燃气锅炉废气脱氮方法研究

2016-12-12成国栋中国航天建设集团有限公司北京100000

低碳世界 2016年32期

成国栋，王志（中国航天建设集团有限公司，北京100000）

燃气锅炉废气脱氮方法研究

成国栋，王志（中国航天建设集团有限公司，北京100000）

在具体的燃烧过程中锅炉通常会将大量的氮氧化物排放出来，其会导致十分严重的污染问题。为了能够更好的保护人类的生存和发展环境，我国已经开始严格控制这种物质的排放，同时对氮氧化物的重点控制已经明确的纳入到“十二五”规划中。为此，在燃气锅炉的生产中必须要认真做好废气的脱氮处理工作，积极的改进废气处理的技术手段，不断地提升废气脱氮的效果。

燃气锅炉；废气脱氮；技术

引言

近年来，我国很多城市的NOx污染变得越来越恶化，甚至出现了大面积的区域性NOx污染。与此同时，在酸雨污染中NOx也变得越来越严重，硫酸和硝酸复合型的酸雨已经变成了主要的酸雨类型，其主要原因就是我国在对SO2排放进行严格控制的同时，并没有对NOx的排放量进行有效控制。目前，京津冀地区多数燃煤、燃气锅炉NOx排放不达标，面临淘汰或改造。在这一背景下，针对燃气锅炉的废气进行脱氮处理具有十分重要的意义。

1 锅炉废气脱氮的常用方法

立足于低NOx燃烧技术，当前常用的脱氮方法有选择性催化还原法（又被称为SCR脱硝）和选择性非催化还原法（又被称为SNCR脱硝），主要用于燃煤锅炉废气处理。

1.1 选择性催化还原法

1.1.1 选择性催化还原法的基本原理

当前技术相对成熟、应用有比较广泛的烟气脱硫技术，使选择性催化还原烟气脱硝法。这种技术的基本原理是运用高温烟气脱硝装置来进行脱硝，脱硝剂一般为氨气。通过脱硝剂的作用，烟气中的NOx会被分解成为水和氮气，从而降低整个烟气中的NOx的含量。选择性催化还原法的温度范围是280～420℃，在该温度范围内该方法能够发挥较好的作用。假设NH3/NO为1，该方法的脱硝效率达到80～90%[1]。

事实上，烟气中的NOx浓度并不高，但是烟气往往具有较大的体积，因此选择性催化还原脱硝装置必须配备高性能的催化剂，保障燃气锅炉运行的安全性和可靠性。

选择性催化还原法，具有两种不同的布置方式，为低飞灰和高飞灰，二者各有优缺点。脱硫装置安装于烟气脱硫装置或除尘器之后的是低飞灰方式。其优点在于一套脱硫装置可以供几台锅炉共同使用，而且可以有效地除掉飞灰中的有害物质，使催化剂的使用寿命得以延长，减小磨损量和飞灰的含量，同时可以减少栅格的横截面积，减少催化剂的用量，增加有效反应面。但是低飞灰方式具有较低的烟气温度出口的温度，一般不超过130℃，为了使其能够达到相应的温度范围，必须安装外加热源，因此仅适用于小型工业锅炉。如果锅炉的机组较大，产生的烟气量过多，要将这些烟气全部加热至280℃以上，会造成成本投入的大量增加[2]。

脱硫装置安装于电除尘器之前的是高飞灰方式，如果锅炉机组的运行正常，那么高飞灰方式能够对反应需要的温度进行满足。如果机组运行的负荷较低，也需要运用外热源。高飞灰方式需要较多的催化剂用量，这是由于其有效反应面积较小，而飞灰的含量有较大。由于飞灰的含量较高，因此其磨损量较大，一些有害物质还可能造成催化剂的中毒。相对而言，高飞灰方式是一种较为经济的方式，常用于燃煤电站。

1.1.2 选择性催化还原法的工艺流程

选择性催化还原法的工艺流程见图1。卸料压缩机会将液氮槽车中的液氮，输入到液氮储槽之中，液氮会在液氮储槽中被蒸发，成为氨气，输送管道和氨缓冲槽会将氨气输送到燃气锅炉中，氨气会与空气接触并混合，通过分布导阀进入反应器的内部。在空气预热器前放置选择性催化还原反应器，该反应器的上方会被输入氨气，运用喷雾装置，使烟气和氨气均匀地混合在一起，在通过反应器内的触媒层来对烟气产生还原反应，具体见图1。

图1 选择性催化还原法的工艺流程图

催化剂上会附着一种粘性的物质，也就是NH4HSO4阻止反应的进行。需要至少230℃的温度才能将NH4HSO4分解掉，一般情况下反应温度要达到300℃，除非燃料的含硫量较低，则可适当的降低反应温度。然而催化剂如果长期处于超过400℃的高温中，很可能会被烧结。因此在使用选择性催化还原法是应该合理的控制反应温度，以300～400℃之间为宜。

但是在满足了反应温度的要求之后，由于该装置位于除尘器之前，具有较高的飞灰浓度，催化剂之间的空隙很容易被飞灰所堵塞。因此还应该注意合理地布置催化剂，或者增设吹灰装置，使烟气流动的孔隙增大。

1.2 选择性非催化还原法

1.2.1 选择性非催化还原法的基本原理

在950～1100℃的高温烟气中喷射还原剂，常用的还原剂是尿素或者氨，利用还原剂来还原高温烟气中的NOx，使其成为N2。选择性非催化还原法的脱NOx率约为40～60%。为了提高使用效果，还可以加入增强剂。

选择性非催化还原法具有较好的脱NOx率，而且烟气中SO2的氧化率也不会有所提高，所以投资相对较少不会增加，烟气中SO3的浓度也不会有所增加。空气预热器不会由于NH3HSO4而受到腐蚀或堵塞。在锅炉内的分布性能方面，尿素相对于氨具有一定的优势，其不属于危险化学药品，只是一般化学药品，因此尿素作为还原剂的使用率较高。

1.2.2 选择性非催化还原法的工艺流程

图2是选择性非催化还原法的工艺流程示意图，其中使用的还原剂是尿素。循环模块会将贮槽中的尿素送出来，由计量泵将其送至混合器，而增压水泵会像混合器中注水。尿素与水会进行充分的混合，形成尿素稀释溶液，分配模块将溶液输送至喷射器与烟气进行反应。炉膛内的温度较高，为了避免对喷嘴造成损坏，喷嘴的外部要加设不锈钢制成的冷却空气套管，并与雾化室相连。冷却空气套管中的空气喷射应该保持低压力或低流量，不要使喷嘴和腐蚀性的烟气直接接触[3]。

2 新型燃气锅炉脱氮系统

目前选择性催化还原法大多应用于火电站等电站系统燃煤锅炉。从经济性来说，选择性催化还原法在美国、欧洲等发达国家和地区的火电厂中应用得较为广泛，这是由于其能够达到90%以上的脱硝效率，经济效益较好。

图2 选择性非催化还原法的工艺流程示意图

选择性催化还原法在火力发电机组和燃煤锅炉上的应用，需要考虑除尘器（燃煤产生废气中含有大量高温烟尘颗粒物）的工艺环节，以及除尘单元在整个工艺流程中的布置位置（高飞灰或低飞灰布置），燃气锅炉含硫量和烟尘量都很少，不需要考虑除尘工艺；火电站等大型燃煤锅炉烟气温度较高，一般可达300～500℃，而普通未经节能改造的燃气锅炉，排烟温度在160～250℃，进行节能后，烟气温度更低，一般在120～150℃左右，并且相比较柴油机废气、燃煤发电机组废气而言，锅炉废气中氮氧化物浓度较低。

基于以上两点，传统的选择性催化还原法并不适用于燃气锅炉废气脱氮。本文对一种新型燃气锅炉脱氮系统进行简要的介绍，该系统工艺流程如图3所示。

图3 新型燃气锅炉废气脱氮工艺流程示意图

本系统包括尾气排放装置、余热回收装置、SCR净化器、雾化系统、加热器、燃气锅炉，通过废气排放管道，将以上设备依次连接。一般燃气锅炉排放的废气温度都要达到160～250℃，而该系统能够运用电加热装置，将气体加热至300～350℃，然后将其输送至SCR净化器中，使用雾化系统，喷入雾化后的还原剂尿素水溶液，并使SCR净化器内部保持300～350℃的温度，从而满足废气脱氮催化温度。处理后的废气通过余热回收装置对废气热量进行回收和利用，废气温度降至90～110℃之后，通过尾气排放装置将其排除出去[4]。