環(huán)境保護(hù)與發(fā)電廠煙氣脫硝技術(shù)研究

摘要:煙氣脫硝是實(shí)現(xiàn)NOx減排的具體有效的措施,文章介紹了幾種被廣泛應(yīng)用的煙氣脫硝方法:選擇性催化還原法(SCR),選擇性非催化還原法(SNCR),聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)。隨著環(huán)保要求的提高,煙氣脫硝勢在必然。

關(guān)鍵詞:大氣污染;煙氣脫硝;聯(lián)合脫硫脫硝

中圖分類號(hào):X701文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)35-0154-02

環(huán)境保護(hù)是我國的基本國策。在我國煤炭蘊(yùn)藏量大,能源結(jié)構(gòu)以煤為主,我國煤炭占一次能源消費(fèi)總量的75%。然而煤在燃燒過程中產(chǎn)生大量的灰渣、氮氧化物、二氧化硫等污染物。燃煤產(chǎn)生的大氣污染物占污染物排放總量的比例較大,其中二氧化硫占87%、氮氧化物占67%、一氧化碳占67%、煙塵占60%。這些污染物造成的酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞等環(huán)境污染,嚴(yán)重地影響了人類的居住環(huán)境。為控制燃煤電廠的氮氧化物排放,我國采取了一系列措施發(fā)展清潔發(fā)電技術(shù),重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效、低污染的目標(biāo)。

目前在我國應(yīng)用的脫硝技術(shù)分為兩類:一類是煙氣脫硝技術(shù);另一類是低NOx燃燒技術(shù)。煙氣脫硝技術(shù)以其高的脫除率,是目前發(fā)展應(yīng)用的主要趨勢。

一、NOx的形成原因和控制方法

在火電機(jī)組排放的多種大氣污染物中,氮氧化物是受到世界極大關(guān)注的一種污染物。氮氧化物的排放對(duì)人體的致毒作用、對(duì)植物的損害以及對(duì)酸雨及光化學(xué)煙霧的形成、對(duì)臭氧層的破壞所起的作用已經(jīng)得到了科學(xué)的證明。

(一)NOx的生成機(jī)理

在化石燃料的燃燒過程中,NOx的生成通過三種機(jī)理,三種機(jī)理所生成的NOx分別稱作燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。

1.燃料型NOx 。燃料本身所含氮的有機(jī)物在高溫下釋放出氮和氧化合生成的NOx,稱作燃料型NOx。在煤粉爐中,煤在燃燒時(shí)產(chǎn)生的NOx總量中約70%～80%是來自燃料型NOx。

2.熱力型NOx。燃燒時(shí)空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox,稱作熱力型NOx。熱力型NOx形成的主要控制因素是溫度,溫度對(duì)熱力型NOx的生成速率的影響呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3.快速型NOx。氮?dú)淙剂显谌剂线^多時(shí)燃燒所產(chǎn)生的NOx,稱作快速型NOx。

(二)NOx的控制方法

有關(guān)NOx的控制方法有幾十種之多,這些方法大體上可以分為兩大類:一級(jí)污染預(yù)防措施和二級(jí)污染預(yù)防措施。

1.一級(jí)污染預(yù)防措施。一級(jí)污染預(yù)防措施是指在NOx生成前的所有控制措施。一級(jí)污染預(yù)防措施主要是通過改進(jìn)燃燒方式減少NOx的生成量。燃燒方式的改進(jìn)通常是一種相對(duì)簡便易行的減少NOx排放的措施,但這種措施會(huì)帶來燃燒效率的降低,不完全燃燒損失的增加,而且NOx的脫除率也不夠高,隨著環(huán)保要求的不斷提高,燃燒后的處理越來越成為重要而必然之勢。

2.二級(jí)污染預(yù)防措施。二級(jí)污染預(yù)防措施是指在NOx生成后的控制措施,即對(duì)燃燒后所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫氮處理,又稱煙氣脫硝。煙氣凈化技術(shù)的特點(diǎn)是將在爐內(nèi)燃燒過程中已生成的氣體污染物,通過煙氣處理的技術(shù)措施來大大降低氮氧化物排放量,這類煙氣凈化裝置能大幅度地降低燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物的排放濃度。

二、煙氣脫硝工藝分類

煙氣脫硝是用反應(yīng)吸收劑與煙氣接觸,以除去或者減少煙氣中的NOx的工藝過程。煙氣脫硝技術(shù)是在低氮燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低氮氧化物排放污染的一個(gè)主要技術(shù)措施。

目前,已經(jīng)研制開發(fā)的煙氣脫硝工藝有50余種,大致可歸納為干法煙氣脫硝和濕法煙氣脫硝。無論是干法還是濕法依據(jù)脫硝反應(yīng)的化學(xué)機(jī)理,又可以分為還原法、分解法和吸附法等。

(一)干法煙氣脫硝技術(shù)

干法脫硝技術(shù)的特征是用氣態(tài)反應(yīng)劑使煙氣中的NOx還原為N2和H2O。主要有選擇性催化還原法、非選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法,其中選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法在世界上被廣泛應(yīng)用。

干法脫硝的主要特點(diǎn)為:反應(yīng)物質(zhì)是干態(tài)。多數(shù)工藝需采用催化劑,并要求在較高溫度下進(jìn)行,因此,該類煙氣處理工藝不會(huì)引起煙氣溫度的顯著下降,無須煙氣再加熱系統(tǒng)。

1.選擇性催化還原法(SCR)。用氨(NH3)作為還原劑,在催化劑的存在下,將煙氣中的NOx還原成N2,脫硝率可以達(dá)到90%以上,根據(jù)所采用的催化劑不同,其適應(yīng)的反應(yīng)溫度范圍也不同,一般為300℃～340℃。由于所采用的還原劑NH3只與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng),而一般不與煙氣中的氧發(fā)生反應(yīng),所以,將這類選擇性的化學(xué)反應(yīng)稱為選擇性催化還原法。在眾多的脫硝技術(shù)中,選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率最高,最為成熟的脫硝技術(shù)。1975年在日本建立了第一個(gè)SCR系統(tǒng)的示范工程,其后SCR技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用,其NOx的脫除率可達(dá)到80%～90%。SCR方法已成為目前國內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。

2.非選擇性催化還原法(NSCR)。用CH4、CO或H2等作為還原劑,在煙溫550℃～800℃范圍內(nèi)及催化劑的作用下,將NOx還原成N2。但是這類還原劑除了與煙氣中的NOx反應(yīng)以外,還與煙氣中的殘余氧反應(yīng),生成水和二氧化碳,因此還原劑的消耗量比選擇性催化還原法高出4～5倍。另外,該反應(yīng)放出的熱量使煙氣溫度上升。這兩種還原NOx的方法均以催化反應(yīng)為主要特征,因此都需要在煙道的合適位置設(shè)置催化反應(yīng)器,系統(tǒng)比較復(fù)雜。

3.選擇性非催化還原法(SNCR)。在不采用催化劑的條件下,將氨作為還原劑還原NOx的反應(yīng)只能在950℃～1100℃這一溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,因此,需將氨氣噴射注入爐膛出口區(qū)域相應(yīng)溫度范圍內(nèi)的煙氣中,將NOx還原為N2和H2O,也稱為高溫?zé)o催化還原法或爐膛噴氨脫硝法。如果加入添加劑,可以擴(kuò)大其反應(yīng)溫度范圍。當(dāng)以尿素為還原劑時(shí),脫硝效果與氨相當(dāng),但其運(yùn)輸和使用比NH3安全方便。但是,當(dāng)采用尿素作還原劑時(shí),可能會(huì)有N2O生成。

這類脫硝方法的脫硝效率為40%～60%,而且對(duì)反應(yīng)所處的溫度范圍很敏感。該法的主要特點(diǎn)是無須采用催化反應(yīng)器,系統(tǒng)簡單。

選擇性非催化還原法(SNCR)也是當(dāng)前世界上一種成熟的氮氧化物控制技術(shù)。目前在火力發(fā)電行業(yè),SNCR是僅次于SCR而被廣泛應(yīng)用的煙氣脫硝工藝。選擇性非催化還原工藝比較適用于煙氣的NOx含量和所需還原率都較低的燃燒設(shè)備的煙氣治理,是一種NOx的脫除率和費(fèi)用均低于SCR法的脫硝方法。

(二)濕法煙氣脫硝技術(shù)

由于鍋爐排煙中的NOx主要是NO,而NO極難溶于水,所以,采用濕法脫除煙氣中的NOx時(shí),不能像脫除SO2一樣采用簡單的直接洗滌方法進(jìn)行吸收。必須先將NO氧化為NO2,然后再用水或其他吸收劑進(jìn)行吸收脫除。

濕法脫硝的工藝過程包括氧化和吸收,并反應(yīng)生成可以利用或無害的物質(zhì),因此必須設(shè)置煙氣氧化、洗滌和吸收裝置,工藝系統(tǒng)比較復(fù)雜,濕法脫氮大多具有同時(shí)脫硫的效果。濕法的主要特點(diǎn)是:脫氮反應(yīng)的局部或全部過程在濕態(tài)下進(jìn)行,需使煙氣增濕、降溫,因此,一般需將脫氮后的煙氣除濕和再加熱后經(jīng)煙囪排放至大氣。主要有氣相氧化液相吸收法、液相氧化吸收法等。

(三)煙氣脫硝技術(shù)新趨勢

1.催化分解法。理論上,NO分解成N2和O2是熱力學(xué)上有利的反應(yīng),NO→1/2N2+1/2O2,但該反應(yīng)的活化能高達(dá)364kJ/mol,需要合適的催化劑來降低活化能,才能實(shí)現(xiàn)分解反應(yīng)。由于該方法簡單,費(fèi)用低,被認(rèn)為是最有前景的脫氮方法,目前尚處于研究階段。

2.生物法處理。生物法處理的實(shí)質(zhì)是利用微生物的生命活動(dòng)將NOx轉(zhuǎn)化為無害的無機(jī)物及微生物的細(xì)胞質(zhì)。由于該過程難以在氣相中進(jìn)行,所以氣態(tài)的污染物先經(jīng)過從氣相轉(zhuǎn)移到液相或固相表面的液膜中的傳質(zhì)過程,可生物降解的可溶性污染物從氣相進(jìn)入濾塔填料表面的生物膜中,并經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入其中的微生物組織。然后,污染物作為微生物代謝所需的營養(yǎng)物,在液相或固相被微生物降解凈化。

3.聯(lián)合脫硫脫硝。進(jìn)入新的世紀(jì),人們逐漸認(rèn)識(shí)到單獨(dú)使用脫硫脫硝技術(shù),設(shè)備復(fù)雜,占地面積大,投資和運(yùn)行費(fèi)用高,而使用脫硫脫硝一體化工藝則結(jié)構(gòu)緊湊,投資和運(yùn)行費(fèi)用低,為了降低煙氣凈化的費(fèi)用,適應(yīng)電廠的需要,開發(fā)聯(lián)合脫硫脫硝的新技術(shù)、新設(shè)備已成為煙氣凈化的趨勢。

對(duì)聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)的分類很多,目前較通用的分類方法是按照處理的過程,可分為兩大類:一類是爐內(nèi)燃燒過程中同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)。這類方法共同的特點(diǎn)是通過控制燃燒溫度來減少NOx的生成,同時(shí)利用吸收劑來吸收燃燒過程中產(chǎn)生的SO2,來控制NOx和SO2的排放。另一類是燃燒后煙氣聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù),具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的有:活性炭法、電子束輻照氨法等。

脫硫脫硝技術(shù)能夠在一個(gè)過程內(nèi)實(shí)現(xiàn)煙氣中SO2和NOx的同時(shí)脫除,但目前在我國相關(guān)研究大都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,離工業(yè)應(yīng)用尚有一定距離。

目前被應(yīng)用的有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝,電子束輻照氨法聯(lián)合脫硫脫硝等。

三、結(jié)語

電力行業(yè)(尤其是火電)將是中國未來20年能源行業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)?；痣娦袠I(yè)未來20年削減氮氧化物將直接影響國家氮氧化物和二氧化硫總量控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。電力污染控制將是中國酸雨和氮氧化物污染控制的重點(diǎn)。我國要立足于解決好國內(nèi)環(huán)境與發(fā)展問題,在加快發(fā)展中積極防治污染,加快燃煤電廠脫硝治理。建議以排污收費(fèi)制度和排污交易為基本政策組合方向;實(shí)施嚴(yán)格的電力行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn);引入發(fā)電排放績效管理機(jī)制;推行電廠環(huán)境信息公告制度;加強(qiáng)監(jiān)督管理能力的建設(shè)等。全面運(yùn)用市場經(jīng)濟(jì)手段控制污染,促進(jìn)能源的可持續(xù)發(fā)展。

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作者簡介:陳曦梅(1972- ),女,湖南望城人,長沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程系副教授,研究方向:熱能動(dòng)力工程教學(xué)。