京津冀地区烟气脱硝工艺现状及综合评价

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(北京华建网源电力设计研究院有限公司，北京 102200)

近年来空气污染越来越受到人们的重视，空气中NOx的危害很大， 包括对人体的健康危害[1]。大气中的NOx来源于两个方面：一类是来自于火山喷发和雷电等的自然源，是大气污染的主要污染源之一，一类是由人类的生活和生产活动产生的[2]。目前我国氮氧化物排放量的67%来自于燃煤，发改委能源研究所公布的一项数据显示，全国55%的煤炭用于燃煤发电，其余主要为工业锅炉，工业锅炉排放的烟尘占全国总排放量的22.2%[3]。中国环境保护产业协会脱硫脱硝委员会，在脱硫脱硝行业2015年发展综述中提到，污染最严重的中小型锅炉消费了25%的煤炭，其大气污染物排放占比却高达60%[4]。可见中小型锅炉的影响不觑。2012年1月1日国家颁布执行《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011),新建电厂从发布之日执行，现有燃煤机组自2014年7月1日期执行，氮氧化物排放限值为100 mg/m3。2012年10月，国家发改委等部委联合印发《重点区域大气污染防治“十二五”规划》，包括京津冀等地区，要求到2015年，氮氧化物下降13%。2014年11月，国家发改委、工信部等7部委联合印发了《燃煤锅炉节能环保综合提升工程实施方案》，到2017年，天津市、河北省地级及以上城市基本淘汰35 t/h及以下燃煤锅炉。

1 脱硝的工艺现状

NOx的控制要从燃料生命周期的三个阶段，即燃烧前、燃烧中和燃烧后入手。燃烧前脱氮、燃烧中采用低氮氧化物燃烧方法、燃烧后使用烟气脱硝技术。燃烧前脱氮，选用含氮量低的燃料，如用液态燃料或者煤气替代煤，或者用加氢脱硝、洗选等技术降低煤中氮的含量，从源头上控制氮氧化物的发生量，为后续排放减轻压力[5]，由于我国现有的煤炭资源，满足不了锅炉燃烧前的选用，以及进行气化等的需求，因此燃烧前脱硝的研究很少，几乎所有的研究都集中在燃烧中和燃烧后的NOx控制上。国际上将燃烧中NOx的控制措施统称为一次措施，而将燃烧后的NOx控制措施统称为二次措施，又称作烟气脱硝技术[6]

1.1 燃烧中NOx的控制

火电厂的主流脱销方法是低氮燃烧，为了实现这个目标，采用了多种技术。电站锅炉采用浓淡燃烧器及空气分级燃烧技术可以满足较低的NOx排放要求，但锅炉主燃烧区的过量空气系数比会小很多，煤粉的着火会在缺氧气氛下进行，这利于抑制NOx的生成，但会造成燃烧效率的下降[7],影响空气分级技术。深入研究层燃工业锅炉低氮燃烧控制技术，经济有效地降低其NOx排放，是实现现阶段层燃工业锅炉达标排放的需要[8]。氮氧化物减排的主要因素有燃料氮含量、孔隙结构、还原区化学当量以及停留时间等。在空气分级情况下，随着燃料氮含量的增加，氮氧化物的还原率会增加。同时，氮氧化物还原率还会随着还原区停留时间的延长及化学当量比的降低而增加。在不分级的情况下，燃料氮的含量越高，燃料型NOx的排放越高。燃料氮的含量对空气分级氮氧化物的减排至关重要[9-10]。

低过量空气技术，NOx主要是由于炉内的空气量不断增加而产生的，根据这一特点，在锅炉内采用低空气过量系数运行，不仅有效降低NOx的产生量，而且，也降低了锅炉内热造成的损失，提高锅炉热效率。但是这种方式有可能导致CO、碳氢化合物和炭黑污染物的增加，从而降低燃烧效率[11]。

烟气再循环利用技术,是减少NOx生成的有效方法。原理是将部分冷却的烟气循环利用，再次送入到燃烧区，降低了O2浓度，提高主燃区的温度，达到降低NO生成，同时提高热效率，烟气循环率一般在5%～20%之内较为合适，此时减少NOx生成的效果最好[11]。

1.2 燃烧后NOx的控制

烟气脱硝属于燃烧后NOx的处理技术，方法较多，按工艺可分为湿法脱硝和干法脱硝。主要包括：酸吸收法、碱吸收法、选择性催化还原法、非选择性催化还原法、吸附法、离子体活化法等，目前得到大量工业应用的选择性催化还原法(SCR法)和选择性非催化还原法(SNCR法)，黄文静研究了全负荷SCR脱硝控制[12]。

1.2.1 SCR法和SNCR法

选择性催化还原法，它是NH3在一定的温度和催化剂作用下有选择性地把烟气中的NOx还原为N2。选择性催化还原法运行中的主要问题是它的催化剂及氨的逃逸问题，催化剂涉及运行的稳定性和脱除效果，同时催化剂品种的选择和布置方式与烟气脱硝的运行费用直接相关。脱硝系统氨的逃逸影响脱硝效果，加剧管道的腐蚀、结垢和二次污染[12]。选择性非催化还原法SNCR工艺最初由美国的一家公司发明并于1974年在日本的工业中得到应用，在没有催化剂的情况下可以在800～1100℃范围内反应，而且基本上不与O2作用。SNCR可能出现的问题是氨泄漏和有害副产物N2O的产生，当采用尿素作还原剂时还可能产生CO二次污染等问题。SNCR与SCR相比运行费用低，旧设备改造少，尤其适合于改造机组[13]。

1.2.2 SCR/SNCR联合技术

锅炉上装设了SNCR脱硝系统，在炉膛燃烧区域上部和炉膛出口1 000～11 50℃烟气温度区域，分四层布置了墙式尿素溶液喷射器。锅炉尾部烟道加装脱硝系统，反应器设置在上级省煤器出口，利用烟气中原有的和在催化剂层中进行反应；整套脱销系统包括反应器、声波吹灰系统及烟气检测装置[14]。

1.2.3 液体吸收法

液体吸收法主要是利用混合气体中不同的组分，溶液中溶解度的不同，利用吸收剂除去目标气体。或是让吸收剂与目标气体发生一定的化学反应，将气体从混合气体中分离，从而达到去除的目的。吸收法究其本质，是通过物理或化学作用，使物质从气相转移到液相的过程。

1.2.4 烟气除尘技术

袋式除尘器是含尘气体通过过滤材料将烟(粉)尘分离捕集的装置，属于高效干式除尘装置。袋式除尘器将最初黏附在表面的粉尘层作为滤层，将含尘气体中烟(粉)尘粒子去除。近年来，随着滤袋形状，滤布耐温度、耐腐蚀和清灰技术等方面的不断改进，在锅炉烟气净化方面得到广泛应用[15]。

电除尘技术是在正负电极板间施加高压电场使空气电离，烟尘吸附带电粒子后经电场力作用沉积在集尘极上，粉尘通过机械振动掉入灰斗而被收集，适合大型电站锅炉使用。

1.2.5 低氮燃烧与SNCR组合技术

在陕西省榆林市某兰炭有限公司利用炼焦生产的剩余荒煤气发电项目中采用了低氮燃烧与SNCR组合技术。低氮燃烧改造措施有更换低氮燃烧器、重新设置燃料风量调节曲线[16]。SNCR工艺的系统组成是还原剂储存和供应系统，计量混合分配系统、喷射系统、电气、控制系统等[17]。

2 烟气脱硝工艺的评价方法

综合评价是指按确定的目的，通过选定的若干指标，对研究对象功能的量化描述。综合评价包含两个要素：指标体系和评价方法。

2.1 指标体系

为了描述评价对象，需要若干个指标作为基础和依据，这些指标共同构成指标体系，指标体系具有层次性和多样性。构建指标体系应遵循的原则:(1)系统性,选取的指标应能较全面的反映评价对象；(2)相互独立性，各指标应简明扼要，互不影响，保证体系结构分明；(3)可比、可量化性，指标应便于收集，可通过定量化操作进行不同对象间的比较；(4)科学性，指标选择应具有代表性，层次性，数量不宜过多，能真实反映现状，不宜照搬照抄[18]。

2.2 综合评价的基本理论

(1)多属性决策,在存在多个准则并且这些准则不能互相替代的复杂情况下进行准则决策，由多目标和多属性两个决策部分组成[19]。选择和评价问题使用多属性决策方法，设计问题则使用多目标决策方法。多属性决策是指在一定数量的备选方案上进行偏好决策，如选择、排序和评价等。它是多准则决策的一个重要组成部分[2]。

(2)层次分析法是将复杂问题分解出层次并对层次结构加以分析判断。根据性质将问题分解成不同指标，每一个指标都要表达出目标某一方面的特点，评价指标要具有代表性[20]；再依据各指标间的关系按层次组合，进而形成层次分析结构，确定最低层对于最高层的权重。权重反映一个目标在整个目标体系中的相对重要程度，这种重要性在很大程度上取决于人们对事物的认识水平和人们所追求的目标[21]；确定权重后通过计算进行排序，最终得以评价问题。

(3)模糊综合评价法是在模糊数学基础上，进行综合评价的方法，该评价方法采用模糊数学中隶属度的原则，将定性指标定量化处理，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决[18]。

2.3 技术评价方法的选择

研究烟气脱硝技术的评价是在大量借鉴已有烟气脱硫技术经济评价体系的基础上进行的。烟气脱硫应用在国外电厂上的技术经济评价体系主要有：

(1)IEA评价体系[22]。该体系有详细的评价指标，包括实际运行效率、技术的操作性、立法要求、技术的实用性和可靠性、运行费用以及基建投资。

(2)DOE清洁煤技术评价体系[23]。该体系中主要指标有环境评价指标、技术评级指标、适应性评价以及经济评价指标。具体的包括脱硫后SO2的排放量、技术的成熟度、在新建和改建中的应用、对不同煤种的适用、对不同煤特性的适应、对能源生产部门和消费部门的影响以及费用。

(3)EPRI评价体系[24]。该评价体系中包括了定量和定性指标，主要的指标有定量的经济评价指标、定性技术性能评价指标和定性的商业化评价指标。

目前我国主要烟气脱硫技术经济评价体系应用多的是杭州环境保护研究所[25]。指标包括了经济费用、工艺成熟度、工艺性能和工艺可靠程度四大类指标。运行费用和投资花费的大小构建了经济费用指标；实验阶段、工业示范、商业化的定义表示了工艺成熟度；去除率、环境风险、是否需要预热是技术性能主要组成；故障易发率、设备危害影响大小、工艺操作复杂度、运行寿命是可靠程度主要指标。

3 应用实例与分析

3.1 确定评价对象及评价体系

根据京津冀地区现有的某台已完成改造的，达到GB13271-2014大气污染排放标准的锅炉为例。选取以下工艺进行评估：SCR、SNCR、液体吸附法、SCR/SNCR联合技术、低氮燃烧、液体吸附法、低氮燃烧与SNCR组合技术。

根据基本原则，查阅相关文献，引用余飞翔[27]指标体系，一级指标：技术性能、经济性能、环境特性；二级指标：技术成熟度、系统运行稳定程度、系统可升级性能、负面影响、占地面积、建设投资、副产物效益、单位去除成本、去除效率、二次污染。如图1所示。

图1 工业锅炉烟气污染控制技术指标体系

3.2 层次分析法确定指标权重

两两比较判断矩阵是以上层指标作准则将下一层指标两两进行比较,通过它的使用能得到各指标之间量化的比较结果。

通过专家调查，鉴于全国工业锅炉脱硝脱硫除尘技术基本同步，这里直接引用余飞翔的统计计算结果[26]，确定一级指标和二级指标权重。

根据一级指标权重可以看出，经济性是中小型锅炉最重要的指标，但是随着锅炉容量的增加，技术性能和环境特性重要性增加，经济性重要性下降。在同一一级指标中，各二级性能指标权重接近，则重要性相当。

3.3 烟气脱硝技术模糊综合评价

结合调研所得数据和技术人员的建议及文献[27]，得到脱硝技术各指标评价情况，如表1。表中各字母代表脱硝工艺(a.SCR；b.SNCR；c.SCR/SNCR联合技术；d.低氮燃烧；e.液体吸附法；f.低氮燃烧与SNCR组合技术)表中数字代表1技术成熟度；2系统运行稳定程度；3系统可升级性能；4负面影响；5占地面积；6建设投资单位；7单位污染物脱除成本；8单位脱除成本；9脱除率；10二次泄漏(氨)。

表1脱硝技术各指标分析

指标abcdef14.824.373.813.773.123.5124.334.083.922.512.323.0133.713.223.673.662.23.2143.63.53.713.672.63.2150.10.50.310.50.56113628733807178.6010.908.0007.52.480.0150.0080.00870.00760.00690.005598545804050601051080010

采用直观简单的隶属函数对评价指标进行标准化和归一化处理。得到脱硝技术各指标隶属度，如表2所示。表中的字母代表的含义同表1，数字的含义如下：1技术成熟度；2系统运行稳定程度；3系统可升级性能；4负面影响；5占地面积；6建设投资；7单位污染物脱除成本；8单位脱除成本；9脱除率；10二次泄漏

表2脱硝技术各指标隶属度

指标abcdef10.960.870.760.750.620.720.870.820.780.550.660.530.740.640.730.730.440.6440.720.70.740.730.520.6450.10.50.310.50.560.320.660.520.820.560.6170.280.090.3310.380.880.470.820.470.990.570.6190.810.310.750.250.380.5100.670.330.47110.33

技术性能评价

B1 =W1·R1

=[0.203 3,0.260 1,0.160 2,0.202 4,0.170 4]

=[0.702 8,0.719 8,0.675 6,0.717 9,0.548 1,0.589 5]

经济性能评价

=[0.345 5,0.513 3,0.426 3,0.901 9,0.487 7,0.646 6]

环境特性评价

B3=W3·R3=[0.447 1,0.552 9]

=[0.728 0,0.321 0,0.595 1,0.664 7,0.722 8,0.406 0]

脱硝技术综合评价：

当锅炉容量为<10 t/h

B=W·[B1;B2;B3]=[0.33,0.48,0.19]

=[0.536 0,0.544 9,0.540 6,0.796 1,0.552 3,0.582 0]

当锅炉容量为10～35 t/h

=[0.554 7,0.543 2,0.550 5,0.785 4,0.560 5,0.573 7]

当锅炉容量为35～65 t/h

B=W·[B1;B2;B3]=[0.37,0.39,0.24]

=[0.569 5,0.541 1,0.558 4,0.776 9,0.566 4,0.567 9]

从综合评价结果来看：

当锅炉容量为<10 t/h，脱硝技术，低氮燃烧法最为合适，其次为SNCR，接着是SCR、SCR/SNCR联合技术和液体吸附法相当，最差的是低氮燃烧与SNCR组合技术；

当锅炉容量为10～65 t/h，低氮燃烧法最为合适，其余技术表现相当。

总体来看，低氮燃烧法是各工艺中综合评价最高的，且评分高出其他技术很多，是中小型工业锅炉各吨位最佳技术。液体吸附法随着锅炉吨位增大而逐渐显现优势。

4 结论

建立了中小型锅炉烟气污染控制技术综合评价体系，结合调研和文献得出适合于脱硝工艺的各指标，通过层次分析法确定指标权重，再用模糊评价法对其进行评估，得出结果是低氮燃烧法在经济性方面显现出巨大优势，但是脱硝率很低，在其不能达到排放标准情况下，应选择SNCR或液体吸附法。

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