%～40%，SNCR-SCR聯合脫硝工藝中按設1層催化劑考慮，總投資成本約90元/kWh，其余計算條件同表2。SNCR脫除50%的NOx，剩余NOx由SCR脫除，不同入口NOx濃度對SNCR-SCR聯合脫硝成本的影響如圖10所示。由圖10可知，當入口NOx濃度為151～273 mg/Nm3時，SNCR-SCR聯合脫硝單位發電量總成本最高，而當入口NOx濃度高于273 mg/Nm3時，SNCR-SCR聯合脫硝的經濟性要高于SNCR脫硝。

圖10 SNCR-SCR聯合脫硝成本

（3）超低排放循環流化床鍋爐技術對SCR、SNCR經濟性的影響

循環流化床鍋爐具有天然的低NOx排放優勢，目前通過調整合適床溫、過量空氣系數等可實現100 mg/m3的標準，而要實現超低排放要求仍有很大挑戰。目前的低氮燃燒路線是通過提高床質量、增加循環量，進一步強化爐內不同區域的還原性氣氛，使NOx原始排放更低。工程實踐表明，220 t/h循環流化床鍋爐使用該超低排放技術后，NOx原始排放均小于50 mg/m3的超低排放指標。

循環流化床鍋爐的NOx原始排放一般不高于200 mg/m3，該值低于計算的總成本臨界點228 mg/m3。使用超低排放循環流化床鍋爐技術后，NOx原始排放量低于計算的運行成本臨界點140 mg/m3。在不使用其他脫硝工藝的條件下，超低排放循環流化床技術進一步降低了NOx原始排放，基本滿足小于50 mg/m3的超低排放要求，僅需在啟停機或非常規運行條件下NOx排放量較高時投入脫硝設備即可。綜上可知，超低排放循環流化床鍋爐技術直接減少了NOx原始排放量，整體改善了脫硝工藝的經濟性。考慮到脫硝裝置的使用頻率和經濟成本，使用SNCR脫硝工藝最為經濟。

3 結論

1)影響脫硝成本的主要因素包括脫硝劑價格、催化劑價格和年運行時間。尿素價格對SNCR脫硝成本的敏感度最大，液氨對SCR脫硝成本的敏感度大于催化劑價格。單憑SNCR無法實現超低排放時，需要將SNCR與SCR技術相結合，最為經濟。當入口NOx濃度低于140 mg/m3時，SNCR的運行成本相對較低；當入口NOx濃度低于228 mg/m3時，SNCR的總成本相對SCR更經濟。

2)在相同爐內低氮燃燒技術基礎上，當尿素價格低于3 402元/t時，SNCR總成本低于SCR。而市場尿素均價在2 000～3 000元/t，使用尿素的運行成本更低，因而SNCR的脫硝成本較經濟。在催化劑和年運行時間的研究范圍內，SNCR的總成本始終最低，最經濟。

3)基于低氮燃燒的超低排放循環流化床鍋爐技術可以改善SCR工藝和SNCR工藝的經濟性。綜合考慮脫硝裝置的經濟成本，SNCR脫硝工藝的運行成本和總成本均最低。

引用格式

蔡晉，吳玉新，張縵，等.循環流化床鍋爐脫硝工藝經濟性分析[J].潔凈煤技術，2021,27(4):97-104.

CAI Jin，WU Yuxin，ZHANG Man,et al.Economic analysis of desulfurization technology of circulating fluidized bed boiler[J].Clean Coal Technology,2021,27(4):97-104.

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煤炭清潔高效轉化理論與技術專刊-潔凈煤技術2021年第4期