齊如敏

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，河南鄭州 450000)

0 前言

我國是以煤炭為主的一次能源消費(fèi)大國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消費(fèi)帶來的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重，燃煤電廠排放煙氣中的SO2的治理已經(jīng)全面開展，而煙氣中的NOx作為引起硝酸型酸雨的污染源問題，已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中必須解決的重大問題。“十二五”規(guī)劃已將燃煤電廠NOx排放總量控制作為今后電力工業(yè)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)工作，與其相關(guān)的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)已于2012年1月1日開始實(shí)施，其中要求新建、改建和擴(kuò)建的燃煤電站鍋爐，需同步配套建設(shè)煙氣脫硝裝置。

1 NOx控制技術(shù)

國家出臺(tái)有關(guān)控制燃煤電廠NOx的政策后，有關(guān)脫硝技術(shù)的環(huán)保工程公司應(yīng)運(yùn)而生，目前，我國已有10多家環(huán)保工程公司分別引進(jìn)了美國B＆W公司和燃料技術(shù)公司、德國魯奇和費(fèi)西亞巴高克環(huán)保公司、日本三菱和日立公司、意大利TKC公司、丹麥托普索公司的煙氣脫硝技術(shù)。

目前世界上降低電廠鍋爐NOx排放的方法主要有以下三種:①低氮燃燒技術(shù)，即在燃燒過程中控制氮氧化物的生成;②選擇性催化還原技術(shù)(SCR，Selective Catalytic Reduction);③選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR，Selective Non－Catalytic Reduction)。

2 NOx控制原理及工藝

2.1 低氮燃燒技術(shù)

2.1.1 NOx生成的機(jī)理

電站鍋爐煙氣中的NOx包括NO和NO2，煤在燃燒過程中生成的NOx主要是NO，約占90%，其余為NO2，而NO2是由NO被氧氣在低溫下氧化而成的。一般將NOx根據(jù)生成方式主要分為燃料型NOx和溫度型NOx。

①燃料型NOx。燃料中的含氮化合物在高溫下分解出的氮被氧化為氮氧化物。在燃料含氮量一定的情況下，過量空氣系數(shù)越大，燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率就越高，而溫度對(duì)燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率影響比較復(fù)雜。②溫度型(或熱力型)NOx。煤燃燒時(shí)，空氣中的氮在高溫下被氧化而生成的氮氧化物。溫度型NOx生成條件是:很高的燃燒溫度(1 500℃以上)和一定的氧濃度(氧化氣氛)，還要有一定的反應(yīng)時(shí)間。

2.1.2 低氮燃燒技術(shù)的原理

根據(jù)NOx生成的機(jī)理及生成條件來控制鍋爐爐膛燃燒區(qū)域的溫度、控制爐膛內(nèi)不同區(qū)域的過量空氣系數(shù)或縮短反應(yīng)時(shí)間等，從而抑制或減少NOx生成。

2.1.3 低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用

①目前國內(nèi)大型電站煤粉鍋爐都采用低氮燃燒技術(shù);②電站煤粉鍋爐在設(shè)計(jì)時(shí)大都采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù):即分別控制一、二、三次風(fēng)的風(fēng)量及分配比例，使主燃燒區(qū)處在還原氣氛中，而總風(fēng)量保持不變，從而減少NOx的生成量;③目前大部分電站鍋爐選用低溫燃燒的循環(huán)流化床鍋爐，循環(huán)流化床鍋爐爐膛燃燒溫度一般控制在800～950℃范圍內(nèi)，此溫度內(nèi)，溫度型 NOx很難形成，因此煙氣中總的NOx濃度較低。

2.2 選擇性催化還原法(SCR)

2.2.1 原理

鍋爐煙氣中的NOx在催化劑的作用下，以氨水或尿素為還原劑，在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)，并生成無毒無害的N2和H2O。

2.2.2 工藝流程

選擇性催化還原法(SCR)脫硝工藝流程:來自鍋爐省煤器的300～420℃煙氣進(jìn)入SCR系統(tǒng)后，在煙道內(nèi)與噴氨格柵噴入的氨氣與空氣的混合氣體進(jìn)行充分混合后均勻進(jìn)入SCR反應(yīng)器。在反應(yīng)器內(nèi)，煙氣中的氮氧化物與氨在催化劑的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氮?dú)夂退?，脫硝后的凈煙氣引回鍋爐空氣預(yù)熱器完成后續(xù)流程，最終排放。流程示意如圖1所示。

圖1 SCR脫硝流程示意圖

2.2.3 工藝系統(tǒng)

選擇性催化還原法(SCR)整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)部分組成:①煙氣系統(tǒng):煙氣從省煤器引出，進(jìn)入脫硝煙道，在噴氨格柵處加入氨進(jìn)行混合，經(jīng)過導(dǎo)流板、整流器后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，在催化劑表面充分反應(yīng)后，回到空預(yù)器及其他后續(xù)系統(tǒng)。②反應(yīng)系統(tǒng):混合均勻的氨和煙氣，在催化劑表面經(jīng)過擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)、解吸、擴(kuò)散等過程，煙氣中的NOx與NH3反應(yīng)生成N2和H2O;③還原劑系統(tǒng):氨源經(jīng)過卸料、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)化后進(jìn)入緩沖槽，在稀釋空氣的補(bǔ)充下，氨氣被稀釋至5%以下，經(jīng)過噴氨格柵進(jìn)入煙氣系統(tǒng)，與煙氣混合均勻后進(jìn)入反應(yīng)器反應(yīng)。④工藝控制和調(diào)整單元。

2.3 選擇性非催化還原法(SNCR)

2.3.1 原理

選擇性非催化還原法是一種不用催化劑，在850～1 100℃的范圍內(nèi)還原NOx的方法，常用液氨或尿素［CO(NH2)2］作為還原劑。還原劑霧化后分層噴入鍋爐爐膛850～1 100℃的區(qū)域后，迅速熱分解成NH3和其他副產(chǎn)物，隨后NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)，生成N2和H2O。

2.3.2 工藝流程

尿素溶液儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中，由供液泵泵送。供液泵出口設(shè)有稀釋水路，以調(diào)節(jié)尿素溶液濃度，稀釋后的尿素溶液經(jīng)不銹鋼伴熱管送至爐前噴射器，通過不銹鋼軟管與噴槍連接，尿素溶液通過噴槍噴至爐膛850～1 100℃燃燒區(qū)域內(nèi)。工藝流程如圖2所示。

圖2 SNCR脫硝流程示意圖

2.3.3 工藝系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由四個(gè)部分組成:①尿素溶液和軟化或脫鹽水的儲(chǔ)存及輸送單元;②尿素溶液和軟化或脫鹽水混合及輸送單元;③噴射系統(tǒng);④工藝控制和調(diào)整單元。

2.3.4 特點(diǎn)

選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)與選擇性催化還原技術(shù)(SCR)相比具有以下特點(diǎn):①系統(tǒng)簡(jiǎn)單。不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設(shè)備設(shè)置，只需在現(xiàn)有的燃煤鍋爐的基礎(chǔ)上增加氨或尿素儲(chǔ)槽、氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。②系統(tǒng)投資小。相對(duì)于SCR的40～60美元/kW的昂貴造價(jià)，由于系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及運(yùn)行中不需要昂貴的催化劑而只需要廉價(jià)的尿素或液氨，所以SNCR 5～10美元/kW的造價(jià)顯然更適合我國國情。③阻力小。對(duì)鍋爐的正常運(yùn)行影響較小。④系統(tǒng)占地面積小。需要的較小的氨或尿素儲(chǔ)槽，可放置于鍋爐鋼架之上而不需要額外的占地面積。⑤但是若用在煤粉鍋爐上，脫硝效率要低于選擇性催化還原技術(shù)(SCR)，其值在30% ～40%，若用在循環(huán)流化床鍋爐上，脫硝效率可達(dá)到50%～70%。

3 脫硝技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

一般很少采用單一的氮氧化物控制技術(shù)方案，因?yàn)閱我患夹g(shù)方案，脫硝效率很難達(dá)標(biāo)，所以通常都是兩種或三種工藝結(jié)合使用。①SCR脫硝技術(shù)一般用在大型火力發(fā)電廠，在煤粉鍋爐上通常與低氮燃燒器和空氣分級(jí)燃燒技術(shù)配合使用;②選擇性催化還原技術(shù)(SCR)與選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)結(jié)合用在大型的電站煤粉鍋爐或循環(huán)流化床鍋爐上;③選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)鑒于系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資小、占地面積小的特點(diǎn)，主要用于低溫燃燒的中、小型循環(huán)流化床鍋爐。