火电厂烟气脱硝工艺设计

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【摘要】随着我国能源消费的增长，大量化石燃料消耗量不断增加，排放到大气中的二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等致酸物质的污染程度不断加重。燃煤火电厂是SO2和NOx最主要的污染源之一。由于缺少有效的烟气脱硝技术，延迟了国家NOx排放法规的出台，导致NOx排放量不断增加，预计在未来30年内，我国将成为世界上最大的NOx排放国。因此，控制火电机组SO2和NOx的排放任务尤其艰巨。因此本文探讨了当前的火电厂烟气脱硝技术，主要介绍了烟气脱硝装置(SCR)技术。为电厂的烟气脱硝提供建议，并对相关法规的制定提供借鉴。

【关键词】火电厂；烟气脱硝；SCR；SNCR

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：

一、引言

防止环境污染的重要性，已作为世界范围的问题而被尖锐地提了出来。随着现代工业生产的发展和生活水平的提高，大气污染成了人们十分关注的问题。氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一，是造成酸雨和光化学烟雾的主要因素。而我国NOx排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧。因此只有大力发展火电厂烟气脱硝技术，才能切实有效地减少氮氧化物的排放量，从而达到保护大气环境的目的。

二、烟气脱硝工艺概况

1、基本概念

烟气脱硝主要是指燃烧烟气中去除氮氧化物的过程，是指把已生成的NOX还原为N2，从而脱除烟气中的NOX。烟气脱硝的原理是用氧化剂将NO氧化成NO2，生成的NO2再用水或碱性溶液吸收，从而实现脱硝。目前通行的烟气脱硝工艺大致可分为干法、半干法和湿法3类。其中干法包括选择性非催化还原法(SNCR)、选择性催化还原法(SCR)、电子束联合脱硫脱硝法；半干法有活性炭联合脱硫脱硝法；湿法有臭氧氧化吸收法等。

2、NOX的形成机理

NOX是NO和NO2的统称，燃煤电厂烟气中的NOX主要是煤燃烧产生的。通常，燃烧生成的NOX由超过90％ 的NO和小于10％ 的NO2 组成。依据氮氧化物生成机理，可分为热力型、燃料型和快速型NOX3类，其中快速型NOX生成量很少，可以忽略不计。热力型NOX是指当炉膛温度在1350℃以上时，空气中的氮气在高温下被氧化生成NOX，当温度足够高时，热力型NOX可达20％ 。燃料型NOX指的是燃料中的有机氮化物在燃烧过程中生成的NOX，其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NOX约占NOX 总生成量的75％～90％[1]。

三、火电厂烟气脱硝工艺必要性和急迫性

燃煤火电厂氮氧化物污染严重、现状堪忧：燃煤火电厂是比较大的污染源，排放的主要污染物是颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等。国家对颗粒物和二氧化硫污染的控制已经形成完整的法规政策体系，火电厂对控制颗粒物和二氧化硫污染也采取了一系列措施，取得一定成效。但对氮氧化物的控制，目前法规政策上还不太完善，火电厂也没有普遍采取控制措施。火电厂排放的氮氧化物(NOx)成为我国酸雨污染的重要原因。酸雨除对道路、桥梁、器物等的腐蚀外，更严重的是，它改变环境的酸碱平衡，对生态平衡有着深远的影响。火电厂造成的环境污染日益严重，对NOx排放的分担率越来越高，火电厂脱硝已是大势所趋[2]。

未来几十年我国能源需求将持续高涨，潜在的氮氧化物污染增长必须控制：火电是我国重要的能源，随着经济的快速增长获得迅猛发展，燃煤火电厂的快速增容，如果不采取有效污染防治措施，潜在增长的火电厂氮氧化物排放污染将构成对环境的巨大威胁。

四、低NOx燃烧技术

为了控制燃烧过程中NOx的生成量所采取的措施原则为：①降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；②降低燃烧温度，防止产生局部高温区；③缩短烟气在高温区的停留时间等。低NOx燃烧技术主要包括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术、低NOx燃烧器等技术。低NOx燃烧技术存在的问题主要为脱硝效率低；煤粉炉易结渣、腐蚀；配风系统复杂；投资运行费用较高，占地面积大等。

五、烟气脱硝技术

1、选择性催化还原法

选择性催化还原(SCR：Selective Catalytic Reduction)法是利用氨气对NOx的还原功能，在催化剂的作用下将NOx (主要是NO)还原为无害的N2的和H2O的方法，这是目前应用最为广泛的烟气脱硝技术。主要有氨法和尿素法两种SCR工艺。SCR装置主要由脱硝反应剂制备系统和反应器本体组成。通过向反应器内喷人脱硝反应剂NH3将NOx还原为氮气。由于此还原反应对温度较为敏感，故需加入催化剂，以满足反应的温度要求，增强反应活性。

SCR技术的核心——催化剂，包括贵金属催化剂、分子筛催化剂和金属氧化物催化剂。贵金属催化剂目前主要用于低温SCR及燃气发电方面，但由于选择性较差和成本较高，在通常的SCR反应中已被常规的金属氧化物催化剂所取代。分子筛催化剂主要用于高温燃气热电厂SCR净化的场合。在常规燃煤电厂工艺中广泛采用的是金属氧化物催化剂，其中绝大多数是V205／TiO2基催化剂[3]。

SCR反应是氧化还原反应，因此遵循氧化还原机理。在SCR系统中，影响SCR

过程的最重要参数为烟气流速、氧气浓度、氨滑移、水蒸气浓度、催化剂和烟气

温度等。

（一）尿素法。典型的用尿素制氨的方法为即需制氨法(AOD)。运输卡车把尿素卸到卸料仓，干尿素被直接从卸料仓送人混合罐。尿素在混合罐中被搅拌器搅拌，以确保尿素的完全溶解，然后用循环泵将溶液抽出来。此过程不断重复，以维持尿素溶液存储罐的液位。从储罐里出来的溶液在进入水解槽之前要过滤，并要送入热交换器吸收热量。在水解槽中，尿素溶液首先通过蒸汽预热器加热到反应温度，然后与水反应生成氨和二氧化碳。

（二）氨水制氨法。通常将25％的氨水溶液(20％～30％)置于存储罐中，然后通过加热装置使其蒸发，形成氨气和水蒸汽。可以采用接触式蒸发器和喷淋式蒸发器。氨水法较纯氨更为安全，但其运输体积大，运输成本较纯氨高。

2、选择非催化还原法

选择性非催化还原(SNCR：Selective Non—Catalytic Reduction)法就是不使用催化剂，在850一l 100℃温度范围内喷入氨或尿素等还原剂直接还原NOx的方法。还原剂喷入锅炉折焰角上方水平烟道(900一1100℃)，在NH3／NOx摩尔比为2~3情况下，脱硝效率30％一50％。如果脱硝效率达到85％时，NOx的逃逸率太高，达到10ml／L以上，造成二次污染。可见温度过高或过低都不利于对污染物排放的控制。适宜的温度区间被称作温度窗口，所以，在SNCR法的应用中温度窗口的选择是至关重要的。

一个典型的SNCR系统是由还原药剂的储藏、输送和喷射装置组成，主要包括还原药剂储藏罐、泵、管道、喷射器和与之相关的控制系统以及NOx在线监测系统。还原剂的喷人系统必须将还原剂喷到锅炉内最有效的部位——炉膛上部温度适宜还原反应的区域，并保证与烟气充分混合。为了得到适当的NOx排放控制，设计中可以利用计算流体力学和计算燃烧学对炉膛内流动和燃烧过程进行模拟来确定还原剂的喷入点。

3、LoTOx技术

LoTOx为选择性、低温氧化技术，采用臭氧使Nx(NO和N02)氧化成水和高度可溶性五氧化二氮(N205)，N205通过湿式洗涤很容易与烟气中水分反应生成硝酸。LoTOx技术与EDV湿式洗涤系统组合应用，可同时控制NOx，SOx和颗粒物质。LoTOx技术优化的工作温度为低于149℃。在急冷的烟气温度60—66℃下，NOx脱除率为60%—90%。使用LoTOx技术可使NOx脱除，而不会使SO2转化为SO3。

4、LPC法

本文介绍的LPC(1iquid—phase catalysis flue gas denitrifieation technology)法烟气脱硫脱硝一体化技术是江苏新世纪江南环保有限公司结合氨法烟气脱硫技术自主开发，该技术是利用液相催化氧化作用，利用烟气中的02将部分NO氧化成N02，并利用吸收液同时吸收烟气中的NOx和S02。

目前，干法脱硝仍占主流地位。其原因是NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收，而NOx活性明显增加，并且在水溶液中的溶解性能大幅提高，因此，本技术就是利用液相催化氧化作用，首先利用烟气中的O2先部分氧化NO为N02，然后通过脱硫吸收液同时吸收脱除SO2和NOx，从而实现脱硫脱硝一体化技术[4]。LPC法烟气脱硫脱硝一体化技术实现了烟气中NOx和SO2的同时脱除，减少了投资成本和装置规模，降低了运行费用，如果能够实现工程化应用，将是对烟气脱硫脱硝技术的一次重大突破。

六、结束语

氮氧化物是大气主要污染物之一，也是大气污染治理和环境保护的重点和难点。虽然，国内外己研究开发了各种各样的烟气脱硝工艺，各有特色，并取得了一定成果。但都存在一个共同问题：投资大、原料消耗高、操作费用高。因此，开发高效、低投入、资源化、无二次污染是今后N0x防治技术的发展主流，既要注重环境效益又要考虑经济效益。

参考文献

[1] 韩文晓.郭志宇.王凯等.浅谈火电厂烟气脱硝技术.产业与科技坛.2012,11.

[2] 刘明辉.燃煤火电厂烟气脱硝技术政策浅析.

[3] 邢军.马骏.火电厂烟气脱硝技术现状与发展趋势. 中国环境科学学会学年会论文集.

[4] 徐长香,薛玉业.余小文等.LPC法烟气脱硫脱硝一体化技术.