清华大学张缦副教授：循环流化床锅炉脱硝工艺经济性分析

发布时间：2023-06-14 17:10:52

循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃料利用率高和污染物排放低等特点，在劣质燃料的高效综合利用以及节能环保方面发挥了重大作用。

循环流化床锅炉具有燃料适应性广、燃料利用率高和污染物排放低等特点，在劣质燃料的高效综合利用以及节能环保方面发挥了重大作用。近年，循环流化床技术发展迅速，装机容量明显上升。随着国家对燃煤电厂NOx排放的严格要求，多地烟气排放标准限制NOx浓度不超过50 mg/m3，而循环流化床的原始NOx排放量为100～200 mg/m3，无法满足超低排放的要求。因此，有必要对循环流化床中普遍应用的低氮燃烧技术、选择性催化还原技术(SCR)和选择性非催化还原技术(SNCR)等脱硝工艺开展经济性分析，为不同条件下循环流化床锅炉选用合适的脱硝技术提供参考。

清华大学能源与动力工程系张缦副教授结合前人研究成果，通过建立相应的技术经济性分析模型，结合脱硝工艺的设计参数和运行数据，分析脱硝剂价格、催化剂价格、电价和年运行时间等因素在较大波动范围内对2种脱硝工艺的影响，并考量了超低排放循环流化床锅炉技术对2种工艺经济性的影响。

摘要

循环流化床锅炉炉内低氮燃烧无法满足排放要求时，需要对排烟进行进一步净化。烟气净化工艺主要有SNCR脱硝和SCR脱硝。为了比较2种工艺的经济性，建立了技术经济分析模型，对比分析了满负荷时的经济技术指标。结果表明：脱硝剂价格、催化剂价格和年运行时间是影响脱硝成本的主要因素，尿素价格对SNCR脱硝成本的敏感度最大，液氨对SCR脱硝成本的敏感度大于催化剂价格。SNCR脱硝的运行成本和总成本相对较低时要求NOx浓度分别低于140和228 mg/m3。基于入口NOx浓度200 mg/m3，对SCR工艺和SNCR工艺的经济性比较表明，当尿素价格低于3 402元/t时，SNCR总成本较低；当液氨单价高于3 300元/t时，SNCR工艺总成本更经济；在催化剂和年运行时间研究波动范围内，SNCR总成本始终最低、最经济。SNCR-SCR联合脱硝工艺不具备经济优势，且入口NOx浓度为151～273 mg/m3时总成本最高。超低排放循环流化床锅炉技术可以改善SCR工艺和SNCR工艺的经济性，并使SNCR工艺的优势更为突出。

1 CFB常用脱硝技术

（1）炉内低氮燃烧技术

循环流化床锅炉NOx原始排放主要受给煤煤质、床温、氧量、燃烧均匀性以及炉内还原气氛强弱等因素影响。炉内低氮燃烧技术主要通过保证燃烧均匀性、采用流态及结构优化等耦合优化技术措施实现炉内高效抑氮。现有的大多数循环流化床锅炉可通过炉内低氮燃烧技术将NOx控制在100 mg/m3以下。部分循环流化床锅炉因煤质、运行参数偏离设计工况，运行床温高，造成锅炉NOx原始排放超过200 mg/Nm3，单独采用SNCR不能实现NOx超低排放，须进行炉内低氮燃烧改造，炉内低氮燃烧改造主要包括风帽优化、二次风改造、烟气再循环等。

（2）SNCR技术

SNCR脱硝技术是指无催化剂参与时，在合适的反应温度区间内利用脱硝剂将烟气中的NOx还原为无害的氮气和水。该技术采用稀释后的尿素溶液或氨水作为脱硝剂，经喷枪雾化后喷入炉膛850～1 100 ℃烟气中进行脱硝反应。SNCR技术已在循环流化床中得到成熟应用，具有系统简单可靠和效率较高的优点，脱硝效率可达60%～75%，但SNCR的氨逃逸率较高，最高达到8×10-6。

（3）SCR技术

SCR脱硝技术是指在催化剂参与时，用脱硝剂NH3将烟气中的NOx还原成无害的氮气和水。该技术将脱硝剂NH3喷入烟气中，含有氨气的烟气通过含有专用催化剂的反应器，在催化剂作用下发生反应。SCR脱硝技术在煤粉锅炉烟气脱硝中得到广泛应用，系统可靠，脱硝效率高达90%以上。循环流化床锅炉应用该技术时，需重点考虑燃用劣质煤时含尘量大所导致的催化剂磨损问题，以及炉内石灰石脱硫导致的催化剂中毒等问题，这将直接影响脱硝效率和催化剂的使用寿

2 技术经济性分析模型

（1）成本计算方法

对循环流化床锅炉的脱硝成本用运行费用和综合费用进行评估。运行费用主要包含机组运行期间的脱硝剂消耗、催化剂消耗、电耗、水耗以及蒸汽消耗，综合费用则包含设备投资折旧费用、维护费用、人工费用和财务费用。

（2）关键因素敏感性分析

①脱硝设备入口NOx浓度

350 MW循环流化床采用SNCR脱硝工艺时，不同NOx入口浓度下的脱硝成本如图1所示。可知随着入口NOx浓度的增大，单位发电量总成本上升。其中，尿素成本占主要比例，且随着入口NOx浓度增大，污染物脱除量增大，尿素耗量显著增加，其占比显著增大。当入口NOx浓度为200 mg/m3时，要达到50 mg/m3的超低排放，脱硝效率需要达到75%，之后入口NOx浓度继续增大，氨氮摩尔比的增加对脱硝效率的影响很小。

图1 SNCR工艺下入口NOx浓度对脱硝成本的影响

350 MW循环流化床采用SCR脱硝工艺时，不同NOx入口浓度的脱硝成本如图2所示。可知随着入口NOx浓度的增大，单位发电量总成本上升，但增幅明显小于SNCR脱硝工艺。其中，液氨成本和催化剂成本占主要比例，随着入口NOx浓度的增加，液氨成本增加，但增幅相对SNCR工艺中的尿素耗量较小，这是由于相同脱除效率下SNCR工艺的氨氮摩尔比显著大于SCR工艺。蒸汽成本和电耗成本与液氨成本的趋势一致，电耗成本明显大于SNCR工艺的电耗成本，主要是因为SCR工艺需要布置催化剂层，增加了沿程阻力，导致引风机电耗大幅增加。

图2 SCR工艺下入口NOx浓度对脱硝成本的影响

2种脱硝工艺的成本随入口NOx浓度的变化如图3所示。可知入口NOx浓度低于140 mg/m3时，SNCR工艺的运行成本相对较低；入口NOx浓度低于228 mg/m3时，SNCR工艺的总成本相对较低。2种脱硝工艺配置的总成本构成如图4所示，计算中入口NOx浓度为200 mg/m3。可见，脱硝剂成本、催化剂成本是脱硝成本的主体。其中，SNCR脱硝工艺的脱硝剂成本很大，占总成本约82%；SCR脱硝工艺的脱硝剂和催化剂成本占比之和约为46%。

图3 不同入口NOx浓度下2种脱硝工艺成本比较

图4 不同脱硝工艺的分项成本比例

②其他因素

年运行时间对脱硝成本的敏感性分析如图5所示，可知，SNCR和SCR工艺年运行时间的敏感度值均小于0，同时年运行时间对SCR工艺成本的敏感度更高，说明SCR成本受年运行时间的影响相对较大，这主要与SCR的初投资较高有关。

图5 年运行时间对脱硝成本的敏感性分析

相较于SNCR工艺，SCR工艺的脱硝剂单价敏感度系数很低，而SCR工艺的电价和催化剂单价敏感度系数则相对较高，说明脱硝剂单价对SNCR工艺成本的影响程度较大，电价和催化剂单价则对SCR工艺成本的影响程度较大。SNCR工艺脱硝成本的敏感度因素由大到小依次为脱硝剂单价、电价，而SCR工艺脱硝成本的敏感度因素由大到小依次为脱硝剂单价、催化剂单价、电价。

③不同脱硝工艺的情景分析

结合以上分析结果，说明脱硝剂成本、催化剂成本和运行时间是影响脱硝工艺成本的主要因素。基于表1的边界条件，改变单一变量得到不同脱硝工艺相应的曲线，进而获得2种工艺经济性的临界变量值。

不同脱硝工艺对应不同尿素单价下的单位发电成本如图6所示。可知基于运行成本来看，尿素单价低于2 296元/t时，SNCR工艺的运行成本较低。基于总成本来看，尿素单价低于3 402元/t时，SNCR工艺的总成本相对较低。当前尿素市场均价在2 000～3 000元/t，最高均价不超4 000元/t，显然对于绝大多数情景，使用尿素较为经济。

图6 不同脱硝工艺下尿素单价对脱硝成本影响

不同脱硝工艺对应不同液氨单价下的单位发电成本如图7所示。

图7 不同脱硝工艺下液氨单价对脱硝成本影响

由图7可知基于运行成本来看，液氨单价低于7 500元/t时，SCR工艺的运行成本较低。基于总成本来看，液氨单价高于3 300元/t时，SNCR工艺的总成本相对更为经济。当前液氨市场均价在3 000～5 000元/t，显然SCR运行成本较低，而总成本的经济性临界点处于液氨的市场价格范围内，是否经济取决于液氨的采购价格。

催化剂单价对脱硝成本的影响如图8所示。可知在给定的催化剂价格范围内，不存在经济性临界点。当前催化剂市场均价在30 000～50 000元/m3，显然SCR的运行成本低于SNCR，而SNCR的总成本低于SCR。

图8 不同催化剂单价下的脱硝成本对比

不同脱硝工艺对应不同运行时间下的单位发电成本如图9所示。可知运行时间对单位发电量运行成本没有影响。从总成本来看，运行时间低于7 500 h时，SNCR的总成本始终低于SCR。

图9 不同运行时间下的脱硝成本

④SNCR-SCR联合的经济性

对于循环流化床而言，NOx原始排放较低，通过上述分析可知，选用SNCR要比SCR更经济，但SNCR的脱硝效率相对低，且同等效率下的氨氮摩尔比高，氨逃逸量相对较大。考虑到煤种的变化和日益严格的环保标准，部分循环流化床锅炉会在尾部预留装设SCR的空间，下面对比分析SNCR-SCR联合脱硝的经济性。

SCR脱硝工艺中，2层催化剂占总投资比例的30%～40%，SNCR-SCR联合脱硝工艺中按设1层催化剂考虑，总投资成本约90元/kWh，其余计算条件同表2。SNCR脱除50%的NOx，剩余NOx由SCR脱除，不同入口NOx浓度对SNCR-SCR联合脱硝成本的影响如图10所示。由图10可知，当入口NOx浓度为151～273 mg/Nm3时，SNCR-SCR联合脱硝单位发电量总成本最高，而当入口NOx浓度高于273 mg/Nm3时，SNCR-SCR联合脱硝的经济性要高于SNCR脱硝。

图10 SNCR-SCR联合脱硝成本

（3）超低排放循环流化床锅炉技术对SCR、SNCR经济性的影响

循环流化床锅炉具有天然的低NOx排放优势，目前通过调整合适床温、过量空气系数等可实现100 mg/m3的标准，而要实现超低排放要求仍有很大挑战。目前的低氮燃烧路线是通过提高床质量、增加循环量，进一步强化炉内不同区域的还原性气氛，使NOx原始排放更低。工程实践表明，220 t/h循环流化床锅炉使用该超低排放技术后，NOx原始排放均小于50 mg/m3的超低排放指标。

循环流化床锅炉的NOx原始排放一般不高于200 mg/m3，该值低于计算的总成本临界点228 mg/m3。使用超低排放循环流化床锅炉技术后，NOx原始排放量低于计算的运行成本临界点140 mg/m3。在不使用其他脱硝工艺的条件下，超低排放循环流化床技术进一步降低了NOx原始排放，基本满足小于50 mg/m3的超低排放要求，仅需在启停机或非常规运行条件下NOx排放量较高时投入脱硝设备即可。综上可知，超低排放循环流化床锅炉技术直接减少了NOx原始排放量，整体改善了脱硝工艺的经济性。考虑到脱硝装置的使用频率和经济成本，使用SNCR脱硝工艺最为经济。

3 结论

1)影响脱硝成本的主要因素包括脱硝剂价格、催化剂价格和年运行时间。尿素价格对SNCR脱硝成本的敏感度最大，液氨对SCR脱硝成本的敏感度大于催化剂价格。单凭SNCR无法实现超低排放时，需要将SNCR与SCR技术相结合，最为经济。当入口NOx浓度低于140 mg/m3时，SNCR的运行成本相对较低；当入口NOx浓度低于228 mg/m3时，SNCR的总成本相对SCR更经济。

2)在相同炉内低氮燃烧技术基础上，当尿素价格低于3 402元/t时，SNCR总成本低于SCR。而市场尿素均价在2 000～3 000元/t，使用尿素的运行成本更低，因而SNCR的脱硝成本较经济。在催化剂和年运行时间的研究范围内，SNCR的总成本始终最低，最经济。

3)基于低氮燃烧的超低排放循环流化床锅炉技术可以改善SCR工艺和SNCR工艺的经济性。综合考虑脱硝装置的经济成本，SNCR脱硝工艺的运行成本和总成本均最低。

引用格式

蔡晋，吴玉新，张缦，等.循环流化床锅炉脱硝工艺经济性分析[J].洁净煤技术，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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