燃煤電廠脫硝還原劑選擇原則及用量計算

祝業(yè)青，柏 源，薛建明，李忠華

(1.國電環(huán)境保護研究院，江蘇 南京 210031；2.華北電力大學工商管理學院，北京 102206)

隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)[1]、《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)[2]、《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》[3]、《大氣污染防治行動計劃》[4]等修訂和實施，控制燃煤電廠NOx的排放已成為電力工業(yè)“十二五”環(huán)境保護工作的重中之重?；谌济弘姀S脫硝技術(shù)還原劑選擇原則，對不同還原劑方案進行綜合比較；重點對還原劑用量計算方法進行了綜述。

1 還原劑的選擇原則[5]

1.1 不同還原劑方案比較

燃煤電廠脫硝技術(shù)所用還原劑一般分為液氨、氨水、尿素[6-8]。氨水方案：通過蒸發(fā)后形成氣態(tài)NH3和氣態(tài)H2O，濃度一般為18%～30%，由于其濃度低，在運輸、儲存、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)額外耗能過高。

液氨方案：利用純液氨直接蒸發(fā)制氨，其特點是系統(tǒng)簡單，造價低；但是氨為有毒性危險品，且存在爆炸的可能性，按照國家對《重大危險源辨識》(GB18218-2009)規(guī)定，生產(chǎn)場所有超過10t的氨屬于重大危險源，另外制氨車間占地大，安全距離要求大，對電廠總平布置要求較高。

尿素方案[7]：分為尿素水解和尿素熱解，利用水蒸汽或燃油加熱熱風將尿素溶液分解為氨氣。熱解的優(yōu)點是安全性提高，較水解腐蝕性小，響應(yīng)速度快；缺點是初期投資大，運行費用非常高。

還原劑選擇需要綜合考慮材料的安全性以及經(jīng)濟性是否技術(shù)成熟可靠等，同時結(jié)合工程項目的占地面積、原料方便運輸及供應(yīng)渠道等因素擇優(yōu)選取。在重視初期投資的項目中，一般采用液氨方式制氨，在重視安全性或場地不具備條件的項目中，一般采用尿素制氨。

1.2 制氨系統(tǒng)需要注意的問題

(1)制氨系統(tǒng)應(yīng)能連續(xù)、穩(wěn)定地供應(yīng)脫硝運行所需要的氨流量，并滿足負荷波動對氨供應(yīng)量調(diào)整的響應(yīng)要求。

(2)液氨及氨水的運輸、卸料、儲存及制備應(yīng)符合《危險化學品安全管理條例》、《危險化學品生產(chǎn)儲存建設(shè)項目安全審查辦法》和《危險化學品重大危險源辨識》(GB18218-2009) 的相關(guān)規(guī)定。

2 還原劑用量的計算[9-10]

在脫硝系統(tǒng)中，發(fā)生脫硝還原反應(yīng)的位置在爐膛出口處和爐膛內(nèi)，煙氣中實際的NOx成分仍然是NO約95%，NO2約占總體積的5%，而在計算還原劑耗量時的鍋爐NOx排放的邊界條件是以NO2的質(zhì)量濃度為基準的，因此可按下式計算出爐膛出口煙氣的NO和NO2含量：

(1)

CNO2=CNOx×0.05

(2)

式中：CNOx、CNO、CNO2分別為煙氣中NOx、NO、NO2濃度，mg/m3(標準狀態(tài)值)。

2.1 SCR工藝中還原劑的計算

根據(jù)SCR的化學反應(yīng)式，1mol的NO與1mol的NH3反應(yīng)，1mol的NO2與2mol的NH3反應(yīng)：

×NSRm

(3)

(4)

式中：WNH3為NH3耗量/kg·h；Qy為反應(yīng)器進口的煙氣流量，m3·h；C'NO反應(yīng)器進口煙氣中NO濃度，mg/m3；C'NO2反應(yīng)器進口煙氣中NO2濃度，mg·m3；NSRm氨和氮的當量mol比；ηNOx實際脫硝效率，%；rNH3氨的逃逸率，μL/L。

尿素通過熱解或水解生成氨氣。其計算式為：

(5)

式中：W尿素然為純尿素的耗量，kg/h；η尿素為尿素熱解或水解的轉(zhuǎn)化率，%。氨水耗量計算式：

(6)

式中：C氨水為氨水的濃度，一般商業(yè)運用中這個比例為18%～30%。

2.2 SNCR工藝中還原劑的計算

SNCR技術(shù)一般采用尿素作為還原劑。尿素噴入爐內(nèi)與NO進行選擇性反應(yīng)，即：

(7)

式中：W尿素為尿素耗量，kg/h；C'NO為脫硝系統(tǒng)未投運時，鍋爐NO排放濃度，mg/m3；NSRn為尿素和氮的當量mol比。

影響NSRn的主要因素有NO的脫硝效率、煙氣中NOx濃度、NOx還原反應(yīng)溫度和停留時間、爐內(nèi)NH3與煙氣的混合程度、允許的氨逃逸率、還原劑與其他非NO物質(zhì)的反應(yīng)程度。脫硝率和NSRn的增長呈指數(shù)關(guān)系，當NSR大于2.0，脫硝效率的增加很少了。一般情況下，當脫硝效率25%，NSRn取0.8；當脫硝效率35%，NSRn取1.25；當脫硝效率45%，NSRn取2.0。

2.3 SNCR/SNCR組合工藝中還原劑的計算

SNCR/SCR工藝的還原劑一般采用尿素，很少采用液氨和氨氣。尿素耗量計算公式：

(8)

C"NO=C'NO×(1-ηSNCR)

(9)

式中：C'NO為脫硝系統(tǒng)未投運時，鍋爐NO排放濃度，mg/m3；C"NO為SCR裝置入口NO濃度，mg/m3；ηSNCR為SNCR部分的脫硝效率；NSRm為SCR反應(yīng)器中尿素和NO的mol比。

SNCR/SCR工藝為了提高SNCR階段的脫硝效率，往往噴入較多的尿素，因此SNCR的氨逃逸率較高，經(jīng)過SCR階段的催化劑反應(yīng)器后大部分逃逸的氨與NO發(fā)生反應(yīng)，僅余下少量的氨逃逸到大氣中，SNCR/SCR工藝的氨逃逸率在3～5μL/L范圍內(nèi)。

[1]GB13223-2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]GB3095-2012,環(huán)境空氣質(zhì)量標準[S].

[3]中華人民共和國環(huán)境保護部.關(guān)于印發(fā)《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》的通知[EB/OL].http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/gwy/201212/t20121205_243271.htm.

[4]中華人民共和國政府.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計劃的通知[EB/OL].http://www.gov.cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773.htm.

[5]劉建民,薛建明,王小明,等.火電廠氮氧化物控制技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2012.

[6]毛智乾,段小云.某電廠脫硝系統(tǒng)還原劑氨氣制備方案選擇[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2011,(32):81-82.

[7]張強,張西濤.燃煤電站實施SCR脫硝技術(shù)的關(guān)鍵工藝選擇[J].熱力發(fā)電,2007,(4):1-4.

[8]汪建光.燃煤電站SCR脫硝技術(shù)中尿素熱解和水解制氨技術(shù)對比[J].能源與環(huán)境,2008,(4):59-60.

[9]葉勇健,袁果,蔡冠萍,等.火電廠脫硝系統(tǒng)還原劑耗量的計算方法[J].勘測設(shè)計,2009,4(2):56-60.

[10]付智明,鄧云耀,張紅燕,等.SCR煙氣脫硝還原劑耗量計算方法的探討[J].熱力發(fā)電,2012,14(4):40-41.