興義市上乘發(fā)電有限公司 陳文兵

1 引言

盡管新能源發(fā)電技術(shù)如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能和核能等得到了快速發(fā)展，但隨著電力需求的增加，這些新能源技術(shù)仍受到一些限制。因?yàn)榧夹g(shù)尚未成熟，而且成本仍然較高，所以在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，新能源發(fā)電將與傳統(tǒng)的燃煤電站并存[1]。因此，燃煤電站仍是中國(guó)電力供應(yīng)的主要來(lái)源。然而，雖然燃煤電站可以滿(mǎn)足電力需求，但是也帶來(lái)了環(huán)境和健康方面的問(wèn)題，特別是在NOx（氮氧化物）排放方面。因此，減少燃煤鍋爐的NOx 排放成為當(dāng)前應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

要解決這個(gè)問(wèn)題，就不得不提到脫硝技術(shù)，其原理是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將NOx 轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退魵鈁2]。目前，常見(jiàn)的脫硝技術(shù)包括選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等。SCR技術(shù)是在催化劑的作用下，將氨氣注入煙氣中，與NOx 反應(yīng)生成氮?dú)夂退魵狻NCR 技術(shù)則是直接將尿素、氨水等還原劑噴入煙氣中，與NOx 發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退魵狻?/p>

需要注意的是，脫硝技術(shù)的應(yīng)用需要考慮到燃料的不同、燃燒工況的差異和煙氣成分的變化等因素，以確保其脫硝效果和經(jīng)濟(jì)性。此外，還需要對(duì)脫硝設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)進(jìn)行科學(xué)管理，以保證脫硝系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。只有在技術(shù)和管理上取得雙重突破，才能有效地降低燃煤電站的NOx 排放，從而更好地保護(hù)環(huán)境和人民的健康[3]。

鑒于目前主流的脫氮方法是 SCR 法，西安熱力研究所對(duì)這一方法進(jìn)行了深入的研究，并根據(jù)這一方法，給出了一系列有益的建議，為我國(guó)煙氣脫氮技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的環(huán)境。在對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組的分析中發(fā)現(xiàn)，若 SCR 脫硝裝置無(wú)法與機(jī)組一起實(shí)現(xiàn)，在鍋爐的設(shè)計(jì)中，就需要為 SCR脫硝裝置預(yù)留一些空間，同時(shí)也要考慮到相應(yīng)的設(shè)備和系統(tǒng)，以便在以后的工作中能夠更好地進(jìn)行增加。

2 火電廠(chǎng)200MW 機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)方案選擇

2.1 NOx 生成機(jī)理

NO、N2O3等都是火電廠(chǎng)排放 NO 的主要形式，在環(huán)境污染的相關(guān)研究中， NO 和 NO2都屬于常見(jiàn)的氮氧化物，被統(tǒng)稱(chēng)作 NO。大部分的燃燒都會(huì)產(chǎn)生NO，其排放量在 NO 的排放總量中占比超過(guò)90%。當(dāng) NO 進(jìn)入大氣中后，將在短時(shí)間內(nèi)氧化，變?yōu)镹O2。燃燒化石燃料時(shí)，通常有三種產(chǎn)生 NOx 的方法， 分別是熱力型、燃料型和快速型[4]。

2.1.1 燃料型 NOx

在燃料燃燒過(guò)程中，氮化合物被氧化生成NOx。煤粉的燃燒溫度較高，會(huì)在600-800℃范圍內(nèi)產(chǎn)生大量的NOx，其中60%～80%由此產(chǎn)生。燃油的NOx 生成可分為兩步：第一步是含氮有機(jī)物經(jīng)熱分解產(chǎn)生中間體，如N、CN、HCN、NH 等；第二步是將這些中間體進(jìn)行氧化。煤炭的燃燒要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒[5]。生成燃料NOx 也要經(jīng)過(guò)這兩個(gè)步驟：氣化氮?dú)獾难趸〒]發(fā)份燃燒的NOx）和焦炭中氮?dú)獾难趸ń固縉Ox）。隨著燃燒溫度的升高，揮發(fā)性氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化速率也增加。循環(huán)流化床鍋爐的燃燒溫度不高，因此燃燒時(shí)揮發(fā)份的氮會(huì)減少。總體估算顯示，揮發(fā)份燃燒產(chǎn)生的NOx 量約為焦炭燃燒產(chǎn)生的NOx 總量的1.5倍。同時(shí)，煤粉中氧和氮的比例（O/N）也對(duì)NOx的產(chǎn)生有一定的影響。

在燃料燃燒生成 NOx 的過(guò)程中，周?chē)鯕鉂舛鹊淖兓赡軙?huì)影響 NOx 的形成情況。因此，控制氧氣含量對(duì)于減少燃料 NOx 的產(chǎn)生非常重要。調(diào)節(jié)氧氣含量和燃燒器內(nèi)氧氣含量是控制氧氣含量的兩個(gè)主要方面。在燃燒試驗(yàn)中，將煤粉放入空氣剩余系數(shù)小于 1.4 的條件下進(jìn)行，結(jié)果顯示在這個(gè)條件下，煤粉體的轉(zhuǎn)化率上升量是氧氣含量上升量的平方。

由于燃油態(tài) NOx 的生成溫度比熱力學(xué)態(tài) NOx要低得多，所以在初始階段，溫度對(duì) NOx 的生成有很大的影響。但隨著時(shí)間的推移，NOx 的生成趨于穩(wěn)定。

2.1.2 快速型 NOx

快速型 NOx，也被稱(chēng)為“瞬間 NOx”，指的是在高溫下，燃油中的烴類(lèi)揮發(fā)并分解為 CH，與大氣中的氮?dú)夥磻?yīng)，形成 HCN 和 N，然后與氧反應(yīng)，快速形成 NOx。這個(gè)過(guò)程只需要 60ms，且 NOx的數(shù)量與溫度無(wú)關(guān)，但與爐壓無(wú)關(guān)。盡管此過(guò)程與溫度無(wú)關(guān)，但在大多數(shù)化石燃料中卻很少有這樣的氮氧化物存在。特別是對(duì)于大容量燃燒器來(lái)說(shuō)，其作用可以忽略不計(jì)。

2.2 NOx 控制技術(shù)

火力發(fā)電廠(chǎng)的NOx 控制有許多種方式。常用方法包括燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后處理。目前，大部分的研究和實(shí)踐都致力于燃燒中和燃燒后的處理，燃燒前對(duì)NOx 進(jìn)行控制的方法幾乎沒(méi)有。在控制燃燒設(shè)備N(xiāo)Ox 污染時(shí)，許多國(guó)家主要關(guān)注對(duì)設(shè)備和工藝的改進(jìn)以及對(duì)燃燒條件的改善。這就形成了低NOx 燃燒技術(shù)和煙氣脫硝技術(shù)，有效地降低了NOx 的排放。在這兩個(gè)領(lǐng)域中，煙氣脫硝技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其種類(lèi)也很多。根據(jù)脫硝過(guò)程中是否要加入水，以及產(chǎn)品的干濕程度，可將其分為濕法煙氣脫硝技術(shù)和干法煙氣脫硝技術(shù)?；痣姀S(chǎng)常用 NOx 控制方法樹(shù)狀如圖1所示。

2.2.1 燃燒前控制技術(shù)

在過(guò)濾煤、用天然氣代替煤等燃燒時(shí)，選擇含氮量較低的燃料會(huì)顯著降低燃料類(lèi)NOx 的生成。同時(shí)，將燃油改為水煤漿可有效地降低燃燒強(qiáng)度，并能有效地控制峰值溫度，從而減少熱力學(xué)NOx的生成。此外，還可以利用助劑來(lái)達(dá)到降低排放的目的。

2.2.2 燃燒中控制技術(shù)——低 NOx 燃燒技術(shù)

通過(guò)調(diào)整燃燒狀態(tài)來(lái)降低NOx 排放的多種技術(shù)手段可以統(tǒng)稱(chēng)為“低NOx”燃燒技術(shù)。相對(duì)于排氣排放物脫硝技術(shù)而言，低NOx 燃燒技術(shù)更為簡(jiǎn)單易行，但其脫硝率較低，同時(shí)容易導(dǎo)致熱效率下降，進(jìn)而引起不充分的燃燒，造成較大的熱損失。目前，采用不同的低NOx 燃燒技術(shù)可以將NOx 的生成減少20%～60%。然而，要想大幅度減少煙氣中的NOx 排放，除了對(duì)低NOx 燃燒技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，還需要利用煙氣脫硝技術(shù)。

2.2.3 燃燒后脫硝技術(shù)——煙氣脫硝技術(shù)

煙氣脫氮技術(shù)是一種利用物理化學(xué)方法來(lái)減少工業(yè)廢氣中的NOx的技術(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，NOx 化合物被還原成為無(wú)毒的氮?dú)夂推渌衔铮蝗苡谒腘O 也被氧化成可溶于水的NO2。這些產(chǎn)物可以通過(guò)堿性吸收劑或直接使用溶液進(jìn)行吸收。該技術(shù)根據(jù)其作用原理可以分為催化還原、吸收和吸附三種類(lèi)型。根據(jù)工作介質(zhì)的不同，煙氣脫氮技術(shù)可以分為干法和濕法兩類(lèi)。

干法脫氮是目前最常用的方法之一。相對(duì)于SO2，NOx 的化學(xué)活性要弱一些，而且在水溶液中很難被吸收。在干法脫氮中，NOx 會(huì)分解為無(wú)毒的N2和O2，這兩種副產(chǎn)物相對(duì)較易處理。主要的胺類(lèi)還原劑對(duì)煙道氣中的NO3-具有較高的選擇性。干法脫氮中，常用的方法包括選擇性非催化還原等，而常用的吸收方法包括酸吸收法、堿吸收法等。

濕法工藝設(shè)備相對(duì)較復(fù)雜，而且污水排放量大，電力消耗量也很高。在濕法脫氮過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)需要在液相中進(jìn)行，因此必須使用吸收液。吸收液可以是酸性的、堿性的或氧化性的，具體的選擇取決于要去除的污染物。然而，濕法工藝也有其優(yōu)點(diǎn)。由于化學(xué)反應(yīng)在液相中進(jìn)行，因此可以更有效地去除廢氣中的NOx 和其他污染物。此外，濕法工藝可以減少二次污染，因?yàn)楦碑a(chǎn)物可以在液相中處理。在濕法脫氮中，內(nèi)襯材料的選擇也很重要，因?yàn)闈穹üに嚳赡軐?dǎo)致內(nèi)襯材料的腐蝕。處理副產(chǎn)物也相對(duì)困難，因?yàn)楦碑a(chǎn)物可能被固化在吸收液中。因此，在選擇濕法工藝時(shí)，必須考慮到這些問(wèn)題。

日本和歐洲主要使用SCR（選擇性催化還原系統(tǒng)）技術(shù)，可以將NOx 去除60%～80%；而美國(guó)最常使用的是一種基于選擇性非催化還原法的改良體系，可以脫除80%的NOx；最近美國(guó)開(kāi)發(fā)的CARBONOx 還原技術(shù)采用活化褐煤作為還原劑，在480～560℃時(shí)，其還原率可達(dá)98%。

2.3 常用煙氣脫硝技術(shù)

煙氣脫硝法還有活性炭吸附法、微生物法、液體吸收法、 電子束法、熾熱炭還原法、反饋式氧化吸收脫硝技術(shù)、SNRB 工藝脫硝技術(shù)等。

常見(jiàn)的煙氣脫硝工藝對(duì)比情況詳見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)的煙氣脫硝工藝對(duì)比情況

煙氣的脫硝方法包括活性炭吸附法、微生物法、液體吸附法、電子束法、燃燒碳還原法、反饋氧化吸收法、SNRB 法以及其他各種脫硝方法。目前，國(guó)內(nèi)主要采用SCR 法和SNCR 法，國(guó)際上SCR 技術(shù)的應(yīng)用達(dá)數(shù)百個(gè)，德國(guó)、日本等國(guó)家95%以上采用SCR 技術(shù)。該技術(shù)具有高效、技術(shù)成熟、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)值得推廣的新技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)發(fā)展的過(guò)程中，除了要對(duì)燃燒生成的NOx 量進(jìn)行控制和對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行研究之外，還必須對(duì) SCR 進(jìn)行更加深入的研究，以便更好地結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，開(kāi)展應(yīng)用試點(diǎn)和研究工作。伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)就變得更加重要，特別是對(duì)鍋爐在燃燒過(guò)程中 NOx 的排放量問(wèn)題，更要引起人們的重視，以保證國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)鍋爐環(huán)保水平更好更快地發(fā)展。