环境保护与发电厂烟气脱硝技术研究

摘要:烟气脱硝是实现NOx减排的具体有效的措施,文章介绍了几种被广泛应用的烟气脱硝方法:选择性催化还原法(SCR),选择性非催化还原法(SNCR),联合脱硫脱硝技术。随着环保要求的提高,烟气脱硝势在必然。

关键词:大气污染;烟气脱硝;联合脱硫脱硝

中图分类号:X701文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)35-0154-02

环境保护是我国的基本国策。在我国煤炭蕴藏量大,能源结构以煤为主,我国煤炭占一次能源消费总量的75%。然而煤在燃烧过程中产生大量的灰渣、氮氧化物、二氧化硫等污染物。燃煤产生的大气污染物占污染物排放总量的比例较大,其中二氧化硫占87%、氮氧化物占67%、一氧化碳占67%、烟尘占60%。这些污染物造成的酸雨、温室效应和臭氧层破坏等环境污染,严重地影响了人类的居住环境。为控制燃煤电厂的氮氧化物排放,我国采取了一系列措施发展清洁发电技术,重点实现高效、低污染的目标。

目前在我国应用的脱硝技术分为两类:一类是烟气脱硝技术;另一类是低NOx燃烧技术。烟气脱硝技术以其高的脱除率,是目前发展应用的主要趋势。

一、NOx的形成原因和控制方法

在火电机组排放的多种大气污染物中,氮氧化物是受到世界极大关注的一种污染物。氮氧化物的排放对人体的致毒作用、对植物的损害以及对酸雨及光化学烟雾的形成、对臭氧层的破坏所起的作用已经得到了科学的证明。

(一)NOx的生成机理

在化石燃料的燃烧过程中,NOx的生成通过三种机理,三种机理所生成的NOx分别称作燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。

1.燃料型NOx 。燃料本身所含氮的有机物在高温下释放出氮和氧化合生成的NOx,称作燃料型NOx。在煤粉炉中,煤在燃烧时产生的NOx总量中约70%～80%是来自燃料型NOx。

2.热力型NOx。燃烧时空气中的氮气在高温下氧化生成的NOx,称作热力型NOx。热力型NOx形成的主要控制因素是温度,温度对热力型NOx的生成速率的影响呈指数函数关系。

3.快速型NOx。氮氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的NOx,称作快速型NOx。

(二)NOx的控制方法

有关NOx的控制方法有几十种之多,这些方法大体上可以分为两大类:一级污染预防措施和二级污染预防措施。

1.一级污染预防措施。一级污染预防措施是指在NOx生成前的所有控制措施。一级污染预防措施主要是通过改进燃烧方式减少NOx的生成量。燃烧方式的改进通常是一种相对简便易行的减少NOx排放的措施,但这种措施会带来燃烧效率的降低,不完全燃烧损失的增加,而且NOx的脱除率也不够高,随着环保要求的不断提高,燃烧后的处理越来越成为重要而必然之势。

2.二级污染预防措施。二级污染预防措施是指在NOx生成后的控制措施,即对燃烧后所产生的烟气进行脱氮处理,又称烟气脱硝。烟气净化技术的特点是将在炉内燃烧过程中已生成的气体污染物,通过烟气处理的技术措施来大大降低氮氧化物排放量,这类烟气净化装置能大幅度地降低燃煤锅炉烟气中氮氧化物的排放浓度。

二、烟气脱硝工艺分类

烟气脱硝是用反应吸收剂与烟气接触,以除去或者减少烟气中的NOx的工艺过程。烟气脱硝技术是在低氮燃烧技术的基础上,进一步降低氮氧化物排放污染的一个主要技术措施。

目前,已经研制开发的烟气脱硝工艺有50余种,大致可归纳为干法烟气脱硝和湿法烟气脱硝。无论是干法还是湿法依据脱硝反应的化学机理,又可以分为还原法、分解法和吸附法等。

(一)干法烟气脱硝技术

干法脱硝技术的特征是用气态反应剂使烟气中的NOx还原为N2和H2O。主要有选择性催化还原法、非选择性催化还原法和选择性非催化还原法,其中选择性催化还原法和选择性非催化还原法在世界上被广泛应用。

干法脱硝的主要特点为:反应物质是干态。多数工艺需采用催化剂,并要求在较高温度下进行,因此,该类烟气处理工艺不会引起烟气温度的显著下降,无须烟气再加热系统。

1.选择性催化还原法(SCR)。用氨(NH3)作为还原剂,在催化剂的存在下,将烟气中的NOx还原成N2,脱硝率可以达到90%以上,根据所采用的催化剂不同,其适应的反应温度范围也不同,一般为300℃～340℃。由于所采用的还原剂NH3只与烟气中的NOx发生反应,而一般不与烟气中的氧发生反应,所以,将这类选择性的化学反应称为选择性催化还原法。在众多的脱硝技术中,选择性催化还原法(SCR)是脱硝效率最高,最为成熟的脱硝技术。1975年在日本建立了第一个SCR系统的示范工程,其后SCR技术得到了广泛应用,其NOx的脱除率可达到80%～90%。SCR方法已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。

2.非选择性催化还原法(NSCR)。用CH4、CO或H2等作为还原剂,在烟温550℃～800℃范围内及催化剂的作用下,将NOx还原成N2。但是这类还原剂除了与烟气中的NOx反应以外,还与烟气中的残余氧反应,生成水和二氧化碳,因此还原剂的消耗量比选择性催化还原法高出4～5倍。另外,该反应放出的热量使烟气温度上升。这两种还原NOx的方法均以催化反应为主要特征,因此都需要在烟道的合适位置设置催化反应器,系统比较复杂。

3.选择性非催化还原法(SNCR)。在不采用催化剂的条件下,将氨作为还原剂还原NOx的反应只能在950℃～1100℃这一温度范围内进行,因此,需将氨气喷射注入炉膛出口区域相应温度范围内的烟气中,将NOx还原为N2和H2O,也称为高温无催化还原法或炉膛喷氨脱硝法。如果加入添加剂,可以扩大其反应温度范围。当以尿素为还原剂时,脱硝效果与氨相当,但其运输和使用比NH3安全方便。但是,当采用尿素作还原剂时,可能会有N2O生成。

这类脱硝方法的脱硝效率为40%～60%,而且对反应所处的温度范围很敏感。该法的主要特点是无须采用催化反应器,系统简单。

选择性非催化还原法(SNCR)也是当前世界上一种成熟的氮氧化物控制技术。目前在火力发电行业,SNCR是仅次于SCR而被广泛应用的烟气脱硝工艺。选择性非催化还原工艺比较适用于烟气的NOx含量和所需还原率都较低的燃烧设备的烟气治理,是一种NOx的脱除率和费用均低于SCR法的脱硝方法。

(二)湿法烟气脱硝技术

由于锅炉排烟中的NOx主要是NO,而NO极难溶于水,所以,采用湿法脱除烟气中的NOx时,不能像脱除SO2一样采用简单的直接洗涤方法进行吸收。必须先将NO氧化为NO2,然后再用水或其他吸收剂进行吸收脱除。

湿法脱硝的工艺过程包括氧化和吸收,并反应生成可以利用或无害的物质,因此必须设置烟气氧化、洗涤和吸收装置,工艺系统比较复杂,湿法脱氮大多具有同时脱硫的效果。湿法的主要特点是:脱氮反应的局部或全部过程在湿态下进行,需使烟气增湿、降温,因此,一般需将脱氮后的烟气除湿和再加热后经烟囱排放至大气。主要有气相氧化液相吸收法、液相氧化吸收法等。

(三)烟气脱硝技术新趋势

1.催化分解法。理论上,NO分解成N2和O2是热力学上有利的反应,NO→1/2N2+1/2O2,但该反应的活化能高达364kJ/mol,需要合适的催化剂来降低活化能,才能实现分解反应。由于该方法简单,费用低,被认为是最有前景的脱氮方法,目前尚处于研究阶段。

2.生物法处理。生物法处理的实质是利用微生物的生命活动将NOx转化为无害的无机物及微生物的细胞质。由于该过程难以在气相中进行,所以气态的污染物先经过从气相转移到液相或固相表面的液膜中的传质过程,可生物降解的可溶性污染物从气相进入滤塔填料表面的生物膜中,并经扩散进入其中的微生物组织。然后,污染物作为微生物代谢所需的营养物,在液相或固相被微生物降解净化。

3.联合脱硫脱硝。进入新的世纪,人们逐渐认识到单独使用脱硫脱硝技术,设备复杂,占地面积大,投资和运行费用高,而使用脱硫脱硝一体化工艺则结构紧凑,投资和运行费用低,为了降低烟气净化的费用,适应电厂的需要,开发联合脱硫脱硝的新技术、新设备已成为烟气净化的趋势。

对联合脱硫脱硝技术的分类很多,目前较通用的分类方法是按照处理的过程,可分为两大类:一类是炉内燃烧过程中同时脱硫脱硝技术。这类方法共同的特点是通过控制燃烧温度来减少NOx的生成,同时利用吸收剂来吸收燃烧过程中产生的SO2,来控制NOx和SO2的排放。另一类是燃烧后烟气联合脱硫脱硝技术,具有实际应用价值的有:活性炭法、电子束辐照氨法等。

脱硫脱硝技术能够在一个过程内实现烟气中SO2和NOx的同时脱除,但目前在我国相关研究大都处于实验室研究阶段,离工业应用尚有一定距离。

目前被应用的有活性炭联合脱硫脱硝,电子束辐照氨法联合脱硫脱硝等。

三、结语

电力行业(尤其是火电)将是中国未来20年能源行业发展最快的行业。火电行业未来20年削减氮氧化物将直接影响国家氮氧化物和二氧化硫总量控制目标的实现。电力污染控制将是中国酸雨和氮氧化物污染控制的重点。我国要立足于解决好国内环境与发展问题,在加快发展中积极防治污染,加快燃煤电厂脱硝治理。建议以排污收费制度和排污交易为基本政策组合方向;实施严格的电力行业排放标准;引入发电排放绩效管理机制;推行电厂环境信息公告制度;加强监督管理能力的建设等。全面运用市场经济手段控制污染,促进能源的可持续发展。

参考文献

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作者简介:陈曦梅(1972- ),女,湖南望城人,长沙电力职业技术学院动力工程系副教授,研究方向:热能动力工程教学。