燃煤锅炉烟气脱硝技术浅议

刘金贵

(新乡中新化工有限责任公司 ， 河南 新乡 453800)

燃煤锅炉烟气脱硝技术浅议

刘金贵

(新乡中新化工有限责任公司 ， 河南 新乡 453800)

针对烟气中主要的氮氧化物和二氧化硫的污染情况进行了分析，结合国家的减排政策，阐述锅炉烟气增加脱硝装置势在必行；对国内几种常用并且有效的烟气脱硝技术进行介绍，例如SCR法、SNCR法以及联合脱硝法等，同时对影响烟气脱硝效果的因素进行简单的分析，最后对燃煤锅炉烟气脱硝技术方案选择提出建议。

大气污染 ； NOx； 烟气脱硝 ； SCR ； SNCR

1 燃煤锅炉烟气增加脱硝装置的必要性

随着我国工业经济的快速发展，而随之所带来的环境污染尤其是大气污染问题，将对我们人类的生存和居住环境带来越来越严重的影响。其中危害量最大、影响范围最广的无疑是二氧化硫和氮氧化物。

我国在二氧化硫的减排中已初见成效，而相较于二氧化硫，氮氧化物排放污染日趋严重。因此2011年3月14日，全国人大审议通过的“十二五”规划纲要，提出化学需氧量、二氧化硫分别减少8%，同时将氨氮和氮氧化物首次列入约束性指标体系，要求分别减少10%，氮氧化物已经成为我国减排的重点[1]。

2015年国务院《政府工作报告》安排，4项主要污染物减排年度目标分别是：化学需氧量、氨氮排放减少2%左右，二氧化硫、排放分别减排3%和5%左右。

《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)代替GB 13271-2001，自2014年7月1日起执行；省环保厅要求河南省工业用锅炉执行《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)新标准，如表1所示。

表1 新标准燃煤锅炉大气污染物排放限值 mg/Nm3

注：①位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省的火力发电锅炉执行该限值。②采用W型火焰炉膛的火力发电锅炉，现有循环流化床活力发电锅炉，以及2003年12月31日前建成投产。或通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉执行该限值。

根据国内现有燃煤锅炉运行情况，许多锅炉必须进行技改，增加脱硝装置。

2 燃煤锅炉脱硝技术

在煤燃烧过程中，生成NOx的途径有三个：①热力型NOx，它是空气中氮气在高温下氧化而生成的NOx；②燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化生成的NOx；③快速型NOx，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团等反应生成的NOx[2]。

所谓的烟气脱硝技术，实质上是将燃煤过程中产生热力型、燃料型以及快速型氮氧化物相互分离、转化为液态物质或者气态单质，以减少这些有害气体对大气的污染。为防止锅炉内煤燃烧后产生过多的污染环境，应对煤进行脱硝处理。按照控制产生NOx的方式，可分为燃烧前脱硝、燃烧过程脱硝、燃烧后脱硝。

燃烧前脱硝一般用加氢脱硝和洗选。

燃烧中脱硝包括：低温燃烧、低氧燃烧、FBC燃烧技术、采用低NOx燃烧器、煤粉浓淡分离、烟气再循环技术几种。

燃烧后脱硝则有：选择性非催化还原脱硝(SNCR)、选择性催化还原脱硝(SCR)、活性炭吸附、电子束脱硝几种。

对于燃煤锅炉来说，一般可采用低氮燃烧技术[3]和燃烧后脱硝技术，低NOx燃烧技术是指通过燃烧降低NOx生成量的技术，其主要途径如下：①选用N含量较低的燃料，包括燃料脱氮。②降低过量空气系数，组织过浓燃烧，来降低燃料周围氧浓度，即降低过量空气燃烧。③在适宜的过量空气条件下，降低温度峰值，以减少热力NOx生成。④在氧浓度较低的情况下，增加可燃物在火焰前部和反应区中的停留时间。

由于炉内低氮燃烧技术的局限性，对于燃煤锅炉，采用改进燃煤技术可以达到一定的除NOx效果，氮脱出率一般不会超过60%，使得NOx的排放不能达到令人满意的程度。为了进一步降低NOx的排放，必须对燃烧后的烟气进行脱硝处理。目前通用的烟气脱硝工艺大致可分为干法、半干法和湿法三类。其中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。就目前而言，干法脱硝占主流地位，其原因是：NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx经还原后成为无毒的N2和O2，脱硝的副产品便于处理；NH3对烟气中NO可选择性吸收，是良好的还原剂。湿法与干法相比，主要缺点是装置复杂且庞大，废水处理难度大。本章重点介绍干法烟气脱硝技术。

2.1 电子束烟气脱硫脱硝法

用电子束对烟气进行照射而同时脱硫脱硝的技术，是近年来发展起来的一种干法烟气脱硫脱硝工艺。我国成都热电厂引进日本先进技术，建成了电子束烟气脱硫脱硝示范装置。

该法的工艺流程为：从电除尘器出来的烟气，在冷却塔中通过喷雾干燥工艺冷却到65～70 ℃，然后送入反应器。烟气在进入反应器之前要先加入氨气，在反应器中用电子束对烟气进行照射。电子束发生装置是由电压为800 kV的直流高压电发生装置和电子加速器组成。电子加速器产生的电子束通过照射孔对反应器内的烟气进行照射时，电子束的高能电子将烟气中的氧和水蒸气的分子激发，使之转化成为氧化能力很强的OH、O和HO2等游离基。这些游离基使烟气中的硫氧化物和氮氧化物很快氧化，产生了中间产物硫酸和硝酸，他们再和预先加入反应器中的氨反应产生微粒状的硫酸铵和硝酸铵。最后，烟气通过另一电除尘器副产品硫酸铵和硝酸铵从烟气中分离出来，由于烟气的温度高于露点，因此在烟气通过烟囱排放到大气之前不需要再加热。

该法的特点是，系统简单，可以高效地从烟气中同时脱硫和脱硝，脱硫效率可达95%以上，脱硝效率可达85%以上，脱硫脱硝反应副产品为硫酸铵和硝酸铵化肥，可用于农业生产上。

2.2 选择性催化还原法(SCR)

SCR 是目前最成熟的烟气脱硝技术，它是一种炉后脱硝方法，是利用还原剂(NH3，尿素)在金属催化剂作用下，选择性地与 NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2氧化，故称为“选择性”。世界上流行的 SCR工艺主要分为氨法SCR和尿素法SCR两种。此两种方法都是利用氨对NOx的还原功能，在催化剂的作用下将NOx(主要是NO)还原为对大气没有多少影响的N2和水，还原剂为NH3。

氨和烟气混合物通过流化床，在那里氨和NOx反应生成气体N2和水蒸气，反应式如下：

在没有催化剂的情况下，上述反应只能在很窄的温度范围内(980 ℃左右)进行。通过使用适当的催化剂，上述反应可以在200～450 ℃的范围内有效进行。但当温度超过350 ℃时，NH3会分解生成N2和H2O。在NH3/NO物质的量比为1的条件下，可以得到80%～90%的脱硝率。小于1时则会发生下列的发应：

在SCR中使用的催化剂大多以TiO2为载体，以V2O5或V2O5-WO3或V2O5-MoO3为活性成分，制成蜂窝式、板式或波纹式三种类型。应用于烟气脱硝中的SCR催化剂可分为高温催化剂(345～590 ℃)、中温催化剂(260～380 ℃)和低温催化剂(80～300 ℃)， 不同的催化剂适宜的反应温度不同。如果反应温度偏低，催化剂的活性会降低，导致脱硝效率下降，且如果催化剂持续在低温下运行会使催化剂发生永久性损坏；如果反应温度过高，NH3容易被氧化，NOx生成量增加，还会引起催化剂材料的相变，使催化剂的活性退化。国内外SCR系统大多采用高温，反应温度区间为315～400 ℃。

优点：该法脱硝效率高，价格相对低廉，广泛应用在国内外工程中，成为电站烟气脱硝的主流技术。缺点：燃料中含有硫分，燃烧过程中可生成一定量的SO3。添加催化剂后，在有氧条件下，SO3的生成量大幅增加，并与过量的NH3生成NH4HSO4。NH4HSO4具有腐蚀性和黏性，可导致尾部烟道设备损坏。 虽然SO3的生成量有限，但其造成的影响不可低估。另外，催化剂中毒现象也不容忽视。

2.3 选择性非催化还原法(SNCR)

选择性非催化还原SNCR(Selective Non-Catalytic Reductino)脱硝处理工艺，为一种成熟的NOx控制处理技术。SNCR不使用催化剂，又称热力脱硝，此方法是在炉膛高温区850～1 050 ℃下，将氮还原剂(一般是氨或尿素)喷入CFB锅炉炉膛的烟气中，将NOx还原生成氮气和水。SNCR主要反应式(以氨作还原剂为例)如下：

该反应主要发生在950 ℃的温度范围内，当温度更高时则可发生正面的竞争反应：

一般来说，SNCR脱硝效率对大型燃煤机组可达40%～60%，对小型机组可达80%。SNCR具有脱硝效率高，布置简易、占地面积小，投资费用省，建设周期短，并且对锅炉燃烧系统影响小的特点，因此比较适合老厂改造，新厂可以根据锅炉设计配合使用。

2.4 SCR和SNCR联合脱硝法

对于已经建成的循环流化床燃煤锅炉，烟气脱硝可以选择SCR和SNCR联合脱硝法，其具有二者的优点，不仅脱除效率高，而且占地面积和投资相对较少；并且对于目前运行资金相对困难的企业而言，还可以分步实施脱硝改造，第一步先实施SNCR，将NOx≤200 mg/Nm3，符合国家环保排放标准；第二部在实施SCR，进一步将NOx≤100 mg/Nm3。

3 影响脱硝效果的主要因素

3.1 温度

NOx的还原反应发生在一特定的温度范围内，SNCR的最佳的反应温度850～1 100 ℃；而SCR的烟气温度在340～400 ℃内。

3.2 停留的时间

停留时间指反应物在反应器内停留的总时间。在此时间内，NH3、尿素等还原剂与烟气的混合、水的蒸发、还原剂的分解和NOx的还原等步骤必须完成；停留时间的大小取决于锅炉的气路的尺寸和烟气流经锅炉气路的气速；SNCR系统中，停留时间一般为0.001～10 s。SCR系统中，停留时间为0.19～0.86 s。

3.3 反应剂和烟气混合的程度

混合程度：要发生还原反应，还原剂必须与烟气分散和混合均匀；混合程度取决于锅炉的形状与气流通过锅炉的方式，可以通过调节喷枪的喷射量来实现还原剂与烟气的混合度。

3.4 氨氮(NH3、NOx)物质的量比

SCR系统中，氨氮比在0.6～1.0时，脱硝效率随着氨氮比的增加而明显增加；氨氮比>1.0时，脱硝效率趋于平衡。 SNCR系统中，氨氮比≥1.0时，脱硝效率随着氨氮比的增加而明显增加；氨氮物质的量比>2.0时，脱硝效率趋于平衡。

3.5 烟气中NOx浓度

脱硝效率随着SCR进口NOx浓度的增加而降低。

3.6 烟气成分(氧量)的影响

实测的火电厂烟气的二氧化硫和氮氧化物排放浓度，必须按公式折算为基准氧含量排放浓度。

式中：c，大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m3；c′，实测的大气污染物排放浓度，mg/m3；O2，基准含氧含量，%(燃煤锅炉基准氧含量6)；O2′，实测的氧含量，%。

3.7 氮剂类型和状态

一般还原剂采用氨水和尿素两种。氨水以液态存在，易雾化，操作简单；但易挥发，有刺激性气味。尿素以固体颗粒存放，没有危害，便于运输和储存，还原效果好；但使用时需增加搅拌装置。

如果生产单位有尿素产品，建议使用尿素作为SNCR还原剂；如果有氨水产品，建议使用氨水作为还原剂；如果以上两种产品均不生产，建议使用尿素作为还原剂。但同时注意：使用高浓度氨水稀释时要考虑到稀释放出的热量，使用尿素要考虑加热和搅拌装置。

4 结束语

随着我国环境保护意识、法律、法规和标准的日趋完善，火电厂降低NOx排放工作势在必行。以SCR、SNCR为代表的烟气脱硝技术将面临较为广阔的发展前景，结合我国实际情况，对燃煤锅炉烟气脱硝技术的选择提出以下建议：

4.1 煤粉锅炉烟气脱硝方案

煤粉锅炉炉出口烟气中NOx含量在600～850 mg/Nm3，采用SNCR一种脱硝方法，脱除效率低，烟气排放浓度满足不了环保要求。对新建煤粉锅炉和已经建成的煤粉锅炉建议采用“低氮燃烧+SCR”法。

4.2 循环流化床锅炉烟气脱硝方案

循环流化床锅炉烟气中NOx含量在200～300 mg/Nm3，采用SNCR一种脱硝方法，短期内可以满足环保排放要求。新建循环流化床锅炉，从长期环保要求来说或在新标准重点地区的燃煤锅炉建议采用SCR脱硝技术；对已经建成的循环流化床锅炉，建议采用“SCR+SNCR”联合脱硝法。

[1] 杨梦柳，李建军.我国火电厂大气污染排放现状及烟气脱硝技术分析[EB/OL].www.cecx.org.cn/news/html/?2013.html,2013-01-10.

[2] 李 芳，毕明树.燃煤过程中的NOx生成机理及控制技术[J].工业锅炉,2005(06):32-35.

[3] 张 林.低碳燃烧+SCR技术在燃煤锅炉烟气脱硝中的应用[J].科技信息,2012(12):370-371.

[4] 白亚楠.烟气NOx污染控制技术及国产化建议[J].安全与环境工程,2006,13(2):52-54.

洛阳分公司举办聚丙烯和精对苯二甲酸生产优化专题论坛

2015年，石油化工行业经济下行压力持续增大，传统石化产品需求增速进一步降低，产能利用率进一步下滑,产能过剩矛盾加剧。洛阳分公司提出“低负荷、短流程、好效益”的加工思路，面对新常态下的新举措，公司办情报站结合企业优化运行、扭亏脱困实际，围绕优化提升、转型发展主题，率先在本公司PP/PTA两类化工产品的生产研发、节能降耗、技术改造、科技创新及装置运行后期生产安全设备问题应对等方面开展专题研讨和发布，并以“讲守能”活动为契机，注重发挥各类人才的技术专长和引领作用，推动人才通道建设，发挥科技创新在调结构、促转型过程中的推动作用，达到研究解决一批难题，形成一批成果，提出一些有前瞻性的建议，形成技术储备的目的。

本次活动自2月份开始，该公司情报站与技术质量处、聚丙烯车间、化工车间、仓储中心、质检中心等部门和单位多交沟通交流，通过课题下达、选定题目、督促管理、跟踪进度、专家评审、专题发布讨论等环节，共落实20多个项目的整改和应用，撰写科技论文50多篇，上百人次参与交流和研讨，真正营造立足岗位，钻研技术，务实求真，协作配合，分享成果的良好氛围。

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

刘金贵(1971-)，男，工程师，从事煤气化制甲醇生产技术管理工作，电话：13462351367。

TQ028.2

A

1003-3467(2015)09-0010-04