燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)淺議

劉金貴

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453800)

燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)淺議

劉金貴

(新鄉(xiāng)中新化工有限責(zé)任公司 ， 河南 新鄉(xiāng) 453800)

針對煙氣中主要的氮氧化物和二氧化硫的污染情況進(jìn)行了分析，結(jié)合國家的減排政策，闡述鍋爐煙氣增加脫硝裝置勢在必行；對國內(nèi)幾種常用并且有效的煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)行介紹，例如SCR法、SNCR法以及聯(lián)合脫硝法等，同時對影響煙氣脫硝效果的因素進(jìn)行簡單的分析，最后對燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)方案選擇提出建議。

大氣污染 ； NOx； 煙氣脫硝 ； SCR ； SNCR

1 燃煤鍋爐煙氣增加脫硝裝置的必要性

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，而隨之所帶來的環(huán)境污染尤其是大氣污染問題，將對我們?nèi)祟惖纳婧途幼…h(huán)境帶來越來越嚴(yán)重的影響。其中危害量最大、影響范圍最廣的無疑是二氧化硫和氮氧化物。

我國在二氧化硫的減排中已初見成效，而相較于二氧化硫，氮氧化物排放污染日趨嚴(yán)重。因此2011年3月14日，全國人大審議通過的“十二五”規(guī)劃綱要，提出化學(xué)需氧量、二氧化硫分別減少8%，同時將氨氮和氮氧化物首次列入約束性指標(biāo)體系，要求分別減少10%，氮氧化物已經(jīng)成為我國減排的重點(diǎn)[1]。

2015年國務(wù)院《政府工作報告》安排，4項(xiàng)主要污染物減排年度目標(biāo)分別是：化學(xué)需氧量、氨氮排放減少2%左右，二氧化硫、排放分別減排3%和5%左右。

《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271-2014)代替GB 13271-2001，自2014年7月1日起執(zhí)行；省環(huán)保廳要求河南省工業(yè)用鍋爐執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)新標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 新標(biāo)準(zhǔn)燃煤鍋爐大氣污染物排放限值 mg/Nm3

注：①位于廣西壯族自治區(qū)、重慶市、四川省和貴州省的火力發(fā)電鍋爐執(zhí)行該限值。②采用W型火焰爐膛的火力發(fā)電鍋爐，現(xiàn)有循環(huán)流化床活力發(fā)電鍋爐，以及2003年12月31日前建成投產(chǎn)?；蛲ㄟ^建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報告書審批的火力發(fā)電鍋爐執(zhí)行該限值。

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有燃煤鍋爐運(yùn)行情況，許多鍋爐必須進(jìn)行技改，增加脫硝裝置。

2 燃煤鍋爐脫硝技術(shù)

在煤燃燒過程中，生成NOx的途徑有三個：①熱力型NOx，它是空氣中氮?dú)庠诟邷叵卵趸傻腘Ox；②燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化生成的NOx；③快速型NOx，它是燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)等反應(yīng)生成的NOx[2]。

所謂的煙氣脫硝技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是將燃煤過程中產(chǎn)生熱力型、燃料型以及快速型氮氧化物相互分離、轉(zhuǎn)化為液態(tài)物質(zhì)或者氣態(tài)單質(zhì)，以減少這些有害氣體對大氣的污染。為防止鍋爐內(nèi)煤燃燒后產(chǎn)生過多的污染環(huán)境，應(yīng)對煤進(jìn)行脫硝處理。按照控制產(chǎn)生NOx的方式，可分為燃燒前脫硝、燃燒過程脫硝、燃燒后脫硝。

燃燒前脫硝一般用加氫脫硝和洗選。

燃燒中脫硝包括：低溫燃燒、低氧燃燒、FBC燃燒技術(shù)、采用低NOx燃燒器、煤粉濃淡分離、煙氣再循環(huán)技術(shù)幾種。

燃燒后脫硝則有：選擇性非催化還原脫硝(SNCR)、選擇性催化還原脫硝(SCR)、活性炭吸附、電子束脫硝幾種。

對于燃煤鍋爐來說，一般可采用低氮燃燒技術(shù)[3]和燃燒后脫硝技術(shù)，低NOx燃燒技術(shù)是指通過燃燒降低NOx生成量的技術(shù)，其主要途徑如下：①選用N含量較低的燃料，包括燃料脫氮。②降低過量空氣系數(shù)，組織過濃燃燒，來降低燃料周圍氧濃度，即降低過量空氣燃燒。③在適宜的過量空氣條件下，降低溫度峰值，以減少熱力NOx生成。④在氧濃度較低的情況下，增加可燃物在火焰前部和反應(yīng)區(qū)中的停留時間。

由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性，對于燃煤鍋爐，采用改進(jìn)燃煤技術(shù)可以達(dá)到一定的除NOx效果，氮脫出率一般不會超過60%，使得NOx的排放不能達(dá)到令人滿意的程度。為了進(jìn)一步降低NOx的排放，必須對燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硝處理。目前通用的煙氣脫硝工藝大致可分為干法、半干法和濕法三類。其中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。就目前而言，干法脫硝占主流地位，其原因是：NOx與SO2相比，缺乏化學(xué)活性，難以被水溶液吸收；NOx經(jīng)還原后成為無毒的N2和O2，脫硝的副產(chǎn)品便于處理；NH3對煙氣中NO可選擇性吸收，是良好的還原劑。濕法與干法相比，主要缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜且龐大，廢水處理難度大。本章重點(diǎn)介紹干法煙氣脫硝技術(shù)。

2.1 電子束煙氣脫硫脫硝法

用電子束對煙氣進(jìn)行照射而同時脫硫脫硝的技術(shù)，是近年來發(fā)展起來的一種干法煙氣脫硫脫硝工藝。我國成都熱電廠引進(jìn)日本先進(jìn)技術(shù)，建成了電子束煙氣脫硫脫硝示范裝置。

該法的工藝流程為：從電除塵器出來的煙氣，在冷卻塔中通過噴霧干燥工藝?yán)鋮s到65～70 ℃，然后送入反應(yīng)器。煙氣在進(jìn)入反應(yīng)器之前要先加入氨氣，在反應(yīng)器中用電子束對煙氣進(jìn)行照射。電子束發(fā)生裝置是由電壓為800 kV的直流高壓電發(fā)生裝置和電子加速器組成。電子加速器產(chǎn)生的電子束通過照射孔對反應(yīng)器內(nèi)的煙氣進(jìn)行照射時，電子束的高能電子將煙氣中的氧和水蒸氣的分子激發(fā)，使之轉(zhuǎn)化成為氧化能力很強(qiáng)的OH、O和HO2等游離基。這些游離基使煙氣中的硫氧化物和氮氧化物很快氧化，產(chǎn)生了中間產(chǎn)物硫酸和硝酸，他們再和預(yù)先加入反應(yīng)器中的氨反應(yīng)產(chǎn)生微粒狀的硫酸銨和硝酸銨。最后，煙氣通過另一電除塵器副產(chǎn)品硫酸銨和硝酸銨從煙氣中分離出來，由于煙氣的溫度高于露點(diǎn)，因此在煙氣通過煙囪排放到大氣之前不需要再加熱。

該法的特點(diǎn)是，系統(tǒng)簡單，可以高效地從煙氣中同時脫硫和脫硝，脫硫效率可達(dá)95%以上，脫硝效率可達(dá)85%以上，脫硫脫硝反應(yīng)副產(chǎn)品為硫酸銨和硝酸銨化肥，可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。

2.2 選擇性催化還原法(SCR)

SCR 是目前最成熟的煙氣脫硝技術(shù)，它是一種爐后脫硝方法，是利用還原劑(NH3，尿素)在金屬催化劑作用下，選擇性地與 NOx反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2氧化，故稱為“選擇性”。世界上流行的 SCR工藝主要分為氨法SCR和尿素法SCR兩種。此兩種方法都是利用氨對NOx的還原功能，在催化劑的作用下將NOx(主要是NO)還原為對大氣沒有多少影響的N2和水，還原劑為NH3。

氨和煙氣混合物通過流化床，在那里氨和NOx反應(yīng)生成氣體N2和水蒸氣，反應(yīng)式如下：

在沒有催化劑的情況下，上述反應(yīng)只能在很窄的溫度范圍內(nèi)(980 ℃左右)進(jìn)行。通過使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎鲜龇磻?yīng)可以在200～450 ℃的范圍內(nèi)有效進(jìn)行。但當(dāng)溫度超過350 ℃時，NH3會分解生成N2和H2O。在NH3/NO物質(zhì)的量比為1的條件下，可以得到80%～90%的脫硝率。小于1時則會發(fā)生下列的發(fā)應(yīng)：

在SCR中使用的催化劑大多以TiO2為載體，以V2O5或V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分，制成蜂窩式、板式或波紋式三種類型。應(yīng)用于煙氣脫硝中的SCR催化劑可分為高溫催化劑(345～590 ℃)、中溫催化劑(260～380 ℃)和低溫催化劑(80～300 ℃)， 不同的催化劑適宜的反應(yīng)溫度不同。如果反應(yīng)溫度偏低，催化劑的活性會降低，導(dǎo)致脫硝效率下降，且如果催化劑持續(xù)在低溫下運(yùn)行會使催化劑發(fā)生永久性損壞；如果反應(yīng)溫度過高，NH3容易被氧化，NOx生成量增加，還會引起催化劑材料的相變，使催化劑的活性退化。國內(nèi)外SCR系統(tǒng)大多采用高溫，反應(yīng)溫度區(qū)間為315～400 ℃。

優(yōu)點(diǎn)：該法脫硝效率高，價格相對低廉，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)外工程中，成為電站煙氣脫硝的主流技術(shù)。缺點(diǎn)：燃料中含有硫分，燃燒過程中可生成一定量的SO3。添加催化劑后，在有氧條件下，SO3的生成量大幅增加，并與過量的NH3生成NH4HSO4。NH4HSO4具有腐蝕性和黏性，可導(dǎo)致尾部煙道設(shè)備損壞。 雖然SO3的生成量有限，但其造成的影響不可低估。另外，催化劑中毒現(xiàn)象也不容忽視。

2.3 選擇性非催化還原法(SNCR)

選擇性非催化還原SNCR(Selective Non-Catalytic Reductino)脫硝處理工藝，為一種成熟的NOx控制處理技術(shù)。SNCR不使用催化劑，又稱熱力脫硝，此方法是在爐膛高溫區(qū)850～1 050 ℃下，將氮還原劑(一般是氨或尿素)噴入CFB鍋爐爐膛的煙氣中，將NOx還原生成氮?dú)夂退NCR主要反應(yīng)式(以氨作還原劑為例)如下：

該反應(yīng)主要發(fā)生在950 ℃的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度更高時則可發(fā)生正面的競爭反應(yīng)：

一般來說，SNCR脫硝效率對大型燃煤機(jī)組可達(dá)40%～60%，對小型機(jī)組可達(dá)80%。SNCR具有脫硝效率高，布置簡易、占地面積小，投資費(fèi)用省，建設(shè)周期短，并且對鍋爐燃燒系統(tǒng)影響小的特點(diǎn)，因此比較適合老廠改造，新廠可以根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)配合使用。

2.4 SCR和SNCR聯(lián)合脫硝法

對于已經(jīng)建成的循環(huán)流化床燃煤鍋爐，煙氣脫硝可以選擇SCR和SNCR聯(lián)合脫硝法，其具有二者的優(yōu)點(diǎn)，不僅脫除效率高，而且占地面積和投資相對較少；并且對于目前運(yùn)行資金相對困難的企業(yè)而言，還可以分步實(shí)施脫硝改造，第一步先實(shí)施SNCR，將NOx≤200 mg/Nm3，符合國家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)；第二部在實(shí)施SCR，進(jìn)一步將NOx≤100 mg/Nm3。

3 影響脫硝效果的主要因素

3.1 溫度

NOx的還原反應(yīng)發(fā)生在一特定的溫度范圍內(nèi)，SNCR的最佳的反應(yīng)溫度850～1 100 ℃；而SCR的煙氣溫度在340～400 ℃內(nèi)。

3.2 停留的時間

停留時間指反應(yīng)物在反應(yīng)器內(nèi)停留的總時間。在此時間內(nèi)，NH3、尿素等還原劑與煙氣的混合、水的蒸發(fā)、還原劑的分解和NOx的還原等步驟必須完成；停留時間的大小取決于鍋爐的氣路的尺寸和煙氣流經(jīng)鍋爐氣路的氣速；SNCR系統(tǒng)中，停留時間一般為0.001～10 s。SCR系統(tǒng)中，停留時間為0.19～0.86 s。

3.3 反應(yīng)劑和煙氣混合的程度

混合程度：要發(fā)生還原反應(yīng)，還原劑必須與煙氣分散和混合均勻；混合程度取決于鍋爐的形狀與氣流通過鍋爐的方式，可以通過調(diào)節(jié)噴槍的噴射量來實(shí)現(xiàn)還原劑與煙氣的混合度。

3.4 氨氮(NH3、NOx)物質(zhì)的量比

SCR系統(tǒng)中，氨氮比在0.6～1.0時，脫硝效率隨著氨氮比的增加而明顯增加；氨氮比>1.0時，脫硝效率趨于平衡。 SNCR系統(tǒng)中，氨氮比≥1.0時，脫硝效率隨著氨氮比的增加而明顯增加；氨氮物質(zhì)的量比>2.0時，脫硝效率趨于平衡。

3.5 煙氣中NOx濃度

脫硝效率隨著SCR進(jìn)口NOx濃度的增加而降低。

3.6 煙氣成分(氧量)的影響

實(shí)測的火電廠煙氣的二氧化硫和氮氧化物排放濃度，必須按公式折算為基準(zhǔn)氧含量排放濃度。

式中：c，大氣污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度，mg/m3；c′，實(shí)測的大氣污染物排放濃度，mg/m3；O2，基準(zhǔn)含氧含量，%(燃煤鍋爐基準(zhǔn)氧含量6)；O2′，實(shí)測的氧含量，%。

3.7 氮劑類型和狀態(tài)

一般還原劑采用氨水和尿素兩種。氨水以液態(tài)存在，易霧化，操作簡單；但易揮發(fā)，有刺激性氣味。尿素以固體顆粒存放，沒有危害，便于運(yùn)輸和儲存，還原效果好；但使用時需增加攪拌裝置。

如果生產(chǎn)單位有尿素產(chǎn)品，建議使用尿素作為SNCR還原劑；如果有氨水產(chǎn)品，建議使用氨水作為還原劑；如果以上兩種產(chǎn)品均不生產(chǎn)，建議使用尿素作為還原劑。但同時注意：使用高濃度氨水稀釋時要考慮到稀釋放出的熱量，使用尿素要考慮加熱和攪拌裝置。

4 結(jié)束語

隨著我國環(huán)境保護(hù)意識、法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的日趨完善，火電廠降低NOx排放工作勢在必行。以SCR、SNCR為代表的煙氣脫硝技術(shù)將面臨較為廣闊的發(fā)展前景，結(jié)合我國實(shí)際情況，對燃煤鍋爐煙氣脫硝技術(shù)的選擇提出以下建議：

4.1 煤粉鍋爐煙氣脫硝方案

煤粉鍋爐爐出口煙氣中NOx含量在600～850 mg/Nm3，采用SNCR一種脫硝方法，脫除效率低，煙氣排放濃度滿足不了環(huán)保要求。對新建煤粉鍋爐和已經(jīng)建成的煤粉鍋爐建議采用“低氮燃燒+SCR”法。

4.2 循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝方案

循環(huán)流化床鍋爐煙氣中NOx含量在200～300 mg/Nm3，采用SNCR一種脫硝方法，短期內(nèi)可以滿足環(huán)保排放要求。新建循環(huán)流化床鍋爐，從長期環(huán)保要求來說或在新標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)地區(qū)的燃煤鍋爐建議采用SCR脫硝技術(shù)；對已經(jīng)建成的循環(huán)流化床鍋爐，建議采用“SCR+SNCR”聯(lián)合脫硝法。

[1] 楊夢柳，李建軍.我國火電廠大氣污染排放現(xiàn)狀及煙氣脫硝技術(shù)分析[EB/OL].www.cecx.org.cn/news/html/?2013.html,2013-01-10.

[2] 李 芳，畢明樹.燃煤過程中的NOx生成機(jī)理及控制技術(shù)[J].工業(yè)鍋爐,2005(06):32-35.

[3] 張 林.低碳燃燒+SCR技術(shù)在燃煤鍋爐煙氣脫硝中的應(yīng)用[J].科技信息,2012(12):370-371.

[4] 白亞楠.煙氣NOx污染控制技術(shù)及國產(chǎn)化建議[J].安全與環(huán)境工程,2006,13(2):52-54.

洛陽分公司舉辦聚丙烯和精對苯二甲酸生產(chǎn)優(yōu)化專題論壇

2015年，石油化工行業(yè)經(jīng)濟(jì)下行壓力持續(xù)增大，傳統(tǒng)石化產(chǎn)品需求增速進(jìn)一步降低，產(chǎn)能利用率進(jìn)一步下滑,產(chǎn)能過剩矛盾加劇。洛陽分公司提出“低負(fù)荷、短流程、好效益”的加工思路，面對新常態(tài)下的新舉措，公司辦情報站結(jié)合企業(yè)優(yōu)化運(yùn)行、扭虧脫困實(shí)際，圍繞優(yōu)化提升、轉(zhuǎn)型發(fā)展主題，率先在本公司PP/PTA兩類化工產(chǎn)品的生產(chǎn)研發(fā)、節(jié)能降耗、技術(shù)改造、科技創(chuàng)新及裝置運(yùn)行后期生產(chǎn)安全設(shè)備問題應(yīng)對等方面開展專題研討和發(fā)布，并以“講守能”活動為契機(jī)，注重發(fā)揮各類人才的技術(shù)專長和引領(lǐng)作用，推動人才通道建設(shè)，發(fā)揮科技創(chuàng)新在調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型過程中的推動作用，達(dá)到研究解決一批難題，形成一批成果，提出一些有前瞻性的建議，形成技術(shù)儲備的目的。

本次活動自2月份開始，該公司情報站與技術(shù)質(zhì)量處、聚丙烯車間、化工車間、倉儲中心、質(zhì)檢中心等部門和單位多交溝通交流，通過課題下達(dá)、選定題目、督促管理、跟蹤進(jìn)度、專家評審、專題發(fā)布討論等環(huán)節(jié)，共落實(shí)20多個項(xiàng)目的整改和應(yīng)用，撰寫科技論文50多篇，上百人次參與交流和研討，真正營造立足崗位，鉆研技術(shù)，務(wù)實(shí)求真，協(xié)作配合，分享成果的良好氛圍。

Discussion on Flue Gas Denitrification Technology for Coal Fired Boiler

LIU Jingui

(Xinxiang Zhongxin Chemical Industrial Co.Ltd , Xinxiang 453800 , China)

The current situation of the air pollution in China′s coal fired boiler,and main nitrogen oxide and sulfur dioxide pollution are analysised.Combined with the national emission reduction policy,domestic several common and effective of flue gas denitration technology,such as SCR,SNCR method and SCR+SNCR etc are introduced,China′s coal fired boiler flue gas denitrification NOxtechnology scheme selection and the effect factors of denitrification effect removal are analysised.

air pollution ; NOx; flue gas denitrification ; SCR ; SNCR

2015-06-15

劉金貴(1971-)，男，工程師，從事煤氣化制甲醇生產(chǎn)技術(shù)管理工作，電話：13462351367。

TQ028.2

A

1003-3467(2015)09-0010-04