关于火电厂脱硝技术的分析研究

赵海丽，常艳文，李 阳

（安阳市环境保护监测中心站，河南安阳475000）

0 引言

中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭占一次能源的75%，其中的84%是通过燃烧方式利用的，这种对煤过分依赖的能源消费结构导致了环境污染加剧。其中火力发电煤炭消耗量占全国燃煤量的70%，按照目前排放水平，到2020年，火电厂的氮氧化物排放量将超过二氧化硫，成为火电厂排放的第一大污染物，采用低氮燃烧技术可以一定程度地降低氮氧化物的排放量，但减排效率一般不超过60%，不能满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的要求，即自2014年7月1日起NOx排放需达到100mg/Nm3。因此面对日益严峻的环境污染问题和更加严格的环保要求，火电厂必须对烟气进行脱硝处理，以减少烟气中NOx排放量。

1 脱硝现状

当今世界，环境污染已成为阻碍社会发展的全球性问题，人们已经意识氮氧化物是引起光化学烟雾、酸雨、酸雾、臭氧损耗等一系列问题的主要污染物之一。故此火电厂所排放的氮氧化物的污染问题倍受关注，到目前为止，日本、美国对火电厂氮氧化物减排研究较为成熟，他们提出了多种脱硝技术方法，如低氮燃烧、选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）、电子束联合脱硫脱硝法、活性炭联合脱硫脱硝法、臭氧氧化吸收法等。由于烟气脱硝成本和工艺难度都较大，现今仅少数发达国家安装烟气脱硝装置，其中，只有日本和德国在火电厂普遍安装了烟气脱硝设施，我国科研机构和环保企业积极研发具有自主知识产权的脱硝技术，并已有了工程应用实例，但在其他技术方法还不很成熟的情况下，采用的烟气脱硝技术主要是选择性催化剂还原法（SCR）。

2 主要脱硝技术

火电厂降低NOX排放主要有两种措施：一是控制燃烧过程中NOX的生成，即低氮燃烧技术；二是对生成的NOX进行处理，即烟气脱硝技术。

2.1 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是通过改变燃烧条件来降低NOx的排放。在各种降低NOx排放的技术中，低氮燃烧技术是相对简单、采用最广、最经济的方法。目前低氮燃烧技术主要有空气分级燃烧、燃料分级燃烧、低过量空气系数、烟气再循环、低氮燃烧器等。

2.1.1 空气分级燃烧

空气分级燃烧技术是利用改进炉膛的配风设计或燃烧器的设计，适时合理地分配送入燃烧各阶段所需的空气。在第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%～75%（相当于理论空气量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧，降低燃烧区内的温度和燃烧速率。这样不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了NOx的生成率。在第二阶段，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方“燃尽风”喷口送入炉膛，在主燃烧区后创造富氧燃烧区，以确保燃料的燃尽。

该方法的技术特点：适应各种燃料如无烟煤、烟煤、劣质烟煤、贫煤；烟气流量和锅炉燃烧效率没有改变；炉膛内的燃烧稳定；低负荷性能良好；安全可靠，火焰检测不受影响，对锅炉效率影响较小。但存在的问题是第二段空气量过大，容易造成不完全燃烧损失增大，并且煤粉炉由于处在还原性气氛而容易腐蚀、结渣。

2.1.2 燃料分级燃烧

将80%～85%的主燃料送入主燃区，其余的燃料在主燃器的上部送入二级燃烧区，NOX进入该燃区被还原成N2，并且还可抑制新的NOX的生成。在再燃区的上面布置“燃尽风”喷口，以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃尽。再燃区的过量空气系数是控制NOX的排放量的关键因素，为了减少不完全燃烧的损失，需增加空气对再燃区烟气进行三级燃烧，故配风系统较为复杂。

2.1.3 低过量空气系数

低过量空气系数法是一种最基本、最简单地降低NOX的排放量的技术方法，不需对燃烧设备进行结构上的改进，是一种优化装置燃烧，并可在降低NOx排放的同时，提高装置运行的经济性。对燃煤锅炉而言，存在的问题主要来自于过量空气系数低时会大大增加化学未燃烧热的损失，引起飞灰可燃物增加，并且低氧浓度会使炉膛内的某些区域成为还原性气氛，从而降低灰熔点引起炉壁的腐蚀与结渣，所以锅炉实际运行时的过量空气系数不能做大幅度的调整。

2.1.4 烟气再循环

烟气再循环法是通过烟气循环风将锅炉烟气循环到燃烧气流中，由于温度低的烟气可以降低火焰的总体温度，并且烟气中的惰性气体可冲淡氧的浓度，导致“热力型”NOx生成的减少。烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料品种、燃料种类、燃烧温度有关；并且烟气再循环时需加装再循环风机、烟道，故还需要增加场地，对原有设备进行改装时常会受到场地的限制。

2.1.5 低NOx燃烧器

占NOx排放总量的75%～95%的燃料型NOx是在煤粉的着火阶段生成的，因此，通过特殊设计的燃烧器以及改变燃烧器的风煤比例，可降低着火区氧的浓度及着火区的温度，从而达到最大限度地抑制NOx的生成。如浓淡燃烧器利用喷嘴体内的百叶窗将煤粉气流分成左右或垂直浓淡两股，分别进入炉膛，浓相煤粉浓度高所需着火热少，利于着火和稳燃；淡相补充后期所需的空气，利于煤粉的燃尽，浓淡燃烧均偏离了化学当量燃烧，大大降低了NOx的生成。使用低氮燃烧器技术只需替换原来的燃烧器，燃烧系统以及炉膛结构不需做任何更改。

2.2 烟气脱硝技术

对于燃煤锅炉，采用低氮燃烧技术脱硝效率一般不超过60%，已不能满足日益严格的NOX排放指标，进行烟气脱硝处理是势在必行。目前通行的烟气脱硝技术方法大致可分为干法、半干法和湿法。干法包括选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）、电子束联合脱硫脱硝法；半干法有活性炭联合脱硫脱硝法；湿法有臭氧氧化吸收法等。由于NOX缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；湿法脱硝系统装置复杂庞大，排水需要处理、副产品处理较难，容易造成二次污染，故干法脱硝占主流地位。

2.2.1 SNCR技术

SNCR技术是在800～1100℃下，NOX与还原剂尿素和氨类化合物发生反应生成氮气，从而减少NOX的排放量。在高温的环境中使得反应迅速达到所需的较高活化能，避免了催化剂的使用，只需还原剂喷射装置和储存装置，不会发生催化剂层堵塞的现象，如此既可大大减少设备的投资，并且运行成本较低。但是存在还原剂喷射位置处烟气流速高、烟气在炉膛内的停留时间较短使得反应效率受到很大影响的问题。并且由于锅炉负荷的变化致使炉内最佳反应温度位置的变化，因此只有根据炉内位置来调整还原剂的喷射，才能最大程度的提高反应效率。但脱硝效率只有30%～50%，并且氨的逃逸量较大。

2.2.2 SCR技术

选择性催化还原法（SCR）是指在催化剂的作用下，烟气中的NOX有选择性地与氨发生氧化还原反应，生成无污染的N2和H2O，工艺流程图见图1。该方法的主要影响因素有催化剂和还原剂的选择、SCR反应器布置方式等。

图1 SCR脱硝流程图

1）催化剂。SCR脱硝工艺中的核心物质是催化剂，催化剂约占其投资的1/5。为确保系统安全、有效、经济地运行，选择催化剂的原则为：成本低、寿命长；具有抗中毒性；施加的烟气压力损失小；在一定温度范围内具有较高的活性，并具有能克服强烈的温度波动的稳定性。当前，SCR催化剂大多以TiO2为载体，以V2O5或V2O5-MOO3为主要活性成分。

催化剂结构一般有蜂窝型和平板型。蜂窝型催化剂为整体挤压成型，载体和活性成分在催化剂内均匀分布，并有较大的比表面积，更因其具有模块化、相对质量较轻、高耐腐蚀性及高反复利用率得到广泛应用。但其防积灰和堵塞性能较差，阻力损失大。尽管蜂窝式体积数比较小但其催化剂单位价格较高，总投资仍然较大。平板型催化剂采用不锈钢网为基材，载体和活性成分敷设其上，有较好的防积灰和防堵塞性能，对烟气的高尘环境适应力强，但受到热应力或者机械作用时，活性层容易脱落。

2）还原剂。对于SCR脱硝工艺，最常见的还原剂有纯氨、氨水和尿素。

纯氨法是将液氨在蒸发器中加热成氨气，再与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5%的混合气体后进入烟气系统。纯氨作为反应剂可直接与NOX反应生成无害的水和氮气，无副产品，反应剂、运输费用、初期投资、运行费用均较低；但液氨属中度危害的化学介质，大型火电厂脱硝所用的液氨如果在生产场所储量超过40t就是重大危险源，因此对设备安全有严格的法律规定要求。

氨水法是将20%～25%浓度的氨水溶液通过加热装置使其蒸发形成氨气和水蒸气。氨水的运输费用、初期投资及运行费用都较高，需要高热量蒸发蒸馏水和氨；氨水作为还原剂，氨水会散逸，形成细微的颗粒物，对环境造成二次污染。

尿素法是在溶解器中先将尿素固体颗粒完全溶解，然后由溶液泵送到水解槽中，通过热交换器将溶液加热至反应温度后与水蒸气反应生成氨蒸汽。尿素作为还原剂具有以下优点:首先具备良好的安全性及实用性，常压、干态条件下储存，无氨泄漏发生，对设备安全性基本不做特别要求；其次工艺流程较简单，尿素直接分解反应速率快，并且系统调节方式简便、易于操作；再者模块化设计使得系统安装容易、维护简单；同时对设备的腐蚀性低；最后加热源选择灵活，可根据现场情况单一或合并使用天然气、蒸汽、油和电作为热源。但尿素在转化为氨的过程中，会产生H2O、CO2等副产品，并且初期投资及运行费用较高，需要高热量水解尿素和蒸发氨。

随着脱硝还原剂储存、制备以及供应技术的发展，脱硝还原剂的选择主要从安全与经济的角度出发。安全防范要求越来越严，相对的安全成本越来越大，因此氨水和尿素正越来越多地作为脱硝还原剂使用。

3）SCR反应器布置的选择。按照SCR反应器在锅炉之后的不同安装位置可分为“高温高尘”、“高温低尘”、“低温低尘”。高温高尘布置方式是将SCR反应器直接安装在省煤器和空气预热器之间，布置在除尘器的前面。其优点是催化反应区处于300～400℃，有利于反应的进行不需要再加热，初投资及运行费用较低，技术成熟，性价比较高，但缺点是烟气中的飞灰含量较高，对催化剂钝化性能，防堵塞及防磨损性能要求较高。

高温低尘布置方式是将SCR反应器布置在空气预热器和除尘器之间。进入反应器的烟气温度高、含尘量低，但在300～400℃的高温下电除尘器运行条件差，并且飞灰颗粒较细，容易使空气预热器受热面积垢，影响换热效率。

低温低尘布置方式是将SCR反应器布置在除尘器和脱硫装置的下游，进入反应器的烟气含尘量及SO2含量极低，催化剂磨损和堵塞的概率较小，可采用比表面积较大的细孔径催化剂，烟气流速可设计的适当高一些，但由于烟气温度较低，仅为50～60℃，一般需要采用较为昂贵的气-气加热器对烟气再加热，从而会增加能源消耗和运行费用。

3 大唐安阳发电厂的烟气脱硝概况

大唐安阳发电厂采用低氮浓淡燃烧器+空气分级燃烧技术对其2×300MW亚临界燃煤机组（#1、2机组）进行改造,锅炉原始NOx排放浓度约800mg/Nm3，进行低氮燃烧改造后，可控制NOx（干基，6%氧量）排放浓度降低到300mg/Nm3以下，有效降低炉膛出口NOx浓度，是降低烟气脱硝装置投资的配套项目。

经低氮浓淡燃烧器+空气分级燃烧处理后的烟气，再经SCR技术进行脱硝，工艺流程图见图2。其中SCR技术采用尿素热解法制备脱硝还原剂，催化剂选用V2O5-MoO3/TiO2并以平板式布设，SCR反应器采用高温高尘布置方式，含氧量控制在3%～5%，使得最终NOX排放浓度降低到100mg/Nm3以下，总脱硝效率达到80%以上，大幅度减少NOX的排放量，对改善周围的大气环境质量起到积极的作用，具有较好的环境和社会效益。

图2 工艺流程图

4 结束语

随着环境污染的加剧，各种自然灾害频发，为了保护我们赖以生存的环境，人们已经意识到保护环境的重要性。我国近年来越来越重视氮氧化物的排放，出台较为严格的环保法规以控制NOX的排放。而火电厂作为排放NOX的大户，在发电的过程中不仅要注重经济效益，同时还必须注重社会效益，承担自己的社会责任，履行保护环境的社会义务，采取高效可行的脱硝技术方法以减少NOX的排放。大唐安阳发电厂采用的低氮浓淡燃烧器+空气分级燃烧技术+SCR烟气脱硝技术，使得NOX排放浓度降低到100mg/Nm3以下，该方法具备极为广阔的应用前景。

[1]高岩，栾涛，彭吉伟，等.燃煤电厂真实烟气条件下的SCR催化剂[J].化工学报，2013,64(7):2611-2618.

[2]彭帅，王恒.关于SCR法脱硝工艺在火电厂脱硝工程中的应用研究[J].科技信息，2013（1）:140-141.

[3]杨玉龙.火电厂脱硝技术浅析[J].能源·电力，2013（9）:150-151.

[4]王文选，肖志均，夏怀祥.火电厂脱硝技术综述[J].2006,7(8):1-5.