關(guān)于火電廠脫硝技術(shù)的分析研究

趙海麗，常艷文，李 陽

（安陽市環(huán)境保護監(jiān)測中心站，河南安陽475000）

0 引言

中國是一個以煤炭為主要能源的國家，煤炭占一次能源的75%，其中的84%是通過燃燒方式利用的，這種對煤過分依賴的能源消費結(jié)構(gòu)導致了環(huán)境污染加劇。其中火力發(fā)電煤炭消耗量占全國燃煤量的70%，按照目前排放水平，到2020年，火電廠的氮氧化物排放量將超過二氧化硫，成為火電廠排放的第一大污染物，采用低氮燃燒技術(shù)可以一定程度地降低氮氧化物的排放量，但減排效率一般不超過60%，不能滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的要求，即自2014年7月1日起NOx排放需達到100mg/Nm3。因此面對日益嚴峻的環(huán)境污染問題和更加嚴格的環(huán)保要求，火電廠必須對煙氣進行脫硝處理，以減少煙氣中NOx排放量。

1 脫硝現(xiàn)狀

當今世界，環(huán)境污染已成為阻礙社會發(fā)展的全球性問題，人們已經(jīng)意識氮氧化物是引起光化學煙霧、酸雨、酸霧、臭氧損耗等一系列問題的主要污染物之一。故此火電廠所排放的氮氧化物的污染問題倍受關(guān)注，到目前為止，日本、美國對火電廠氮氧化物減排研究較為成熟，他們提出了多種脫硝技術(shù)方法，如低氮燃燒、選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法、活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法、臭氧氧化吸收法等。由于煙氣脫硝成本和工藝難度都較大，現(xiàn)今僅少數(shù)發(fā)達國家安裝煙氣脫硝裝置，其中，只有日本和德國在火電廠普遍安裝了煙氣脫硝設(shè)施，我國科研機構(gòu)和環(huán)保企業(yè)積極研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脫硝技術(shù)，并已有了工程應用實例，但在其他技術(shù)方法還不很成熟的情況下，采用的煙氣脫硝技術(shù)主要是選擇性催化劑還原法（SCR）。

2 主要脫硝技術(shù)

火電廠降低NOX排放主要有兩種措施：一是控制燃燒過程中NOX的生成，即低氮燃燒技術(shù)；二是對生成的NOX進行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。

2.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是通過改變?nèi)紵龡l件來降低NOx的排放。在各種降低NOx排放的技術(shù)中，低氮燃燒技術(shù)是相對簡單、采用最廣、最經(jīng)濟的方法。目前低氮燃燒技術(shù)主要有空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、低過量空氣系數(shù)、煙氣再循環(huán)、低氮燃燒器等。

2.1.1 空氣分級燃燒

空氣分級燃燒技術(shù)是利用改進爐膛的配風設(shè)計或燃燒器的設(shè)計，適時合理地分配送入燃燒各階段所需的空氣。在第一階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%～75%（相當于理論空氣量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，降低燃燒區(qū)內(nèi)的溫度和燃燒速率。這樣不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了NOx的生成率。在第二階段，完全燃燒所需的其余空氣則通過布置在主燃燒器上方“燃盡風”噴口送入爐膛，在主燃燒區(qū)后創(chuàng)造富氧燃燒區(qū)，以確保燃料的燃盡。

該方法的技術(shù)特點：適應各種燃料如無煙煤、煙煤、劣質(zhì)煙煤、貧煤；煙氣流量和鍋爐燃燒效率沒有改變；爐膛內(nèi)的燃燒穩(wěn)定；低負荷性能良好；安全可靠，火焰檢測不受影響，對鍋爐效率影響較小。但存在的問題是第二段空氣量過大，容易造成不完全燃燒損失增大，并且煤粉爐由于處在還原性氣氛而容易腐蝕、結(jié)渣。

2.1.2 燃料分級燃燒

將80%～85%的主燃料送入主燃區(qū)，其余的燃料在主燃器的上部送入二級燃燒區(qū)，NOX進入該燃區(qū)被還原成N2，并且還可抑制新的NOX的生成。在再燃區(qū)的上面布置“燃盡風”噴口，以保證在再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。再燃區(qū)的過量空氣系數(shù)是控制NOX的排放量的關(guān)鍵因素，為了減少不完全燃燒的損失，需增加空氣對再燃區(qū)煙氣進行三級燃燒，故配風系統(tǒng)較為復雜。

2.1.3 低過量空氣系數(shù)

低過量空氣系數(shù)法是一種最基本、最簡單地降低NOX的排放量的技術(shù)方法，不需對燃燒設(shè)備進行結(jié)構(gòu)上的改進，是一種優(yōu)化裝置燃燒，并可在降低NOx排放的同時，提高裝置運行的經(jīng)濟性。對燃煤鍋爐而言，存在的問題主要來自于過量空氣系數(shù)低時會大大增加化學未燃燒熱的損失，引起飛灰可燃物增加，并且低氧濃度會使爐膛內(nèi)的某些區(qū)域成為還原性氣氛，從而降低灰熔點引起爐壁的腐蝕與結(jié)渣，所以鍋爐實際運行時的過量空氣系數(shù)不能做大幅度的調(diào)整。

2.1.4 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)法是通過煙氣循環(huán)風將鍋爐煙氣循環(huán)到燃燒氣流中，由于溫度低的煙氣可以降低火焰的總體溫度，并且煙氣中的惰性氣體可沖淡氧的濃度，導致“熱力型”NOx生成的減少。煙氣再循環(huán)法降低NOx排放的效果與燃料品種、燃料種類、燃燒溫度有關(guān)；并且煙氣再循環(huán)時需加裝再循環(huán)風機、煙道，故還需要增加場地，對原有設(shè)備進行改裝時常會受到場地的限制。

2.1.5 低NOx燃燒器

占NOx排放總量的75%～95%的燃料型NOx是在煤粉的著火階段生成的，因此，通過特殊設(shè)計的燃燒器以及改變?nèi)紵鞯娘L煤比例，可降低著火區(qū)氧的濃度及著火區(qū)的溫度，從而達到最大限度地抑制NOx的生成。如濃淡燃燒器利用噴嘴體內(nèi)的百葉窗將煤粉氣流分成左右或垂直濃淡兩股，分別進入爐膛，濃相煤粉濃度高所需著火熱少，利于著火和穩(wěn)燃；淡相補充后期所需的空氣，利于煤粉的燃盡，濃淡燃燒均偏離了化學當量燃燒，大大降低了NOx的生成。使用低氮燃燒器技術(shù)只需替換原來的燃燒器，燃燒系統(tǒng)以及爐膛結(jié)構(gòu)不需做任何更改。

2.2 煙氣脫硝技術(shù)

對于燃煤鍋爐，采用低氮燃燒技術(shù)脫硝效率一般不超過60%，已不能滿足日益嚴格的NOX排放指標，進行煙氣脫硝處理是勢在必行。目前通行的煙氣脫硝技術(shù)方法大致可分為干法、半干法和濕法。干法包括選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法；半干法有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法；濕法有臭氧氧化吸收法等。由于NOX缺乏化學活性，難以被水溶液吸收；濕法脫硝系統(tǒng)裝置復雜龐大，排水需要處理、副產(chǎn)品處理較難，容易造成二次污染，故干法脫硝占主流地位。

2.2.1 SNCR技術(shù)

SNCR技術(shù)是在800～1100℃下，NOX與還原劑尿素和氨類化合物發(fā)生反應生成氮氣，從而減少NOX的排放量。在高溫的環(huán)境中使得反應迅速達到所需的較高活化能，避免了催化劑的使用，只需還原劑噴射裝置和儲存裝置，不會發(fā)生催化劑層堵塞的現(xiàn)象，如此既可大大減少設(shè)備的投資，并且運行成本較低。但是存在還原劑噴射位置處煙氣流速高、煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間較短使得反應效率受到很大影響的問題。并且由于鍋爐負荷的變化致使爐內(nèi)最佳反應溫度位置的變化，因此只有根據(jù)爐內(nèi)位置來調(diào)整還原劑的噴射，才能最大程度的提高反應效率。但脫硝效率只有30%～50%，并且氨的逃逸量較大。

2.2.2 SCR技術(shù)

選擇性催化還原法（SCR）是指在催化劑的作用下，煙氣中的NOX有選擇性地與氨發(fā)生氧化還原反應，生成無污染的N2和H2O，工藝流程圖見圖1。該方法的主要影響因素有催化劑和還原劑的選擇、SCR反應器布置方式等。

圖1 SCR脫硝流程圖

1）催化劑。SCR脫硝工藝中的核心物質(zhì)是催化劑，催化劑約占其投資的1/5。為確保系統(tǒng)安全、有效、經(jīng)濟地運行，選擇催化劑的原則為：成本低、壽命長；具有抗中毒性；施加的煙氣壓力損失??；在一定溫度范圍內(nèi)具有較高的活性，并具有能克服強烈的溫度波動的穩(wěn)定性。當前，SCR催化劑大多以TiO2為載體，以V2O5或V2O5-MOO3為主要活性成分。

催化劑結(jié)構(gòu)一般有蜂窩型和平板型。蜂窩型催化劑為整體擠壓成型，載體和活性成分在催化劑內(nèi)均勻分布，并有較大的比表面積，更因其具有模塊化、相對質(zhì)量較輕、高耐腐蝕性及高反復利用率得到廣泛應用。但其防積灰和堵塞性能較差，阻力損失大。盡管蜂窩式體積數(shù)比較小但其催化劑單位價格較高，總投資仍然較大。平板型催化劑采用不銹鋼網(wǎng)為基材，載體和活性成分敷設(shè)其上，有較好的防積灰和防堵塞性能，對煙氣的高塵環(huán)境適應力強，但受到熱應力或者機械作用時，活性層容易脫落。

2）還原劑。對于SCR脫硝工藝，最常見的還原劑有純氨、氨水和尿素。

純氨法是將液氨在蒸發(fā)器中加熱成氨氣，再與稀釋風機的空氣混合成氨氣體積含量為5%的混合氣體后進入煙氣系統(tǒng)。純氨作為反應劑可直接與NOX反應生成無害的水和氮氣，無副產(chǎn)品，反應劑、運輸費用、初期投資、運行費用均較低；但液氨屬中度危害的化學介質(zhì)，大型火電廠脫硝所用的液氨如果在生產(chǎn)場所儲量超過40t就是重大危險源，因此對設(shè)備安全有嚴格的法律規(guī)定要求。

氨水法是將20%～25%濃度的氨水溶液通過加熱裝置使其蒸發(fā)形成氨氣和水蒸氣。氨水的運輸費用、初期投資及運行費用都較高，需要高熱量蒸發(fā)蒸餾水和氨；氨水作為還原劑，氨水會散逸，形成細微的顆粒物，對環(huán)境造成二次污染。

尿素法是在溶解器中先將尿素固體顆粒完全溶解，然后由溶液泵送到水解槽中，通過熱交換器將溶液加熱至反應溫度后與水蒸氣反應生成氨蒸汽。尿素作為還原劑具有以下優(yōu)點:首先具備良好的安全性及實用性，常壓、干態(tài)條件下儲存，無氨泄漏發(fā)生，對設(shè)備安全性基本不做特別要求；其次工藝流程較簡單，尿素直接分解反應速率快，并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式簡便、易于操作；再者模塊化設(shè)計使得系統(tǒng)安裝容易、維護簡單；同時對設(shè)備的腐蝕性低；最后加熱源選擇靈活，可根據(jù)現(xiàn)場情況單一或合并使用天然氣、蒸汽、油和電作為熱源。但尿素在轉(zhuǎn)化為氨的過程中，會產(chǎn)生H2O、CO2等副產(chǎn)品，并且初期投資及運行費用較高，需要高熱量水解尿素和蒸發(fā)氨。

隨著脫硝還原劑儲存、制備以及供應技術(shù)的發(fā)展，脫硝還原劑的選擇主要從安全與經(jīng)濟的角度出發(fā)。安全防范要求越來越嚴，相對的安全成本越來越大，因此氨水和尿素正越來越多地作為脫硝還原劑使用。

3）SCR反應器布置的選擇。按照SCR反應器在鍋爐之后的不同安裝位置可分為“高溫高塵”、“高溫低塵”、“低溫低塵”。高溫高塵布置方式是將SCR反應器直接安裝在省煤器和空氣預熱器之間，布置在除塵器的前面。其優(yōu)點是催化反應區(qū)處于300～400℃，有利于反應的進行不需要再加熱，初投資及運行費用較低，技術(shù)成熟，性價比較高，但缺點是煙氣中的飛灰含量較高，對催化劑鈍化性能，防堵塞及防磨損性能要求較高。

高溫低塵布置方式是將SCR反應器布置在空氣預熱器和除塵器之間。進入反應器的煙氣溫度高、含塵量低，但在300～400℃的高溫下電除塵器運行條件差，并且飛灰顆粒較細，容易使空氣預熱器受熱面積垢，影響換熱效率。

低溫低塵布置方式是將SCR反應器布置在除塵器和脫硫裝置的下游，進入反應器的煙氣含塵量及SO2含量極低，催化劑磨損和堵塞的概率較小，可采用比表面積較大的細孔徑催化劑，煙氣流速可設(shè)計的適當高一些，但由于煙氣溫度較低，僅為50～60℃，一般需要采用較為昂貴的氣-氣加熱器對煙氣再加熱，從而會增加能源消耗和運行費用。

3 大唐安陽發(fā)電廠的煙氣脫硝概況

大唐安陽發(fā)電廠采用低氮濃淡燃燒器+空氣分級燃燒技術(shù)對其2×300MW亞臨界燃煤機組（#1、2機組）進行改造,鍋爐原始NOx排放濃度約800mg/Nm3，進行低氮燃燒改造后，可控制NOx（干基，6%氧量）排放濃度降低到300mg/Nm3以下，有效降低爐膛出口NOx濃度，是降低煙氣脫硝裝置投資的配套項目。

經(jīng)低氮濃淡燃燒器+空氣分級燃燒處理后的煙氣，再經(jīng)SCR技術(shù)進行脫硝，工藝流程圖見圖2。其中SCR技術(shù)采用尿素熱解法制備脫硝還原劑，催化劑選用V2O5-MoO3/TiO2并以平板式布設(shè)，SCR反應器采用高溫高塵布置方式，含氧量控制在3%～5%，使得最終NOX排放濃度降低到100mg/Nm3以下，總脫硝效率達到80%以上，大幅度減少NOX的排放量，對改善周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量起到積極的作用，具有較好的環(huán)境和社會效益。

圖2 工藝流程圖

4 結(jié)束語

隨著環(huán)境污染的加劇，各種自然災害頻發(fā)，為了保護我們賴以生存的環(huán)境，人們已經(jīng)意識到保護環(huán)境的重要性。我國近年來越來越重視氮氧化物的排放，出臺較為嚴格的環(huán)保法規(guī)以控制NOX的排放。而火電廠作為排放NOX的大戶，在發(fā)電的過程中不僅要注重經(jīng)濟效益，同時還必須注重社會效益，承擔自己的社會責任，履行保護環(huán)境的社會義務，采取高效可行的脫硝技術(shù)方法以減少NOX的排放。大唐安陽發(fā)電廠采用的低氮濃淡燃燒器+空氣分級燃燒技術(shù)+SCR煙氣脫硝技術(shù)，使得NOX排放濃度降低到100mg/Nm3以下，該方法具備極為廣闊的應用前景。

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