趙海麗，常艷文，李 陽

（安陽市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心站，河南安陽475000）

0 引言

中國是一個(gè)以煤炭為主要能源的國家，煤炭占一次能源的75%，其中的84%是通過燃燒方式利用的，這種對(duì)煤過分依賴的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了環(huán)境污染加劇。其中火力發(fā)電煤炭消耗量占全國燃煤量的70%，按照目前排放水平，到2020年，火電廠的氮氧化物排放量將超過二氧化硫，成為火電廠排放的第一大污染物，采用低氮燃燒技術(shù)可以一定程度地降低氮氧化物的排放量，但減排效率一般不超過60%，不能滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的要求，即自2014年7月1日起NOx排放需達(dá)到100mg/Nm3。因此面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題和更加嚴(yán)格的環(huán)保要求，火電廠必須對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝處理，以減少煙氣中NOx排放量。

1 脫硝現(xiàn)狀

當(dāng)今世界，環(huán)境污染已成為阻礙社會(huì)發(fā)展的全球性問題，人們已經(jīng)意識(shí)氮氧化物是引起光化學(xué)煙霧、酸雨、酸霧、臭氧損耗等一系列問題的主要污染物之一。故此火電廠所排放的氮氧化物的污染問題倍受關(guān)注，到目前為止，日本、美國對(duì)火電廠氮氧化物減排研究較為成熟，他們提出了多種脫硝技術(shù)方法，如低氮燃燒、選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法、活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法、臭氧氧化吸收法等。由于煙氣脫硝成本和工藝難度都較大，現(xiàn)今僅少數(shù)發(fā)達(dá)國家安裝煙氣脫硝裝置，其中，只有日本和德國在火電廠普遍安裝了煙氣脫硝設(shè)施，我國科研機(jī)構(gòu)和環(huán)保企業(yè)積極研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的脫硝技術(shù)，并已有了工程應(yīng)用實(shí)例，但在其他技術(shù)方法還不很成熟的情況下，采用的煙氣脫硝技術(shù)主要是選擇性催化劑還原法（SCR）。

2 主要脫硝技術(shù)

火電廠降低NOX排放主要有兩種措施：一是控制燃燒過程中NOX的生成，即低氮燃燒技術(shù)；二是對(duì)生成的NOX進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。

2.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是通過改變?nèi)紵龡l件來降低NOx的排放。在各種降低NOx排放的技術(shù)中，低氮燃燒技術(shù)是相對(duì)簡(jiǎn)單、采用最廣、最經(jīng)濟(jì)的方法。目前低氮燃燒技術(shù)主要有空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、低過量空氣系數(shù)、煙氣再循環(huán)、低氮燃燒器等。

2.1.1 空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是利用改進(jìn)爐膛的配風(fēng)設(shè)計(jì)或燃燒器的設(shè)計(jì)，適時(shí)合理地分配送入燃燒各階段所需的空氣。在第一階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%～75%（相當(dāng)于理論空氣量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，降低燃燒區(qū)內(nèi)的溫度和燃燒速率。這樣不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了NOx的生成率。在第二階段，完全燃燒所需的其余空氣則通過布置在主燃燒器上方“燃盡風(fēng)”噴口送入爐膛，在主燃燒區(qū)后創(chuàng)造富氧燃燒區(qū)，以確保燃料的燃盡。

該方法的技術(shù)特點(diǎn)：適應(yīng)各種燃料如無煙煤、煙煤、劣質(zhì)煙煤、貧煤；煙氣流量和鍋爐燃燒效率沒有改變；爐膛內(nèi)的燃燒穩(wěn)定；低負(fù)荷性能良好；安全可靠，火焰檢測(cè)不受影響，對(duì)鍋爐效率影響較小。但存在的問題是第二段空氣量過大，容易造成不完全燃燒損失增大，并且煤粉爐由于處在還原性氣氛而容易腐蝕、結(jié)渣。

2.1.2 燃料分級(jí)燃燒

將80%～85%的主燃料送入主燃區(qū)，其余的燃料在主燃器的上部送入二級(jí)燃燒區(qū)，NOX進(jìn)入該燃區(qū)被還原成N2，并且還可抑制新的NOX的生成。在再燃區(qū)的上面布置“燃盡風(fēng)”噴口，以保證在再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。再燃區(qū)的過量空氣系數(shù)是控制NOX的排放量的關(guān)鍵因素，為了減少不完全燃燒的損失，需增加空氣對(duì)再燃區(qū)煙氣進(jìn)行三級(jí)燃燒，故配風(fēng)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2.1.3 低過量空氣系數(shù)

低過量空氣系數(shù)法是一種最基本、最簡(jiǎn)單地降低NOX的排放量的技術(shù)方法，不需對(duì)燃燒設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，是一種優(yōu)化裝置燃燒，并可在降低NOx排放的同時(shí)，提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)燃煤鍋爐而言，存在的問題主要來自于過量空氣系數(shù)低時(shí)會(huì)大大增加化學(xué)未燃燒熱的損失，引起飛灰可燃物增加，并且低氧濃度會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)的某些區(qū)域成為還原性氣氛，從而降低灰熔點(diǎn)引起爐壁的腐蝕與結(jié)渣，所以鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的過量空氣系數(shù)不能做大幅度的調(diào)整。

2.1.4 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)法是通過煙氣循環(huán)風(fēng)將鍋爐煙氣循環(huán)到燃燒氣流中，由于溫度低的煙氣可以降低火焰的總體溫度，并且煙氣中的惰性氣體可沖淡氧的濃度，導(dǎo)致“熱力型”NOx生成的減少。煙氣再循環(huán)法降低NOx排放的效果與燃料品種、燃料種類、燃燒溫度有關(guān)；并且煙氣再循環(huán)時(shí)需加裝再循環(huán)風(fēng)機(jī)、煙道，故還需要增加場(chǎng)地，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行改裝時(shí)常會(huì)受到場(chǎng)地的限制。

2.1.5 低NOx燃燒器

占NOx排放總量的75%～95%的燃料型NOx是在煤粉的著火階段生成的，因此，通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器以及改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，可降低著火區(qū)氧的濃度及著火區(qū)的溫度，從而達(dá)到最大限度地抑制NOx的生成。如濃淡燃燒器利用噴嘴體內(nèi)的百葉窗將煤粉氣流分成左右或垂直濃淡兩股，分別進(jìn)入爐膛，濃相煤粉濃度高所需著火熱少，利于著火和穩(wěn)燃；淡相補(bǔ)充后期所需的空氣，利于煤粉的燃盡，濃淡燃燒均偏離了化學(xué)當(dāng)量燃燒，大大降低了NOx的生成。使用低氮燃燒器技術(shù)只需替換原來的燃燒器，燃燒系統(tǒng)以及爐膛結(jié)構(gòu)不需做任何更改。

2.2 煙氣脫硝技術(shù)

對(duì)于燃煤鍋爐，采用低氮燃燒技術(shù)脫硝效率一般不超過60%，已不能滿足日益嚴(yán)格的NOX排放指標(biāo)，進(jìn)行煙氣脫硝處理是勢(shì)在必行。目前通行的煙氣脫硝技術(shù)方法大致可分為干法、半干法和濕法。干法包括選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性催化還原法（SCR）、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法；半干法有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法；濕法有臭氧氧化吸收法等。由于NOX缺乏化學(xué)活性，難以被水溶液吸收；濕法脫硝系統(tǒng)裝置復(fù)雜龐大，排水需要處理、副產(chǎn)品處理較難，容易造成二次污染，故干法脫硝占主流地位。

2.2.1 SNCR技術(shù)

SNCR技術(shù)是在800～1100℃下，NOX與還原劑尿素和氨類化合物發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)?，從而減少NOX的排放量。在高溫的環(huán)境中使得反應(yīng)迅速達(dá)到所需的較高活化能，避免了催化劑的使用，只需還原劑噴射裝置和儲(chǔ)存裝置，不會(huì)發(fā)生催化劑層堵塞的現(xiàn)象，如此既可大大減少設(shè)備的投資，并且運(yùn)行成本較低。但是存在還原劑噴射位置處煙氣流速高、煙氣在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間較短使得反應(yīng)效率受到很大影響的問題。并且由于鍋爐負(fù)荷的變化致使?fàn)t內(nèi)最佳反應(yīng)溫度位置的變化，因此只有根據(jù)爐內(nèi)位置來調(diào)整還原劑的噴射，才能最大程度的提高反應(yīng)效率。但脫硝效率只有30%～50%，并且氨的逃逸量較大。

2.2.2 SCR技術(shù)

選擇性催化還原法（SCR）是指在催化劑的作用下，煙氣中的NOX有選擇性地與氨發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成無污染的N2和H2O，工藝流程圖見圖1。該方法的主要影響因素有催化劑和還原劑的選擇、SCR反應(yīng)器布置方式等。

圖1 SCR脫硝流程圖

1）催化劑。SCR脫硝工藝中的核心物質(zhì)是催化劑，催化劑約占其投資的1/5。為確保系統(tǒng)安全、有效、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，選擇催化劑的原則為：成本低、壽命長；具有抗中毒性；施加的煙氣壓力損失?。辉谝欢囟确秶鷥?nèi)具有較高的活性，并具有能克服強(qiáng)烈的溫度波動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)前，SCR催化劑大多以TiO2為載體，以V2O5或V2O5-MOO3為主要活性成分。

催化劑結(jié)構(gòu)一般有蜂窩型和平板型。蜂窩型催化劑為整體擠壓成型，載體和活性成分在催化劑內(nèi)均勻分布，并有較大的比表面積，更因其具有模塊化、相對(duì)質(zhì)量較輕、高耐腐蝕性及高反復(fù)利用率得到廣泛應(yīng)用。但其防積灰和堵塞性能較差，阻力損失大。盡管蜂窩式體積數(shù)比較小但其催化劑單位價(jià)格較高，總投資仍然較大。平板型催化劑采用不銹鋼網(wǎng)為基材，載體和活性成分敷設(shè)其上，有較好的防積灰和防堵塞性能，對(duì)煙氣的高塵環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，但受到熱應(yīng)力或者機(jī)械作用時(shí)，活性層容易脫落。

2）還原劑。對(duì)于SCR脫硝工藝，最常見的還原劑有純氨、氨水和尿素。

純氨法是將液氨在蒸發(fā)器中加熱成氨氣，再與稀釋風(fēng)機(jī)的空氣混合成氨氣體積含量為5%的混合氣體后進(jìn)入煙氣系統(tǒng)。純氨作為反應(yīng)劑可直接與NOX反應(yīng)生成無害的水和氮?dú)?，無副產(chǎn)品，反應(yīng)劑、運(yùn)輸費(fèi)用、初期投資、運(yùn)行費(fèi)用均較低；但液氨屬中度危害的化學(xué)介質(zhì)，大型火電廠脫硝所用的液氨如果在生產(chǎn)場(chǎng)所儲(chǔ)量超過40t就是重大危險(xiǎn)源，因此對(duì)設(shè)備安全有嚴(yán)格的法律規(guī)定要求。

氨水法是將20%～25%濃度的氨水溶液通過加熱裝置使其蒸發(fā)形成氨氣和水蒸氣。氨水的運(yùn)輸費(fèi)用、初期投資及運(yùn)行費(fèi)用都較高，需要高熱量蒸發(fā)蒸餾水和氨；氨水作為還原劑，氨水會(huì)散逸，形成細(xì)微的顆粒物，對(duì)環(huán)境造成二次污染。

尿素法是在溶解器中先將尿素固體顆粒完全溶解，然后由溶液泵送到水解槽中，通過熱交換器將溶液加熱至反應(yīng)溫度后與水蒸氣反應(yīng)生成氨蒸汽。尿素作為還原劑具有以下優(yōu)點(diǎn):首先具備良好的安全性及實(shí)用性，常壓、干態(tài)條件下儲(chǔ)存，無氨泄漏發(fā)生，對(duì)設(shè)備安全性基本不做特別要求；其次工藝流程較簡(jiǎn)單，尿素直接分解反應(yīng)速率快，并且系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式簡(jiǎn)便、易于操作；再者模塊化設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)安裝容易、維護(hù)簡(jiǎn)單；同時(shí)對(duì)設(shè)備的腐蝕性低；最后加熱源選擇靈活，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況單一或合并使用天然氣、蒸汽、油和電作為熱源。但尿素在轉(zhuǎn)化為氨的過程中，會(huì)產(chǎn)生H2O、CO2等副產(chǎn)品，并且初期投資及運(yùn)行費(fèi)用較高，需要高熱量水解尿素和蒸發(fā)氨。

隨著脫硝還原劑儲(chǔ)存、制備以及供應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，脫硝還原劑的選擇主要從安全與經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)。安全防范要求越來越嚴(yán)，相對(duì)的安全成本越來越大，因此氨水和尿素正越來越多地作為脫硝還原劑使用。

3）SCR反應(yīng)器布置的選擇。按照SCR反應(yīng)器在鍋爐之后的不同安裝位置可分為“高溫高塵”、“高溫低塵”、“低溫低塵”。高溫高塵布置方式是將SCR反應(yīng)器直接安裝在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，布置在除塵器的前面。其優(yōu)點(diǎn)是催化反應(yīng)區(qū)處于300～400℃，有利于反應(yīng)的進(jìn)行不需要再加熱，初投資及運(yùn)行費(fèi)用較低，技術(shù)成熟，性價(jià)比較高，但缺點(diǎn)是煙氣中的飛灰含量較高，對(duì)催化劑鈍化性能，防堵塞及防磨損性能要求較高。

高溫低塵布置方式是將SCR反應(yīng)器布置在空氣預(yù)熱器和除塵器之間。進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度高、含塵量低，但在300～400℃的高溫下電除塵器運(yùn)行條件差，并且飛灰顆粒較細(xì)，容易使空氣預(yù)熱器受熱面積垢，影響換熱效率。

低溫低塵布置方式是將SCR反應(yīng)器布置在除塵器和脫硫裝置的下游，進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣含塵量及SO2含量極低，催化劑磨損和堵塞的概率較小，可采用比表面積較大的細(xì)孔徑催化劑，煙氣流速可設(shè)計(jì)的適當(dāng)高一些，但由于煙氣溫度較低，僅為50～60℃，一般需要采用較為昂貴的氣-氣加熱器對(duì)煙氣再加熱，從而會(huì)增加能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用。

3 大唐安陽發(fā)電廠的煙氣脫硝概況

大唐安陽發(fā)電廠采用低氮濃淡燃燒器+空氣分級(jí)燃燒技術(shù)對(duì)其2×300MW亞臨界燃煤機(jī)組（#1、2機(jī)組）進(jìn)行改造,鍋爐原始NOx排放濃度約800mg/Nm3，進(jìn)行低氮燃燒改造后，可控制NOx（干基，6%氧量）排放濃度降低到300mg/Nm3以下，有效降低爐膛出口NOx濃度，是降低煙氣脫硝裝置投資的配套項(xiàng)目。

經(jīng)低氮濃淡燃燒器+空氣分級(jí)燃燒處理后的煙氣，再經(jīng)SCR技術(shù)進(jìn)行脫硝，工藝流程圖見圖2。其中SCR技術(shù)采用尿素?zé)峤夥ㄖ苽涿撓踹€原劑，催化劑選用V2O5-MoO3/TiO2并以平板式布設(shè)，SCR反應(yīng)器采用高溫高塵布置方式，含氧量控制在3%～5%，使得最終NOX排放濃度降低到100mg/Nm3以下，總脫硝效率達(dá)到80%以上，大幅度減少NOX的排放量，對(duì)改善周圍的大氣環(huán)境質(zhì)量起到積極的作用，具有較好的環(huán)境和社會(huì)效益。

圖2 工藝流程圖

4 結(jié)束語

隨著環(huán)境污染的加劇，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，為了保護(hù)我們賴以生存的環(huán)境，人們已經(jīng)意識(shí)到保護(hù)環(huán)境的重要性。我國近年來越來越重視氮氧化物的排放，出臺(tái)較為嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)以控制NOX的排放。而火電廠作為排放NOX的大戶，在發(fā)電的過程中不僅要注重經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還必須注重社會(huì)效益，承擔(dān)自己的社會(huì)責(zé)任，履行保護(hù)環(huán)境的社會(huì)義務(wù)，采取高效可行的脫硝技術(shù)方法以減少NOX的排放。大唐安陽發(fā)電廠采用的低氮濃淡燃燒器+空氣分級(jí)燃燒技術(shù)+SCR煙氣脫硝技術(shù)，使得NOX排放濃度降低到100mg/Nm3以下，該方法具備極為廣闊的應(yīng)用前景。

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