燃煤電廠煙氣氮氧化物(NOx)的控制技術

齊如敏

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設計院分公司，河南鄭州 450000)

0 前言

我國是以煤炭為主的一次能源消費大國，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消費帶來的環(huán)境污染越來越嚴重，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)濟發(fā)展過程中必須解決的重大問題?！笆濉币?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)境保護的重點工作，與其相關的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2011)已于2012年1月1日開始實施，其中要求新建、改建和擴建的燃煤電站鍋爐，需同步配套建設煙氣脫硝裝置。

1 NOx控制技術

國家出臺有關控制燃煤電廠NOx的政策后，有關脫硝技術的環(huán)保工程公司應運而生，目前，我國已有10多家環(huán)保工程公司分別引進了美國B＆W公司和燃料技術公司、德國魯奇和費西亞巴高克環(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。

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，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(SCR，Selective Catalytic Reduction);③選擇性非催化還原技術(SNCR，Selective Non－Catalytic Reduction)。

2 NOx控制原理及工藝

2.1 低氮燃燒技術

2.1.1 NOx生成的機理

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的轉化率就越高，而溫度對燃料型NOx的轉化率影響比較復雜。②溫度型(或熱力型)NOx。煤燃燒時，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)，還要有一定的反應時間。

2.1.2 低氮燃燒技術的原理

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

2.1.3 低氮燃燒技術的應用

①目前國內大型電站煤粉鍋爐都采用低氮燃燒技術;②電站煤粉鍋爐在設計時大都采用空氣分級燃燒技術:即分別控制一、二、三次風的風量及分配比例，使主燃燒區(qū)處在還原氣氛中，而總風量保持不變，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，此溫度內，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，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℃煙氣進入SCR系統(tǒng)后，在煙道內與噴氨格柵噴入的氨氣與空氣的混合氣體進行充分混合后均勻進入SCR反應器。在反應器內，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，生成氮氣和水，脫硝后的凈煙氣引回鍋爐空氣預熱器完成后續(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)整個系統(tǒng)由四個部分組成:①煙氣系統(tǒng):煙氣從省煤器引出，進入脫硝煙道，在噴氨格柵處加入氨進行混合，經(jīng)過導流板、整流器后進入SCR反應器，在催化劑表面充分反應后，回到空預器及其他后續(xù)系統(tǒng)。②反應系統(tǒng):混合均勻的氨和煙氣，在催化劑表面經(jīng)過擴散、吸附、反應、解吸、擴散等過程，煙氣中的NOx與NH3反應生成N2和H2O;③還原劑系統(tǒng):氨源經(jīng)過卸料、儲存、轉化后進入緩沖槽，在稀釋空氣的補充下，氨氣被稀釋至5%以下，經(jīng)過噴氨格柵進入煙氣系統(tǒng)，與煙氣混合均勻后進入反應器反應。④工藝控制和調整單元。

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進行選擇性反應，生成N2和H2O。

2.3.2 工藝流程

尿素溶液儲存在儲罐中，由供液泵泵送。供液泵出口設有稀釋水路，以調節(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。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)

整個系統(tǒng)由四個部分組成:①尿素溶液和軟化或脫鹽水的儲存及輸送單元;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工藝控制和調整單元。

2.3.4 特點

選擇性非催化還原技術(SNCR)與選擇性催化還原技術(SCR)相比具有以下特點:①系統(tǒng)簡單。不需要改變現(xiàn)有鍋爐的設備設置，只需在現(xiàn)有的燃煤鍋爐的基礎上增加氨或尿素儲槽、氨或尿素噴射裝置及其噴射口即可，系統(tǒng)結構比較簡單。②系統(tǒng)投資小。相對于SCR的40～60美元/kW的昂貴造價，由于系統(tǒng)簡單以及運行中不需要昂貴的催化劑而只需要廉價的尿素或液氨，所以SNCR 5～10美元/kW的造價顯然更適合我國國情。③阻力小。對鍋爐的正常運行影響較小。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(SCR)，其值在30% ～40%，若用在循環(huán)流化床鍋爐上，脫硝效率可達到50%～70%。

3 脫硝技術的實際應用

一般很少采用單一的氮氧化物控制技術方案，因為單一技術方案，脫硝效率很難達標，所以通常都是兩種或三種工藝結合使用。①SCR脫硝技術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燃燒技術配合使用;②選擇性催化還原技術(SCR)與選擇性非催化還原技術(SNCR)結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(SNCR)鑒于系統(tǒng)簡單、投資小、占地面積小的特點，主要用于低溫燃燒的中、小型循環(huán)流化床鍋爐。