火電廠脫硝系統應用技術研究

興義市上乘發電有限公司 陳文兵

1 引言

盡管新能源發電技術如太陽能、風能、水能、潮汐能和核能等得到了快速發展，但隨著電力需求的增加，這些新能源技術仍受到一些限制。因為技術尚未成熟，而且成本仍然較高，所以在未來一段時間內，新能源發電將與傳統的燃煤電站并存[1]。因此，燃煤電站仍是中國電力供應的主要來源。然而，雖然燃煤電站可以滿足電力需求，但是也帶來了環境和健康方面的問題，特別是在NOx（氮氧化物）排放方面。因此，減少燃煤鍋爐的NOx 排放成為當前應該重點關注的問題。

要解決這個問題，就不得不提到脫硝技術，其原理是通過化學反應將NOx 轉化為氮氣和水蒸氣[2]。目前，常見的脫硝技術包括選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）等。SCR技術是在催化劑的作用下，將氨氣注入煙氣中，與NOx 反應生成氮氣和水蒸氣。SNCR 技術則是直接將尿素、氨水等還原劑噴入煙氣中，與NOx 發生反應轉化為氮氣和水蒸氣。

需要注意的是，脫硝技術的應用需要考慮到燃料的不同、燃燒工況的差異和煙氣成分的變化等因素，以確保其脫硝效果和經濟性。此外，還需要對脫硝設備的運行和維護進行科學管理，以保證脫硝系統的長期穩定運行。只有在技術和管理上取得雙重突破，才能有效地降低燃煤電站的NOx 排放，從而更好地保護環境和人民的健康[3]。

鑒于目前主流的脫氮方法是 SCR 法，西安熱力研究所對這一方法進行了深入的研究，并根據這一方法，給出了一系列有益的建議，為我國煙氣脫氮技術的發展創造了良好的環境。在對燃煤發電機組的分析中發現，若 SCR 脫硝裝置無法與機組一起實現，在鍋爐的設計中，就需要為 SCR脫硝裝置預留一些空間，同時也要考慮到相應的設備和系統，以便在以后的工作中能夠更好地進行增加。

2 火電廠200MW 機組煙氣脫硝系統方案選擇

2.1 NOx 生成機理

NO、N2O3等都是火電廠排放 NO 的主要形式，在環境污染的相關研究中， NO 和 NO2都屬于常見的氮氧化物，被統稱作 NO。大部分的燃燒都會產生NO，其排放量在 NO 的排放總量中占比超過90%。當 NO 進入大氣中后，將在短時間內氧化，變為NO2。燃燒化石燃料時，通常有三種產生 NOx 的方法， 分別是熱力型、燃料型和快速型[4]。

2.1.1 燃料型 NOx

在燃料燃燒過程中，氮化合物被氧化生成NOx。煤粉的燃燒溫度較高，會在600-800℃范圍內產生大量的NOx，其中60%～80%由此產生。燃油的NOx 生成可分為兩步：第一步是含氮有機物經熱分解產生中間體，如N、CN、HCN、NH 等；第二步是將這些中間體進行氧化。煤炭的燃燒要經過兩個步驟：揮發份燃燒和焦炭燃燒[5]。生成燃料NOx 也要經過這兩個步驟：氣化氮氣的氧化（揮發份燃燒的NOx）和焦炭中氮氣的氧化（焦炭NOx）。隨著燃燒溫度的升高，揮發性氮氣的轉化速率也增加。循環流化床鍋爐的燃燒溫度不高，因此燃燒時揮發份的氮會減少。總體估算顯示，揮發份燃燒產生的NOx 量約為焦炭燃燒產生的NOx 總量的1.5倍。同時，煤粉中氧和氮的比例（O/N）也對NOx的產生有一定的影響。

在燃料燃燒生成 NOx 的過程中，周圍氧氣濃度的變化可能會影響 NOx 的形成情況。因此，控制氧氣含量對于減少燃料 NOx 的產生非常重要。調節氧氣含量和燃燒器內氧氣含量是控制氧氣含量的兩個主要方面。在燃燒試驗中，將煤粉放入空氣剩余系數小于 1.4 的條件下進行，結果顯示在這個條件下，煤粉體的轉化率上升量是氧氣含量上升量的平方。

由于燃油態 NOx 的生成溫度比熱力學態 NOx要低得多，所以在初始階段，溫度對 NOx 的生成有很大的影響。但隨著時間的推移，NOx 的生成趨于穩定。

2.1.2 快速型 NOx

快速型 NOx，也被稱為“瞬間 NOx”，指的是在高溫下，燃油中的烴類揮發并分解為 CH，與大氣中的氮氣反應，形成 HCN 和 N，然后與氧反應，快速形成 NOx。這個過程只需要 60ms，且 NOx的數量與溫度無關，但與爐壓無關。盡管此過程與溫度無關，但在大多數化石燃料中卻很少有這樣的氮氧化物存在。特別是對于大容量燃燒器來說，其作用可以忽略不計。

2.2 NOx 控制技術

火力發電廠的NOx 控制有許多種方式。常用方法包括燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后處理。目前，大部分的研究和實踐都致力于燃燒中和燃燒后的處理，燃燒前對NOx 進行控制的方法幾乎沒有。在控制燃燒設備NOx 污染時，許多國家主要關注對設備和工藝的改進以及對燃燒條件的改善。這就形成了低NOx 燃燒技術和煙氣脫硝技術，有效地降低了NOx 的排放。在這兩個領域中，煙氣脫硝技術得到了廣泛的應用，其種類也很多。根據脫硝過程中是否要加入水，以及產品的干濕程度，可將其分為濕法煙氣脫硝技術和干法煙氣脫硝技術。火電廠常用 NOx 控制方法樹狀如圖1所示。

2.2.1 燃燒前控制技術

在過濾煤、用天然氣代替煤等燃燒時，選擇含氮量較低的燃料會顯著降低燃料類NOx 的生成。同時，將燃油改為水煤漿可有效地降低燃燒強度，并能有效地控制峰值溫度，從而減少熱力學NOx的生成。此外，還可以利用助劑來達到降低排放的目的。

2.2.2 燃燒中控制技術——低 NOx 燃燒技術

通過調整燃燒狀態來降低NOx 排放的多種技術手段可以統稱為“低NOx”燃燒技術。相對于排氣排放物脫硝技術而言，低NOx 燃燒技術更為簡單易行，但其脫硝率較低，同時容易導致熱效率下降，進而引起不充分的燃燒，造成較大的熱損失。目前，采用不同的低NOx 燃燒技術可以將NOx 的生成減少20%～60%。然而，要想大幅度減少煙氣中的NOx 排放，除了對低NOx 燃燒技術進行創新，還需要利用煙氣脫硝技術。

2.2.3 燃燒后脫硝技術——煙氣脫硝技術

煙氣脫氮技術是一種利用物理化學方法來減少工業廢氣中的NOx的技術。在這個過程中，NOx 化合物被還原成為無毒的氮氣和其他化合物，而不溶于水的NO 也被氧化成可溶于水的NO2。這些產物可以通過堿性吸收劑或直接使用溶液進行吸收。該技術根據其作用原理可以分為催化還原、吸收和吸附三種類型。根據工作介質的不同，煙氣脫氮技術可以分為干法和濕法兩類。

干法脫氮是目前最常用的方法之一。相對于SO2，NOx 的化學活性要弱一些，而且在水溶液中很難被吸收。在干法脫氮中，NOx 會分解為無毒的N2和O2，這兩種副產物相對較易處理。主要的胺類還原劑對煙道氣中的NO3-具有較高的選擇性。干法脫氮中，常用的方法包括選擇性非催化還原等，而常用的吸收方法包括酸吸收法、堿吸收法等。

濕法工藝設備相對較復雜，而且污水排放量大，電力消耗量也很高。在濕法脫氮過程中，化學反應需要在液相中進行，因此必須使用吸收液。吸收液可以是酸性的、堿性的或氧化性的，具體的選擇取決于要去除的污染物。然而，濕法工藝也有其優點。由于化學反應在液相中進行，因此可以更有效地去除廢氣中的NOx 和其他污染物。此外，濕法工藝可以減少二次污染，因為副產物可以在液相中處理。在濕法脫氮中，內襯材料的選擇也很重要，因為濕法工藝可能導致內襯材料的腐蝕。處理副產物也相對困難，因為副產物可能被固化在吸收液中。因此，在選擇濕法工藝時，必須考慮到這些問題。

日本和歐洲主要使用SCR（選擇性催化還原系統）技術，可以將NOx 去除60%～80%；而美國最常使用的是一種基于選擇性非催化還原法的改良體系，可以脫除80%的NOx；最近美國開發的CARBONOx 還原技術采用活化褐煤作為還原劑，在480～560℃時，其還原率可達98%。

2.3 常用煙氣脫硝技術

煙氣脫硝法還有活性炭吸附法、微生物法、液體吸收法、 電子束法、熾熱炭還原法、反饋式氧化吸收脫硝技術、SNRB 工藝脫硝技術等。

常見的煙氣脫硝工藝對比情況詳見表1。

表1 常見的煙氣脫硝工藝對比情況

煙氣的脫硝方法包括活性炭吸附法、微生物法、液體吸附法、電子束法、燃燒碳還原法、反饋氧化吸收法、SNRB 法以及其他各種脫硝方法。目前，國內主要采用SCR 法和SNCR 法，國際上SCR 技術的應用達數百個，德國、日本等國家95%以上采用SCR 技術。該技術具有高效、技術成熟、無二次污染等優點，是一項值得推廣的新技術。

3 結語

在我國發展的過程中，除了要對燃燒生成的NOx 量進行控制和對現有技術進行研究之外，還必須對 SCR 進行更加深入的研究，以便更好地結合我國的實際情況，開展應用試點和研究工作。伴隨著經濟社會的迅速發展，對生態環境的保護就變得更加重要，特別是對鍋爐在燃燒過程中 NOx 的排放量問題，更要引起人們的重視，以保證國內電廠鍋爐環保水平更好更快地發展。