火电厂脱硝系统应用技术研究

兴义市上乘发电有限公司 陈文兵

1 引言

尽管新能源发电技术如太阳能、风能、水能、潮汐能和核能等得到了快速发展，但随着电力需求的增加，这些新能源技术仍受到一些限制。因为技术尚未成熟，而且成本仍然较高，所以在未来一段时间内，新能源发电将与传统的燃煤电站并存[1]。因此，燃煤电站仍是中国电力供应的主要来源。然而，虽然燃煤电站可以满足电力需求，但是也带来了环境和健康方面的问题，特别是在NOx（氮氧化物）排放方面。因此，减少燃煤锅炉的NOx 排放成为当前应该重点关注的问题。

要解决这个问题，就不得不提到脱硝技术，其原理是通过化学反应将NOx 转化为氮气和水蒸气[2]。目前，常见的脱硝技术包括选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）等。SCR技术是在催化剂的作用下，将氨气注入烟气中，与NOx 反应生成氮气和水蒸气。SNCR 技术则是直接将尿素、氨水等还原剂喷入烟气中，与NOx 发生反应转化为氮气和水蒸气。

需要注意的是，脱硝技术的应用需要考虑到燃料的不同、燃烧工况的差异和烟气成分的变化等因素，以确保其脱硝效果和经济性。此外，还需要对脱硝设备的运行和维护进行科学管理，以保证脱硝系统的长期稳定运行。只有在技术和管理上取得双重突破，才能有效地降低燃煤电站的NOx 排放，从而更好地保护环境和人民的健康[3]。

鉴于目前主流的脱氮方法是 SCR 法，西安热力研究所对这一方法进行了深入的研究，并根据这一方法，给出了一系列有益的建议，为我国烟气脱氮技术的发展创造了良好的环境。在对燃煤发电机组的分析中发现，若 SCR 脱硝装置无法与机组一起实现，在锅炉的设计中，就需要为 SCR脱硝装置预留一些空间，同时也要考虑到相应的设备和系统，以便在以后的工作中能够更好地进行增加。

2 火电厂200MW 机组烟气脱硝系统方案选择

2.1 NOx 生成机理

NO、N2O3等都是火电厂排放 NO 的主要形式，在环境污染的相关研究中， NO 和 NO2都属于常见的氮氧化物，被统称作 NO。大部分的燃烧都会产生NO，其排放量在 NO 的排放总量中占比超过90%。当 NO 进入大气中后，将在短时间内氧化，变为NO2。燃烧化石燃料时，通常有三种产生 NOx 的方法， 分别是热力型、燃料型和快速型[4]。

2.1.1 燃料型 NOx

在燃料燃烧过程中，氮化合物被氧化生成NOx。煤粉的燃烧温度较高，会在600-800℃范围内产生大量的NOx，其中60%～80%由此产生。燃油的NOx 生成可分为两步：第一步是含氮有机物经热分解产生中间体，如N、CN、HCN、NH 等；第二步是将这些中间体进行氧化。煤炭的燃烧要经过两个步骤：挥发份燃烧和焦炭燃烧[5]。生成燃料NOx 也要经过这两个步骤：气化氮气的氧化（挥发份燃烧的NOx）和焦炭中氮气的氧化（焦炭NOx）。随着燃烧温度的升高，挥发性氮气的转化速率也增加。循环流化床锅炉的燃烧温度不高，因此燃烧时挥发份的氮会减少。总体估算显示，挥发份燃烧产生的NOx 量约为焦炭燃烧产生的NOx 总量的1.5倍。同时，煤粉中氧和氮的比例（O/N）也对NOx的产生有一定的影响。

在燃料燃烧生成 NOx 的过程中，周围氧气浓度的变化可能会影响 NOx 的形成情况。因此，控制氧气含量对于减少燃料 NOx 的产生非常重要。调节氧气含量和燃烧器内氧气含量是控制氧气含量的两个主要方面。在燃烧试验中，将煤粉放入空气剩余系数小于 1.4 的条件下进行，结果显示在这个条件下，煤粉体的转化率上升量是氧气含量上升量的平方。

由于燃油态 NOx 的生成温度比热力学态 NOx要低得多，所以在初始阶段，温度对 NOx 的生成有很大的影响。但随着时间的推移，NOx 的生成趋于稳定。

2.1.2 快速型 NOx

快速型 NOx，也被称为“瞬间 NOx”，指的是在高温下，燃油中的烃类挥发并分解为 CH，与大气中的氮气反应，形成 HCN 和 N，然后与氧反应，快速形成 NOx。这个过程只需要 60ms，且 NOx的数量与温度无关，但与炉压无关。尽管此过程与温度无关，但在大多数化石燃料中却很少有这样的氮氧化物存在。特别是对于大容量燃烧器来说，其作用可以忽略不计。

2.2 NOx 控制技术

火力发电厂的NOx 控制有许多种方式。常用方法包括燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后处理。目前，大部分的研究和实践都致力于燃烧中和燃烧后的处理，燃烧前对NOx 进行控制的方法几乎没有。在控制燃烧设备NOx 污染时，许多国家主要关注对设备和工艺的改进以及对燃烧条件的改善。这就形成了低NOx 燃烧技术和烟气脱硝技术，有效地降低了NOx 的排放。在这两个领域中，烟气脱硝技术得到了广泛的应用，其种类也很多。根据脱硝过程中是否要加入水，以及产品的干湿程度，可将其分为湿法烟气脱硝技术和干法烟气脱硝技术。火电厂常用 NOx 控制方法树状如图1所示。

2.2.1 燃烧前控制技术

在过滤煤、用天然气代替煤等燃烧时，选择含氮量较低的燃料会显著降低燃料类NOx 的生成。同时，将燃油改为水煤浆可有效地降低燃烧强度，并能有效地控制峰值温度，从而减少热力学NOx的生成。此外，还可以利用助剂来达到降低排放的目的。

2.2.2 燃烧中控制技术——低 NOx 燃烧技术

通过调整燃烧状态来降低NOx 排放的多种技术手段可以统称为“低NOx”燃烧技术。相对于排气排放物脱硝技术而言，低NOx 燃烧技术更为简单易行，但其脱硝率较低，同时容易导致热效率下降，进而引起不充分的燃烧，造成较大的热损失。目前，采用不同的低NOx 燃烧技术可以将NOx 的生成减少20%～60%。然而，要想大幅度减少烟气中的NOx 排放，除了对低NOx 燃烧技术进行创新，还需要利用烟气脱硝技术。

2.2.3 燃烧后脱硝技术——烟气脱硝技术

烟气脱氮技术是一种利用物理化学方法来减少工业废气中的NOx的技术。在这个过程中，NOx 化合物被还原成为无毒的氮气和其他化合物，而不溶于水的NO 也被氧化成可溶于水的NO2。这些产物可以通过碱性吸收剂或直接使用溶液进行吸收。该技术根据其作用原理可以分为催化还原、吸收和吸附三种类型。根据工作介质的不同，烟气脱氮技术可以分为干法和湿法两类。

干法脱氮是目前最常用的方法之一。相对于SO2，NOx 的化学活性要弱一些，而且在水溶液中很难被吸收。在干法脱氮中，NOx 会分解为无毒的N2和O2，这两种副产物相对较易处理。主要的胺类还原剂对烟道气中的NO3-具有较高的选择性。干法脱氮中，常用的方法包括选择性非催化还原等，而常用的吸收方法包括酸吸收法、碱吸收法等。

湿法工艺设备相对较复杂，而且污水排放量大，电力消耗量也很高。在湿法脱氮过程中，化学反应需要在液相中进行，因此必须使用吸收液。吸收液可以是酸性的、碱性的或氧化性的，具体的选择取决于要去除的污染物。然而，湿法工艺也有其优点。由于化学反应在液相中进行，因此可以更有效地去除废气中的NOx 和其他污染物。此外，湿法工艺可以减少二次污染，因为副产物可以在液相中处理。在湿法脱氮中，内衬材料的选择也很重要，因为湿法工艺可能导致内衬材料的腐蚀。处理副产物也相对困难，因为副产物可能被固化在吸收液中。因此，在选择湿法工艺时，必须考虑到这些问题。

日本和欧洲主要使用SCR（选择性催化还原系统）技术，可以将NOx 去除60%～80%；而美国最常使用的是一种基于选择性非催化还原法的改良体系，可以脱除80%的NOx；最近美国开发的CARBONOx 还原技术采用活化褐煤作为还原剂，在480～560℃时，其还原率可达98%。

2.3 常用烟气脱硝技术

烟气脱硝法还有活性炭吸附法、微生物法、液体吸收法、 电子束法、炽热炭还原法、反馈式氧化吸收脱硝技术、SNRB 工艺脱硝技术等。

常见的烟气脱硝工艺对比情况详见表1。

表1 常见的烟气脱硝工艺对比情况

烟气的脱硝方法包括活性炭吸附法、微生物法、液体吸附法、电子束法、燃烧碳还原法、反馈氧化吸收法、SNRB 法以及其他各种脱硝方法。目前，国内主要采用SCR 法和SNCR 法，国际上SCR 技术的应用达数百个，德国、日本等国家95%以上采用SCR 技术。该技术具有高效、技术成熟、无二次污染等优点，是一项值得推广的新技术。

3 结语

在我国发展的过程中，除了要对燃烧生成的NOx 量进行控制和对现有技术进行研究之外，还必须对 SCR 进行更加深入的研究，以便更好地结合我国的实际情况，开展应用试点和研究工作。伴随着经济社会的迅速发展，对生态环境的保护就变得更加重要，特别是对锅炉在燃烧过程中 NOx 的排放量问题，更要引起人们的重视，以保证国内电厂锅炉环保水平更好更快地发展。