白光遠(yuǎn)， 張偉偉， 吳 斌

(內(nèi)蒙古國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司， 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000)

我國(guó)對(duì)火電廠(chǎng)大氣污染物排放的環(huán)保要求不斷提高，從“十一五”提出的火電脫硫標(biāo)準(zhǔn)到“十二五”時(shí)期首次提出的脫硝標(biāo)準(zhǔn)，且僅“十二五”期間就有兩次提升。《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》[1]對(duì)燃煤發(fā)電行業(yè)的節(jié)能減排提出了新要求，在此基礎(chǔ)上部分地方政府相繼出臺(tái)了更為嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定燃煤機(jī)組煙塵、NOx、SO2應(yīng)達(dá)到天然氣-燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)，即超低排放水平[2]。

燃煤電廠(chǎng)的發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵、NOx、SO2等污染物，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，NOx的危害相當(dāng)大[3]。燃煤電廠(chǎng)排放的大氣污染物最為嚴(yán)重，必須對(duì)其進(jìn)行有效處置[4]。目前，大多燃煤電廠(chǎng)廣泛采用煙氣脫硝技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣NOx的處理，不僅能夠提高經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以保護(hù)環(huán)境。

1 火電廠(chǎng)脫硝技術(shù)

火電廠(chǎng)煙氣脫硝技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是消除NOx的過(guò)程，以防止火電廠(chǎng)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境造成污染。目前，國(guó)外很多發(fā)達(dá)國(guó)家的火電廠(chǎng)在生產(chǎn)中都對(duì)脫硝技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，如：美國(guó)的一些大型火電廠(chǎng)通過(guò)脫硝技術(shù)對(duì)NOx進(jìn)行控制，并取得顯著的效果；早在20世紀(jì)時(shí)，德國(guó)就實(shí)現(xiàn)了一級(jí)脫硝技術(shù)的應(yīng)用[5]。將兩級(jí)脫硝技術(shù)應(yīng)用到煙氣脫硝裝置中，主要是通過(guò)低NOx燃燒器，控制有毒有害氣體的排放。在我國(guó)，由于受到一些因素的制約，使得脫硝技術(shù)的應(yīng)用成為火電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的難點(diǎn)問(wèn)題，如操作難度大、運(yùn)行成本高等，由此導(dǎo)致我國(guó)的火電廠(chǎng)脫硝技術(shù)落后于西方的發(fā)達(dá)國(guó)家。在最近幾年，隨著我國(guó)各方面技術(shù)的發(fā)展和完善，使得脫硝技術(shù)獲得進(jìn)步，滿(mǎn)足了火電廠(chǎng)的生產(chǎn)需要。

在燃煤電廠(chǎng)的發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的NOx，采用煙氣脫硝技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的NOx進(jìn)行處理，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的[6]。目前，燃煤電廠(chǎng)大多采用的煙氣脫硝技術(shù)有干法煙氣脫硝與濕法煙氣脫硝兩種，但兩者的應(yīng)用原理差別很大。干法煙氣脫硝常用的方法有選擇性催化還原(SCR)法、選擇性非催化還原(SNCR)法、碳還原法、吸附法和等離子法等；濕法煙氣脫硝的原理是使用能夠溶解NOx或能夠與NOx發(fā)生反應(yīng)的溶液吸收廢氣中的NOx，包括酸吸收法、堿吸收法、氧化吸收法和配合吸收法等[7-8]。

2 常用煙氣脫硝技術(shù)的原理

隨著近年來(lái)工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，各國(guó)研究者依據(jù)不同原理，開(kāi)發(fā)出了眾多的煙氣脫硝技術(shù)，有力推動(dòng)了脫硝技術(shù)的發(fā)展和大氣環(huán)境的改善，但部分研究尚處于試驗(yàn)研究階段，離工業(yè)應(yīng)用要求差距較大，還有一些煙氣脫硝技術(shù)則是因?yàn)橥顿Y或運(yùn)行成本過(guò)高，難以推廣實(shí)際應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)燃煤電廠(chǎng)常用的干法煙氣脫硝方法有SCR法、SNCR法以及兩種方法的聯(lián)合使用[9]。

2.1 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR脫硝技術(shù)于20世紀(jì)80年代在國(guó)外研發(fā)成功，至20世紀(jì)90年代成功應(yīng)用于600 MW及以上大型燃煤機(jī)組，其建設(shè)周期短、資金投入少、脫硝效率中等，但會(huì)造成二次污染，比較適合中小型電廠(chǎng)鍋爐改造。目前，SNCR脫硝技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用程度僅次于SCR脫硝技術(shù)。

SNCR脫硝技術(shù)是在900～1 000 ℃下，不需要添加催化劑，在鍋爐爐膛壁面上安裝還原劑噴嘴，向爐膛中的煙氣噴射N(xiāo)H3或尿素(CO(NH2)2)等還原劑，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使煙氣中的NO還原為N2。

NH3為還原劑時(shí)，SNCR脫硝技術(shù)的主要反應(yīng)有：

(1)

(2)

CO(NH2)2為還原劑時(shí)，SNCR脫硝技術(shù)的主要反應(yīng)有：

4N2+2CO2+4H2O

(3)

式(1)要求溫度在950 ℃左右，當(dāng)反應(yīng)溫度小于900 ℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)不充分，NH3逃逸率高，從而產(chǎn)生新的污染。當(dāng)反應(yīng)溫度大于1 100 ℃時(shí)，化學(xué)反應(yīng)方程式見(jiàn)式(2)。從式(2)可以看出，該化學(xué)反應(yīng)有NO生成。因此，SNCR脫硝技術(shù)中，當(dāng)使用NH3作為還原劑時(shí)，須嚴(yán)格控制化學(xué)反應(yīng)時(shí)的溫度。當(dāng)還原劑使用CO(NH2)2時(shí)，化學(xué)反應(yīng)方程式見(jiàn)(3)。從式(3)可以看出，CO(NH2)2將與煙氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO2和H2O，因此會(huì)使還原劑的消耗量增大。由于SNCR脫硝技術(shù)是在爐膛內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，其脫硝效率受鍋爐設(shè)計(jì)、鍋爐負(fù)荷等因素的影響，脫硝效率較低，通常情況下在30%～60%。

從上述化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出，SNCR脫硝技術(shù)需要在爐膛內(nèi)的高溫區(qū)域發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此需要對(duì)鍋爐進(jìn)行改造，具有應(yīng)用成本低的優(yōu)點(diǎn)。但因其脫硝效率明顯低于SCR脫硝技術(shù)，故只能在一些對(duì)脫硝效率要求不高的機(jī)組上使用。

2.2 SCR脫硝技術(shù)

SCR脫硝技術(shù)的發(fā)明權(quán)屬于美國(guó)，日本率先于20世紀(jì)70年代使其商業(yè)化。SCR脫硝技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單并且技術(shù)成熟，但缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。SCR脫硝技術(shù)的原理是在特定的溫度和催化劑的作用下，還原劑與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成無(wú)害的N2和H2O[10]。主要反應(yīng)為：

(4)

(5)

(6)

(7)

在不使用催化劑的條件下，上述化學(xué)反應(yīng)只能在較窄的溫度范圍(850～1 100 ℃)內(nèi)進(jìn)行。SCR脫硝技術(shù)在使用催化劑的條件下，通過(guò)催化作用使化學(xué)反應(yīng)的活化能降低，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)就能夠在較低的溫度范圍(200～450 ℃)實(shí)現(xiàn)，而此溫度恰同鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間的煙氣溫度相接近，這也正是當(dāng)前燃煤發(fā)電廠(chǎng)中的SCR脫硝反應(yīng)器大多安裝在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間的原因之一。另外，安裝于該位置可以將NH3噴射于省煤器和SCR脫硝系統(tǒng)之間的煙道位置，與煙氣混合后再與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)脫硝效率的進(jìn)一步提升，當(dāng)n(NH3)/n(NOx)=1時(shí)，SCR脫硝效率能夠達(dá)到80%～90%[11-14]。

3 某電廠(chǎng)脫硝系統(tǒng)概述

內(nèi)蒙古某電廠(chǎng)2臺(tái)600 MW褐煤超臨界機(jī)組鍋爐型號(hào)為HG-1913/25.4-HM15，單爐膛、一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П形燃煤鍋爐[15]。汽輪機(jī)為超臨界蒸汽參數(shù)、一次中間再熱、單軸兩缸兩排汽、單背壓、直接空冷式汽輪機(jī)，額定功率為600 MW。機(jī)組能夠以定-滑-定和定壓運(yùn)行方式中的任何一種方式運(yùn)行，同步配套SCR脫硝系統(tǒng)。

該電廠(chǎng)SCR脫硝系統(tǒng)主體工程包括催化劑系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、氨氣噴射混合系統(tǒng)、還原劑(液氨)制備系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。每臺(tái)鍋爐設(shè)置1套SCR脫硝反應(yīng)器，采用液氨作為脫硝還原劑，并安裝煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CEMS)。SCR脫硝裝置的噴氨量需要根據(jù)煙氣流量、反應(yīng)器進(jìn)出口NOx與O2含量、脫硝效率及NH3逃逸率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道布置流量測(cè)量?jī)x、NO與O2含量測(cè)量?jī)x；在出口布置NO、O2與NH3含量測(cè)量?jī)x，并計(jì)算脫硝效率；在每個(gè)SCR脫硝反應(yīng)器煙道進(jìn)出口設(shè)置NO與O2在線(xiàn)分析儀，分析儀測(cè)得的信號(hào)全部進(jìn)入分布式控制系統(tǒng)(DCS)控制NH3的噴入量。O2含量的測(cè)量可采用氧化鋯或與NO相結(jié)合的多功能煙氣分析儀測(cè)量，該系統(tǒng)采用完全抽取法采樣與分析。鍋爐脫硝CEMS采用U23系列CEMS。

4 單點(diǎn)取樣存在的問(wèn)題

該電廠(chǎng)SCR脫硝系統(tǒng)出口選擇分別在A側(cè)和B側(cè)煙道的中間位置設(shè)置煙氣NOx單點(diǎn)取樣測(cè)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。

由于煙氣中NOx受煙氣流速和本身鍋爐煙道距離較長(zhǎng)影響，導(dǎo)致煙道內(nèi)煙氣中NOx在A側(cè)的A1～A6和B側(cè)的B1～B6各位置的測(cè)量結(jié)果差異很大，為驗(yàn)證在不同測(cè)點(diǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，分別對(duì)后墻A1、A3、A4、A6和B1、B3、B4、B6的煙氣中NOx進(jìn)行測(cè)量，A側(cè)煙氣成分取樣值測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，B側(cè)煙氣成分取樣值測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 煙氣NOx單點(diǎn)取樣測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 A側(cè)脫硝出口煙氣NOx取樣值

表2 B側(cè)脫硝出口煙氣NOx取樣值

從表1和表2可以看出：A側(cè)和B側(cè)取樣點(diǎn)的煙氣中NOx取樣值在不同位置的測(cè)量結(jié)果存在一定的差異，這就導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在誤差。由于SCR脫硝系統(tǒng)出口煙道流通面積較大，NH3注入整個(gè)煙道后催化反應(yīng)不均，造成NOx單點(diǎn)取樣測(cè)量不能有效反映實(shí)際NOx排放量，不僅使氨氣噴射調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差，在鍋爐變負(fù)荷時(shí)氨氣噴射調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)跟蹤效果不好，SCR脫硝反應(yīng)器出口NOx控制不好造成超標(biāo)，而且當(dāng)噴入的NH3含量過(guò)大時(shí)，就會(huì)有NH3逃逸出反應(yīng)區(qū)，并與工藝流程中產(chǎn)生的硫酸鹽反應(yīng)生成硫酸銨鹽，堵塞催化劑，使催化劑失效，腐蝕下游設(shè)備。同時(shí)，該電廠(chǎng)多次出現(xiàn)鍋爐煙氣NOx測(cè)量倒掛現(xiàn)象(即脫硫出口煙氣NOx質(zhì)量濃度大于脫硝系統(tǒng)出口煙氣NOx質(zhì)量濃度)，嚴(yán)重影響其環(huán)保評(píng)價(jià)指標(biāo)的達(dá)標(biāo)。

5 多點(diǎn)取樣的應(yīng)用與分析

經(jīng)過(guò)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)理論分析與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比對(duì)測(cè)量，提出了脫硝煙氣NOx多點(diǎn)取樣方法，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。SCR脫硝系統(tǒng)出口煙氣NOx多點(diǎn)取樣測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 煙氣NOx多點(diǎn)取樣測(cè)點(diǎn)布置圖

為了使取樣更具有準(zhǔn)確性和代表性，分別選取圖2中A2、A4、A6和B2、B4、B6為SCR脫硝系統(tǒng)A側(cè)、B側(cè)出口煙氣NOx的取樣點(diǎn)。A2、A4、A6和B2、B4、B6的NOx通過(guò)取樣管線(xiàn)分別采集到A側(cè)、B側(cè)多點(diǎn)取樣控制柜內(nèi)進(jìn)行充分混合，混合后的煙氣進(jìn)入脫硝分析儀進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)A側(cè)、B側(cè)煙氣NOx的測(cè)量和遠(yuǎn)傳顯示。

采用圖1單點(diǎn)取樣測(cè)量方法測(cè)量鍋爐煙氣NOx排放量時(shí)，煙氣NOx測(cè)量值(已折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：煙氣NOx測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)倒掛現(xiàn)象。

圖3 單點(diǎn)取樣煙氣NOx曲線(xiàn)

采用圖2多點(diǎn)取樣測(cè)量方法測(cè)量鍋爐煙氣NOx排放量時(shí)，煙氣NOx測(cè)量值(已折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。由圖4可以看出：該方法有效地解決了煙氣NOx測(cè)量倒掛問(wèn)題，并在該廠(chǎng)近1 a的實(shí)際應(yīng)用中從未出現(xiàn)過(guò)圖3中的倒掛現(xiàn)象。

圖4 多點(diǎn)取樣煙氣NOx曲線(xiàn)

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用脫硝系統(tǒng)多點(diǎn)取樣的測(cè)量方法，脫硝自動(dòng)控制調(diào)節(jié)跟蹤快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定。脫硝NOx控制指標(biāo)更加準(zhǔn)確，瞬間排放超標(biāo)次數(shù)大大降低，同時(shí)困擾該廠(chǎng)多年的鍋爐煙氣NOx測(cè)量倒掛現(xiàn)象徹底得到解決。該方法適合推廣到其他

火電廠(chǎng)的脫硝系統(tǒng)改造中。