先进脱硝技术在大型燃煤发电机组工程中的优化应用
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摘要：文章针对大型燃煤发电机组氮氧化物排量超标的现象，从脱硝技术选择、脱硝优化设计、催化剂的优化选择、还原剂的优化选择、系统流程优化及脱硝装置优化等方面提出了优化方案，实践证明，优化效果很好，值得推广。
中图分类号：S611文献标识码： A
引言
大气中的 NOX污染物 90%以上来源于煤、石油、天然气等石化燃料的燃烧过程各种污染源产生的 NOX中，绝大部分为 NO，它在大气中可以氧化生成 NO2，NO2比较稳定，而且毒性是 NO 的 4~5 倍，空气中 NO2的含量在 3.5×106（体积分数）持续1h，就开始对人体有影响；含量为 20~50×106时，对人眼有刺激作用。
与发达国家相比，我国在 NOX排放控制方面起步相对较晚，以致 NOX排放总量快速增长，并逐渐抵消了对近年来卓有成效的 SO2控制效果，如果不加强对NOX的治理，NOX的排放总量将会继续增长，甚至有可能超过 SO2而成为大气中最主要的污染物。随着我国环保意识的增强，相应法律法规的健全和执法力度的加大，尤其是在 2004 年 7 月 1 日正式实施《排污费征收使用管理条例》后，NOX控制势在必行。
一、脱硝技术综述
烟气脱硝技术在国外的起步比我国要早，按照时间顺序依次是日本、欧洲、美国。现阶段世界范围内，在实践中应用相对可靠烟气脱硝技术有：低氮燃烧技术、SCR（选择性催化还原法）、SNCR（选择性非催化还原法）。由于 SCR和 SNCR 的脱硝效率较高，因此这两种脱硝技术在烟气脱硝领域应用最为广泛。低氮燃烧器目前作为辅助手段。
低氮燃烧技术可分为三代，第一代只改变运行装置活动部分运行装置，对整个燃烧系统的改动不大；第二代是把空气分级送入炉内，使火焰的峰值降低。第三代是将空气和燃料都分别送入炉内，在燃烧器下游形成一个空燃比小于 1 的低氧富燃的还原性区域，将部分氮氧化物还原成氮气。这种方法常与其他方法联合使用，最高可使氮氧化物排放量下降80%左右。
SCR 技术又叫选择性催化还原技术，该技术是使用催化剂，以 NH3(或 CxHy等)作为还原剂，通过一系列复杂的化学反应，选择性的将氮氧化物转化为氮气和水。该方法早在 1957 年由 Engelhard 公司发现并申请专利。日本后来研发出了如今在该技术中被广泛使用的 V2O5/TIO2催化剂，并在 1977 年和 1979 年投入使用。目前 SCR 法已成为世界范围内应用最多，最可靠的技术。
SNCR 技术又叫选择性非催化还原技术，该技术不使用催化剂，由美国的Exxon 公司发明并在 1974 年成功应用于日本的工业生产中。该技术是以 NH3和尿素等为还原剂，在850-1100℃这样一个狭窄的温度范围内通过一系列复杂的化学反应去除氮氧化物。
除了上述三种方法之外，还有许多脱硝的方法，如：液体吸收法、微生物吸收法、等离子体法、炽热炭还原法、液膜法、SNRB 工艺脱硝技术、反馈式氧化吸收脱硝技术、活性碳吸附法、等离子体法、电子束法、脉冲电晕放电等离子体法 CuO 法、SNAP 法等。由于各种原因导致这些方法不能很好的推广使用。
二、燃烧过程中 NOX的控制技术
控制炉内 NOX的产生技术即低氮燃烧技术，低 NOX技术是通过减少 NOX的生成来减少 NOX的排放，比较简单经济，目前应用比较广泛。主要有以下几种：
（一）、空气分级燃烧
该种方法分为两个燃烧区（第一级和第二级），推迟燃烧过程和抑制 NOX的生成在第一级燃烧区完成。其余空气通过燃尽风口送入炉膛与第一级燃烧区（贫氧燃烧）产生的烟气混合，完成全部燃烧过程。在第二级燃烧区的α＞1。因为空气不是一次全部送入，故此称空气分级燃烧。NOX的产生量还原性气氛以及燃料在低氧条件下滞留时间决定，这两者又由分级程度和喷口与主燃烧区的距离决定。见图1。
图1降低NOX排放示意图
（二）、燃料分级燃烧
该技术为的是使生成的 NOX重新被还原。就是说，在燃料第一级燃烧区燃烧生成的 NOX进入第二级燃烧区被还原生成 N2。具体方法是将部分二次燃料从主燃烧区上方喷入，喷入后在炉膛内形成富燃料的二次燃烧区。NOX进入该区遂被还原成 N2。为保证燃料完全燃烧，可在二次燃烧区上方布置专门的燃尽风喷口。
（三）、烟气再循环技术
将部分低温烟气从空气预热器中抽取出来混入燃烧用的空气中，从而降低氧的浓度和火焰的最高值，但该技术会增加烟气的流量、烟气温度和阻力。脱硝效率较低，一般只作为辅助工艺。
三、脱硝技术优化研究
（一）、催化剂的优化选择
脱硝催化剂以TiO2为基材，该类催化剂的成分主要由V2O5（含量1%）、MoO3（含量10%）、TiO2（含量80%）等金属氧化物或起联合作用的混和物构成，催化活性温度为300℃～400℃，适合烟气脱硝技术的催化温度范围。选择催化剂的形式为板式催化剂，并选取一定反应面积的催化剂，满足在省煤器出口烟气流量、温度、压力、成份条件下达到脱硝效率、氨逃逸率等SCR基本性能的设计要求。
（二）、还原剂的优化选择
还原剂采用相对安全的尿素，具有无害、常压、干态及对设备安全性能无影响等优点，制氨工艺中，尿素的使用量由锅炉负荷与脱硝塔出口的氮氧化物含量决定，尿素计量模块的作用就是根据机组负荷与氮氧化物含量来决定当前锅炉的尿素使用量，送至炉前的多余尿素溶液将重新回至尿素存储罐内。
四、某公司脱硝方案论证
（一）、初步设计阶段
某公司2×660MW 超临界燃煤发电机组2007 年初步设计时也计划选择低氮燃烧器， 预留脱硝位置， 脱硝≤400mg/m3 的方案； 在2007 年底环境保护论证时考虑所处的长三角地理位置和环保的社会责任性，计划选择新建机组全部采用低氮燃烧器，1 台安装脱硝装置， 另1 台预留脱硝安装位置，脱硝效率原则上不低于80％，一次规划设计（锅炉BMCR 工况），分步实施。
（二）、具体设计原则
2台炉同步建设烟气脱硝装置，烟气脱硝方案采用高效低氮燃烧器＋选择性催化还原法（SCR）工艺。SCR 反应器考虑布置在锅炉省煤器和空气预热器之间（高含尘区布置）；脱硝系统按脱硝效率不低于80％，一次规划设计（锅炉BMCR 工况），分步实施。现阶段按脱硝效率大于60%实施（锅炉BMCR 工况）。催化剂模块按预留层考虑。SCR 不设烟气旁路系统。空预器增加换热模块。
（三）、SCR系统优化设计流程
本次脱硝技术优化设计主要内容包括基于经验的初步设计（包括SCR反应器及连接烟道、导流板等）、计算机模拟、基于计算机模拟结果的优化设计等，优化设计流程图如下图2所示：
图2 SCR脱硝工艺优化流程
（四）、SCR脱硝运行装置优化
为减少堵塞，对脱硝装置中吹灰器和空预器进行了优化，吹灰器采用耙式蒸汽吹灰器，在灰量较大时能起到很好的作用，减少SCR脱硝催化剂积灰情况。空预器低温段传热元件应采用搪瓷表面传热元件，防止由于空预器脏污使传热效果降低或空预器堵塞导致被迫停炉事件的发生。空预器和吹灰器选型上采用了双介质吹灰器（蒸汽和水），实现对空预器在线高压水冲洗。正常运行时采用蒸汽定期吹灰，空预器堵塞严重时采用高压水冲洗。
结束语
从理论上分析，某公司工程优化后的脱硝方案，具有效率高、经济性好、适用性和实用性强等优点。相信将来会被同行业普遍借鉴和引用。
参考文献
[1] 王振宇.燃煤电厂的除尘、脱硫、脱硝技术.环境保护科学，2005，31（2）
[2] 邓涛．火电厂烟气SCR脱硝催化剂在线活化实验研究[D]．长沙理工大学，2012．
[3] 陈阳．火电厂烟气SCR脱硝技术的重要节点[J]．中国高新技术企业，2012，（18）：98-101．