煙氣脫氮技術(shù)在氮氧化物總量減排中的應用研究

朱 玲

(天津市環(huán)境監(jiān)測中心，天津 300191)

目前，氮氧化物(NOx)已成為大氣的主要污染物，其與碳氫化物反應形成的光化學煙霧嚴重危害人類健康;另外氮氧化物還是造成酸雨的一個主要原因，酸雨的頻繁發(fā)生給生態(tài)環(huán)境和國民經(jīng)濟造成極大的影響［1］。

中國是一個以煤炭為主要能源的國家，煤燃燒釋放出大量的NOx。據(jù)中國環(huán)境狀況公報顯示，2005年全國氮氧化物的產(chǎn)量已達到1 700萬t左右，而未來20年中國NOx排放量將繼續(xù)呈穩(wěn)步增長的趨勢，如果不采取措施，到2020年、2030年，全國能源消費導致的NOx排放量將分別達到2 363 ～2 914 萬t和3 154 ～4 296 萬 t［2］。如何利用現(xiàn)有技術(shù)因地制宜的做好NOx減排是環(huán)保工作的重要內(nèi)容。文章重點對煙氣脫氮技術(shù)進行研究，并以天津市“十一五”氮氧化物排放現(xiàn)狀為例，提出了氮氧化物排放削減對策，對流動源NOx減排不作討論。

1 煙氣脫氮技術(shù)

目前，有效的脫氮技術(shù)有爐中脫氮技術(shù)、尾端脫硝技術(shù)［3］。其中，爐中脫氮技術(shù)適合中小型鍋爐，主要是控制燃燒過程中NOx的生成，包括低溫燃燒、低氮燃燒技術(shù)［4］。尾端脫硝技術(shù)適合大噸位的電廠鍋爐，分為干法脫硝、半干法脫硝和濕法脫硝3種。其中干法包括選擇性催化還原法(SCR)、非選擇性催化劑還原法(SNCR)、混合SCR-CNCR法等［5］;半干法有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法;濕法有濕式絡合吸收法等［6］。目前廣泛應用的尾端脫氮技術(shù)有SCR和SNCR［7］。

1.1 爐中脫氮技術(shù)

1.1.1 低溫燃燒技術(shù)

循環(huán)流化床鍋爐是一種潔凈燃燒設備，其燃燒方式是在流態(tài)化下進行燃燒，即爐內(nèi)高速運動的氣體與其攜帶的紊流擾動極強的固體顆粒呈懸浮接觸，并具有大顆粒返混的流態(tài)化燃燒過程。此技術(shù)特點是改變了燃燒方式，有效的降低爐膛溫度和過氧燃燒現(xiàn)象，其爐膛溫度一般控制在830℃ ～930℃，屬于中低溫燃燒技術(shù)，基本不會產(chǎn)生熱力型NOx;將空氣系數(shù)降至1.10～1.20之間，保持NOx低排放效果。NOx排放濃度一般在50～200 mg/m3，較層燃爐和煤粉爐排放濃度低70% ～80%。目前該技術(shù)已得到逐步推廣［8］。

1.1.2 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是通過改變?nèi)济哼^程中不同的風煤比例，產(chǎn)生兩種不同的燃燒狀況：煤比例高時為富燃料燃燒，空氣比例高時為富氧燃燒。燃煤過程中通過這樣的調(diào)節(jié)既可以使燃燒的火焰更長且溫度較低，又可以在風煤比例中煤比例較高的燃燒區(qū)域形成還原氣氛，使燃料型NOx的產(chǎn)生得以減少［9］。該技術(shù)為成熟實用技術(shù)，但受爐膛結(jié)構(gòu)的制約，其燃燒溫度和對氧化層燃燒控制作用有限，一般脫氮效率較低，在20% ～40%之間，需要與尾端脫氮技術(shù)結(jié)合應用。目前正在開發(fā)研究的全爐排分段燃燒鍋爐技術(shù)，主要將煤的燃燒還原過程和氧化過程分段進行，并將還原過程產(chǎn)生的還原氣體引入火床，將產(chǎn)生的NO還原為氮氣和水，該項技術(shù)適用于中小型鍋爐應用，其優(yōu)點是能在節(jié)能的基礎上減少了氮氧化物的排放。

1.2 尾端脫硝技術(shù)

1.2.1 SCR 法

SCR特點是脫氮效率高，運行穩(wěn)定，缺點是設備造價成本高，因此特別適用于發(fā)電廠鍋爐脫氮應用。其工作原理是在一定溫度下NH3在催化劑(NH3、尿素)作用下將NO和NO2直接還原為氮氣和水，反應式如下：

該反應應控制在250～427℃溫度下進行，當溫度過高時將會引起氨與氧的氧化反應，減少了脫氮效率。常用的催化劑有貴金屬型、金屬氧化物型及分子篩催化劑，反應式如下：

1.2.2 SNCR 法

SNCR為選擇性非催化還原法，該法特點是不需要催化劑，建造成本較SCR低，其反應溫度控制在930～1090℃，因此可直接向爐膛適應溫度區(qū)噴射氨水或尿素水溶液進行，在煙道中增加氨氣監(jiān)控設備可以達到理想的脫氮效果。其反應方程式如下：

該法加入添加劑還可以加寬有效工作溫度范圍，可在層燃鍋爐上運行，因此可用于開發(fā)中大型工業(yè)鍋爐的脫氮需求。

1.2.3 濕式絡合吸收法

濕式絡合吸收法是煙氣同時脫硫脫氮技術(shù)，其優(yōu)點是不需要較高的反應溫度，而是通過金屬絡合劑水溶液直接吸收煙氣中NO，因此可在原有脫硫吸收液中加入絡合劑，設備稍加改造即可達到同時脫硫和脫硝雙重作用，特別適用于中小型工業(yè)鍋爐的需求［10］。以下是以硫酸亞鐵為絡合劑的吸收反應化學式：

該反應是可逆反應，低溫有利于絡合反應進行，高溫和較高的pH值條件則發(fā)生分解反應，放出NO。因此可用于吸收液的再生，收集NO用于制備硝酸。

以上3種技術(shù)方法對不同行業(yè)適用性不同(具體特點見表1)，電力行業(yè)可選擇以 SCR和SNCR為主體;供熱行業(yè)可選擇以爐體改造、引進新型燃燒設備方式，同時配合SCR和尾端吸收優(yōu)選方案相配合;綜合行業(yè)(針對具備有氮氧化物排放的行業(yè)綜合體)可利用自身行業(yè)特點，以尾端吸收綜合利用原則，應用開發(fā)脫硝減排，同時集合優(yōu)勢統(tǒng)一設計、統(tǒng)一建立吸收液再生綜合利用部門，從而降低脫硝成本，提高設備運營管理的質(zhì)量。

表1 幾種煙氣脫硝技術(shù)比較

續(xù)表1

2 天津市氮氧化物排放及削減狀況

2.1 氮氧化物排放現(xiàn)狀

“十一五”期間，天津市煙塵、二氧化硫和工業(yè)粉塵排放總量呈總體下降趨勢，但NOx排放總量呈總體上升趨勢。NOx排放量由2006年的16.0萬t上升到2010年的24.6萬t，增幅為53.5%;全市工業(yè)NOx排放量有所增加，與2006年相比，排放量增長了55.5%。

“十一五”期間，火電廠NOx排放量呈波動上升趨勢，由2006年的7.3萬 t上升到2010年的11.1萬 t，增幅為52.6%。具體情況見表2。

表2 天津市“十一五”期間氮氧化物排放情況

2.2 天津市火力發(fā)電廠煙氣脫硝現(xiàn)狀

截止到2010年，全市共有火電廠19家，其中屬于火電行業(yè)的共有14家，企業(yè)自備電廠5家，自備電廠氮氧化物排放量占火電行業(yè)氮氧化物排放量的19.5%。2010年，全市火電廠氮氧化物排放量為11.1萬 t，去除量僅為1.7萬 t，只占產(chǎn)生量的13.4%。

截止到2010年安裝脫硝裝置的火電廠只有2家，分別為天津東北郊發(fā)電廠和天津軍電熱電有限公司，均采用SCR法脫硝，實測脫硝效率分別為75%和77%;有3家火電廠采取低氮燃燒器方式初步脫硝，脫硝效率在10% ～40%之間。其余14家火電廠沒有采取任何的脫硝方式，氮氧化物排放量很大。

3 氮氧化物排放削減對策

2010年天津市固定源NOx排放總量為245667 t，以此為基礎“十二五”期間約削減24 567 t?？赏ㄟ^工程削減、標準控制及加強監(jiān)管3個方面實現(xiàn)“十二五”NOx減排。

3.1 工程削減

對于天津市來說，已建成的電廠老機組和小機組較多，企業(yè)自備電廠的裝機容量小，這些電廠一般沒有預留脫硝設備建設空間，可以考慮對機組進行低氮燃燒技術(shù)改造。其技術(shù)簡單，不占地，費用較低。以天津北疆發(fā)電廠低氮燃燒器脫除氮氧化物10%為例，此類電廠的氮氧化物去除量約為2 829 t。

對于新建設的火電廠，基本上都為300 MW，600 MW的大機組，甚至1 000 MW的高參數(shù)機組，這些項目一般在設計時預留了場地，經(jīng)濟承受能力比較強，可以考慮效率比較高的SCR法脫硝技術(shù)，雖然投資較高，但從長遠上考慮，可進一步達到日后新環(huán)保標準的要求。以SCR法脫硝的火電廠(東北郊電廠和軍電熱電有限公司)的實際脫硝效率可以看出，SCR法脫硝效率基本能保證在70%以上。若在中、大型火電廠中實施SCR法脫硝，以60%的去除率計大約能去除48 242 t的氮氧化物。

天津市19家火電廠工程措施靜態(tài)削減見表3。

表3 工程措施靜態(tài)削減

3.2 標準控制

現(xiàn)行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2003)中氮氧化物排放標準第3時段燃煤鍋爐(Vdaf＞20%)為450 mg/m3，新修訂的《火電廠大氣污染排放標準》(征求意見稿)中某些重點地區(qū)新建和改擴建火電廠的氮氧化物排放標準已經(jīng)降至200 mg/m3。在大力實行工程削減的基礎上，新排放標準的實施有力保障了減排效果，更加督促企業(yè)自覺履行減排指標。新標準的實行將使氮氧化物排放總量減少30%～40%。

3.3 加強監(jiān)管

在工程削減和結(jié)構(gòu)削減的基礎上，推進能源結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，嚴格控制新增量。新建項目必須按照先進的生產(chǎn)技術(shù)和最嚴格的環(huán)保要求進行控制，大幅度降低污染物排放強度。煤電及水泥行業(yè)新建項目要求配套建設煙氣脫硝設施。

同時推進以水泥行業(yè)為主的其他行業(yè)氮氧化物排放控制。大力開展水泥行業(yè)新型干法窯降氮脫硝工作，根據(jù)水泥窯的現(xiàn)狀和特性，推進煙氣脫硝工程建設。

鋼鐵、工業(yè)鍋爐也是氮氧化物的重要排放源，為拓展氮氧化物減排領域，推進氮氧化物持續(xù)減排，“十二五”期間應加快冶金行業(yè)、工業(yè)鍋爐等其他行業(yè)氮氧化物控制技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進程，推進煙氣脫硝示范工程建設。

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