烟气脱氮技术在氮氧化物总量减排中的应用研究

2013-06-08朱玲

环境监控与预警 2013年1期

朱玲

(天津市环境监测中心，天津 300191)

目前，氮氧化物(NOx)已成为大气的主要污染物，其与碳氢化物反应形成的光化学烟雾严重危害人类健康;另外氮氧化物还是造成酸雨的一个主要原因，酸雨的频繁发生给生态环境和国民经济造成极大的影响［1］。

中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤燃烧释放出大量的NOx。据中国环境状况公报显示，2005年全国氮氧化物的产量已达到1 700万t左右，而未来20年中国NOx排放量将继续呈稳步增长的趋势，如果不采取措施，到2020年、2030年，全国能源消费导致的NOx排放量将分别达到2 363 ～2 914 万t和3 154 ～4 296 万 t［2］。如何利用现有技术因地制宜的做好NOx减排是环保工作的重要内容。文章重点对烟气脱氮技术进行研究，并以天津市“十一五”氮氧化物排放现状为例，提出了氮氧化物排放削减对策，对流动源NOx减排不作讨论。

1 烟气脱氮技术

目前，有效的脱氮技术有炉中脱氮技术、尾端脱硝技术［3］。其中，炉中脱氮技术适合中小型锅炉，主要是控制燃烧过程中NOx的生成，包括低温燃烧、低氮燃烧技术［4］。尾端脱硝技术适合大吨位的电厂锅炉，分为干法脱硝、半干法脱硝和湿法脱硝3种。其中干法包括选择性催化还原法(SCR)、非选择性催化剂还原法(SNCR)、混合SCR-CNCR法等［5］;半干法有活性炭联合脱硫脱硝法;湿法有湿式络合吸收法等［6］。目前广泛应用的尾端脱氮技术有SCR和SNCR［7］。

1.1 炉中脱氮技术

1.1.1 低温燃烧技术

循环流化床锅炉是一种洁净燃烧设备，其燃烧方式是在流态化下进行燃烧，即炉内高速运动的气体与其携带的紊流扰动极强的固体颗粒呈悬浮接触，并具有大颗粒返混的流态化燃烧过程。此技术特点是改变了燃烧方式，有效的降低炉膛温度和过氧燃烧现象，其炉膛温度一般控制在830℃ ～930℃，属于中低温燃烧技术，基本不会产生热力型NOx;将空气系数降至1.10～1.20之间，保持NOx低排放效果。NOx排放浓度一般在50～200 mg/m3，较层燃炉和煤粉炉排放浓度低70% ～80%。目前该技术已得到逐步推广［8］。

1.1.2 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是通过改变燃煤过程中不同的风煤比例，产生两种不同的燃烧状况：煤比例高时为富燃料燃烧，空气比例高时为富氧燃烧。燃煤过程中通过这样的调节既可以使燃烧的火焰更长且温度较低，又可以在风煤比例中煤比例较高的燃烧区域形成还原气氛，使燃料型NOx的产生得以减少［9］。该技术为成熟实用技术，但受炉膛结构的制约，其燃烧温度和对氧化层燃烧控制作用有限，一般脱氮效率较低，在20% ～40%之间，需要与尾端脱氮技术结合应用。目前正在开发研究的全炉排分段燃烧锅炉技术，主要将煤的燃烧还原过程和氧化过程分段进行，并将还原过程产生的还原气体引入火床，将产生的NO还原为氮气和水，该项技术适用于中小型锅炉应用，其优点是能在节能的基础上减少了氮氧化物的排放。

1.2 尾端脱硝技术

1.2.1 SCR 法

SCR特点是脱氮效率高，运行稳定，缺点是设备造价成本高，因此特别适用于发电厂锅炉脱氮应用。其工作原理是在一定温度下NH3在催化剂(NH3、尿素)作用下将NO和NO2直接还原为氮气和水，反应式如下：

该反应应控制在250～427℃温度下进行，当温度过高时将会引起氨与氧的氧化反应，减少了脱氮效率。常用的催化剂有贵金属型、金属氧化物型及分子筛催化剂，反应式如下：

1.2.2 SNCR 法

SNCR为选择性非催化还原法，该法特点是不需要催化剂，建造成本较SCR低，其反应温度控制在930～1090℃，因此可直接向炉膛适应温度区喷射氨水或尿素水溶液进行，在烟道中增加氨气监控设备可以达到理想的脱氮效果。其反应方程式如下：

该法加入添加剂还可以加宽有效工作温度范围，可在层燃锅炉上运行，因此可用于开发中大型工业锅炉的脱氮需求。

1.2.3 湿式络合吸收法

湿式络合吸收法是烟气同时脱硫脱氮技术，其优点是不需要较高的反应温度，而是通过金属络合剂水溶液直接吸收烟气中NO，因此可在原有脱硫吸收液中加入络合剂，设备稍加改造即可达到同时脱硫和脱硝双重作用，特别适用于中小型工业锅炉的需求［10］。以下是以硫酸亚铁为络合剂的吸收反应化学式：

该反应是可逆反应，低温有利于络合反应进行，高温和较高的pH值条件则发生分解反应，放出NO。因此可用于吸收液的再生，收集NO用于制备硝酸。

以上3种技术方法对不同行业适用性不同(具体特点见表1)，电力行业可选择以 SCR和SNCR为主体;供热行业可选择以炉体改造、引进新型燃烧设备方式，同时配合SCR和尾端吸收优选方案相配合;综合行业(针对具备有氮氧化物排放的行业综合体)可利用自身行业特点，以尾端吸收综合利用原则，应用开发脱硝减排，同时集合优势统一设计、统一建立吸收液再生综合利用部门，从而降低脱硝成本，提高设备运营管理的质量。

表1 几种烟气脱硝技术比较

续表1

2 天津市氮氧化物排放及削减状况

2.1 氮氧化物排放现状

“十一五”期间，天津市烟尘、二氧化硫和工业粉尘排放总量呈总体下降趋势，但NOx排放总量呈总体上升趋势。NOx排放量由2006年的16.0万t上升到2010年的24.6万t，增幅为53.5%;全市工业NOx排放量有所增加，与2006年相比，排放量增长了55.5%。

“十一五”期间，火电厂NOx排放量呈波动上升趋势，由2006年的7.3万 t上升到2010年的11.1万 t，增幅为52.6%。具体情况见表2。

表2 天津市“十一五”期间氮氧化物排放情况

2.2 天津市火力发电厂烟气脱硝现状

截止到2010年，全市共有火电厂19家，其中属于火电行业的共有14家，企业自备电厂5家，自备电厂氮氧化物排放量占火电行业氮氧化物排放量的19.5%。2010年，全市火电厂氮氧化物排放量为11.1万 t，去除量仅为1.7万 t，只占产生量的13.4%。

截止到2010年安装脱硝装置的火电厂只有2家，分别为天津东北郊发电厂和天津军电热电有限公司，均采用SCR法脱硝，实测脱硝效率分别为75%和77%;有3家火电厂采取低氮燃烧器方式初步脱硝，脱硝效率在10% ～40%之间。其余14家火电厂没有采取任何的脱硝方式，氮氧化物排放量很大。

3 氮氧化物排放削减对策

2010年天津市固定源NOx排放总量为245667 t，以此为基础“十二五”期间约削减24 567 t。可通过工程削减、标准控制及加强监管3个方面实现“十二五”NOx减排。

3.1 工程削减

对于天津市来说，已建成的电厂老机组和小机组较多，企业自备电厂的装机容量小，这些电厂一般没有预留脱硝设备建设空间，可以考虑对机组进行低氮燃烧技术改造。其技术简单，不占地，费用较低。以天津北疆发电厂低氮燃烧器脱除氮氧化物10%为例，此类电厂的氮氧化物去除量约为2 829 t。

对于新建设的火电厂，基本上都为300 MW，600 MW的大机组，甚至1 000 MW的高参数机组，这些项目一般在设计时预留了场地，经济承受能力比较强，可以考虑效率比较高的SCR法脱硝技术，虽然投资较高，但从长远上考虑，可进一步达到日后新环保标准的要求。以SCR法脱硝的火电厂(东北郊电厂和军电热电有限公司)的实际脱硝效率可以看出，SCR法脱硝效率基本能保证在70%以上。若在中、大型火电厂中实施SCR法脱硝，以60%的去除率计大约能去除48 242 t的氮氧化物。

天津市19家火电厂工程措施静态削减见表3。

表3 工程措施静态削减

3.2 标准控制

现行《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2003)中氮氧化物排放标准第3时段燃煤锅炉(Vdaf＞20%)为450 mg/m3，新修订的《火电厂大气污染排放标准》(征求意见稿)中某些重点地区新建和改扩建火电厂的氮氧化物排放标准已经降至200 mg/m3。在大力实行工程削减的基础上，新排放标准的实施有力保障了减排效果，更加督促企业自觉履行减排指标。新标准的实行将使氮氧化物排放总量减少30%～40%。