燃煤电厂烟气氮氧化物(NOx)的控制技术

齐如敏

(惠生工程(中国)有限公司河南化工设计院分公司，河南郑州 450000)

0 前言

我国是以煤炭为主的一次能源消费大国，随着国民经济的快速发展，能源消费带来的环境污染越来越严重，燃煤电厂排放烟气中的SO2的治理已经全面开展，而烟气中的NOx作为引起硝酸型酸雨的污染源问题，已成为国民经济发展过程中必须解决的重大问题。“十二五”规划已将燃煤电厂NOx排放总量控制作为今后电力工业环境保护的重点工作，与其相关的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)已于2012年1月1日开始实施，其中要求新建、改建和扩建的燃煤电站锅炉，需同步配套建设烟气脱硝装置。

1 NOx控制技术

国家出台有关控制燃煤电厂NOx的政策后，有关脱硝技术的环保工程公司应运而生，目前，我国已有10多家环保工程公司分别引进了美国B＆W公司和燃料技术公司、德国鲁奇和费西亚巴高克环保公司、日本三菱和日立公司、意大利TKC公司、丹麦托普索公司的烟气脱硝技术。

目前世界上降低电厂锅炉NOx排放的方法主要有以下三种:①低氮燃烧技术，即在燃烧过程中控制氮氧化物的生成;②选择性催化还原技术(SCR，Selective Catalytic Reduction);③选择性非催化还原技术(SNCR，Selective Non－Catalytic Reduction)。

2 NOx控制原理及工艺

2.1 低氮燃烧技术

2.1.1 NOx生成的机理

电站锅炉烟气中的NOx包括NO和NO2，煤在燃烧过程中生成的NOx主要是NO，约占90%，其余为NO2，而NO2是由NO被氧气在低温下氧化而成的。一般将NOx根据生成方式主要分为燃料型NOx和温度型NOx。

①燃料型NOx。燃料中的含氮化合物在高温下分解出的氮被氧化为氮氧化物。在燃料含氮量一定的情况下，过量空气系数越大，燃料型NOx的转化率就越高，而温度对燃料型NOx的转化率影响比较复杂。②温度型(或热力型)NOx。煤燃烧时，空气中的氮在高温下被氧化而生成的氮氧化物。温度型NOx生成条件是:很高的燃烧温度(1 500℃以上)和一定的氧浓度(氧化气氛)，还要有一定的反应时间。

2.1.2 低氮燃烧技术的原理

根据NOx生成的机理及生成条件来控制锅炉炉膛燃烧区域的温度、控制炉膛内不同区域的过量空气系数或缩短反应时间等，从而抑制或减少NOx生成。

2.1.3 低氮燃烧技术的应用

①目前国内大型电站煤粉锅炉都采用低氮燃烧技术;②电站煤粉锅炉在设计时大都采用空气分级燃烧技术:即分别控制一、二、三次风的风量及分配比例，使主燃烧区处在还原气氛中，而总风量保持不变，从而减少NOx的生成量;③目前大部分电站锅炉选用低温燃烧的循环流化床锅炉，循环流化床锅炉炉膛燃烧温度一般控制在800～950℃范围内，此温度内，温度型 NOx很难形成，因此烟气中总的NOx浓度较低。

2.2 选择性催化还原法(SCR)

2.2.1 原理

锅炉烟气中的NOx在催化剂的作用下，以氨水或尿素为还原剂，在一定温度下发生反应，并生成无毒无害的N2和H2O。

2.2.2 工艺流程

选择性催化还原法(SCR)脱硝工艺流程:来自锅炉省煤器的300～420℃烟气进入SCR系统后，在烟道内与喷氨格栅喷入的氨气与空气的混合气体进行充分混合后均匀进入SCR反应器。在反应器内，烟气中的氮氧化物与氨在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成氮气和水，脱硝后的净烟气引回锅炉空气预热器完成后续流程，最终排放。流程示意如图1所示。

图1 SCR脱硝流程示意图

2.2.3 工艺系统

选择性催化还原法(SCR)整个系统由四个部分组成:①烟气系统:烟气从省煤器引出，进入脱硝烟道，在喷氨格栅处加入氨进行混合，经过导流板、整流器后进入SCR反应器，在催化剂表面充分反应后，回到空预器及其他后续系统。②反应系统:混合均匀的氨和烟气，在催化剂表面经过扩散、吸附、反应、解吸、扩散等过程，烟气中的NOx与NH3反应生成N2和H2O;③还原剂系统:氨源经过卸料、储存、转化后进入缓冲槽，在稀释空气的补充下，氨气被稀释至5%以下，经过喷氨格栅进入烟气系统，与烟气混合均匀后进入反应器反应。④工艺控制和调整单元。

2.3 选择性非催化还原法(SNCR)

2.3.1 原理

选择性非催化还原法是一种不用催化剂，在850～1 100℃的范围内还原NOx的方法，常用液氨或尿素［CO(NH2)2］作为还原剂。还原剂雾化后分层喷入锅炉炉膛850～1 100℃的区域后，迅速热分解成NH3和其他副产物，随后NH3与烟气中的NOx进行选择性反应，生成N2和H2O。

2.3.2 工艺流程

尿素溶液储存在储罐中，由供液泵泵送。供液泵出口设有稀释水路，以调节尿素溶液浓度，稀释后的尿素溶液经不锈钢伴热管送至炉前喷射器，通过不锈钢软管与喷枪连接，尿素溶液通过喷枪喷至炉膛850～1 100℃燃烧区域内。工艺流程如图2所示。

图2 SNCR脱硝流程示意图

2.3.3 工艺系统

整个系统由四个部分组成:①尿素溶液和软化或脱盐水的储存及输送单元;②尿素溶液和软化或脱盐水混合及输送单元;③喷射系统;④工艺控制和调整单元。

2.3.4 特点

选择性非催化还原技术(SNCR)与选择性催化还原技术(SCR)相比具有以下特点:①系统简单。不需要改变现有锅炉的设备设置，只需在现有的燃煤锅炉的基础上增加氨或尿素储槽、氨或尿素喷射装置及其喷射口即可，系统结构比较简单。②系统投资小。相对于SCR的40～60美元/kW的昂贵造价，由于系统简单以及运行中不需要昂贵的催化剂而只需要廉价的尿素或液氨，所以SNCR 5～10美元/kW的造价显然更适合我国国情。③阻力小。对锅炉的正常运行影响较小。④系统占地面积小。需要的较小的氨或尿素储槽，可放置于锅炉钢架之上而不需要额外的占地面积。⑤但是若用在煤粉锅炉上，脱硝效率要低于选择性催化还原技术(SCR)，其值在30% ～40%，若用在循环流化床锅炉上，脱硝效率可达到50%～70%。

3 脱硝技术的实际应用

一般很少采用单一的氮氧化物控制技术方案，因为单一技术方案，脱硝效率很难达标，所以通常都是两种或三种工艺结合使用。①SCR脱硝技术一般用在大型火力发电厂，在煤粉锅炉上通常与低氮燃烧器和空气分级燃烧技术配合使用;②选择性催化还原技术(SCR)与选择性非催化还原技术(SNCR)结合用在大型的电站煤粉锅炉或循环流化床锅炉上;③选择性非催化还原技术(SNCR)鉴于系统简单、投资小、占地面积小的特点，主要用于低温燃烧的中、小型循环流化床锅炉。