環境保護與發電廠煙氣脫硝技術研究

摘要:煙氣脫硝是實現NOx減排的具體有效的措施,文章介紹了幾種被廣泛應用的煙氣脫硝方法:選擇性催化還原法(SCR),選擇性非催化還原法(SNCR),聯合脫硫脫硝技術。隨著環保要求的提高,煙氣脫硝勢在必然。

關鍵詞:大氣污染;煙氣脫硝;聯合脫硫脫硝

中圖分類號:X701文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)35-0154-02

環境保護是我國的基本國策。在我國煤炭蘊藏量大,能源結構以煤為主,我國煤炭占一次能源消費總量的75%。然而煤在燃燒過程中產生大量的灰渣、氮氧化物、二氧化硫等污染物。燃煤產生的大氣污染物占污染物排放總量的比例較大,其中二氧化硫占87%、氮氧化物占67%、一氧化碳占67%、煙塵占60%。這些污染物造成的酸雨、溫室效應和臭氧層破壞等環境污染,嚴重地影響了人類的居住環境。為控制燃煤電廠的氮氧化物排放,我國采取了一系列措施發展清潔發電技術,重點實現高效、低污染的目標。

目前在我國應用的脫硝技術分為兩類:一類是煙氣脫硝技術;另一類是低NOx燃燒技術。煙氣脫硝技術以其高的脫除率,是目前發展應用的主要趨勢。

一、NOx的形成原因和控制方法

在火電機組排放的多種大氣污染物中,氮氧化物是受到世界極大關注的一種污染物。氮氧化物的排放對人體的致毒作用、對植物的損害以及對酸雨及光化學煙霧的形成、對臭氧層的破壞所起的作用已經得到了科學的證明。

(一)NOx的生成機理

在化石燃料的燃燒過程中,NOx的生成通過三種機理,三種機理所生成的NOx分別稱作燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。

1.燃料型NOx 。燃料本身所含氮的有機物在高溫下釋放出氮和氧化合生成的NOx,稱作燃料型NOx。在煤粉爐中,煤在燃燒時產生的NOx總量中約70%～80%是來自燃料型NOx。

2.熱力型NOx。燃燒時空氣中的氮氣在高溫下氧化生成的NOx,稱作熱力型NOx。熱力型NOx形成的主要控制因素是溫度,溫度對熱力型NOx的生成速率的影響呈指數函數關系。

3.快速型NOx。氮氫燃料在燃料過多時燃燒所產生的NOx,稱作快速型NOx。

(二)NOx的控制方法

有關NOx的控制方法有幾十種之多,這些方法大體上可以分為兩大類:一級污染預防措施和二級污染預防措施。

1.一級污染預防措施。一級污染預防措施是指在NOx生成前的所有控制措施。一級污染預防措施主要是通過改進燃燒方式減少NOx的生成量。燃燒方式的改進通常是一種相對簡便易行的減少NOx排放的措施,但這種措施會帶來燃燒效率的降低,不完全燃燒損失的增加,而且NOx的脫除率也不夠高,隨著環保要求的不斷提高,燃燒后的處理越來越成為重要而必然之勢。

2.二級污染預防措施。二級污染預防措施是指在NOx生成后的控制措施,即對燃燒后所產生的煙氣進行脫氮處理,又稱煙氣脫硝。煙氣凈化技術的特點是將在爐內燃燒過程中已生成的氣體污染物,通過煙氣處理的技術措施來大大降低氮氧化物排放量,這類煙氣凈化裝置能大幅度地降低燃煤鍋爐煙氣中氮氧化物的排放濃度。

二、煙氣脫硝工藝分類

煙氣脫硝是用反應吸收劑與煙氣接觸,以除去或者減少煙氣中的NOx的工藝過程。煙氣脫硝技術是在低氮燃燒技術的基礎上,進一步降低氮氧化物排放污染的一個主要技術措施。

目前,已經研制開發的煙氣脫硝工藝有50余種,大致可歸納為干法煙氣脫硝和濕法煙氣脫硝。無論是干法還是濕法依據脫硝反應的化學機理,又可以分為還原法、分解法和吸附法等。

(一)干法煙氣脫硝技術

干法脫硝技術的特征是用氣態反應劑使煙氣中的NOx還原為N2和H2O。主要有選擇性催化還原法、非選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法,其中選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法在世界上被廣泛應用。

干法脫硝的主要特點為:反應物質是干態。多數工藝需采用催化劑,并要求在較高溫度下進行,因此,該類煙氣處理工藝不會引起煙氣溫度的顯著下降,無須煙氣再加熱系統。

1.選擇性催化還原法(SCR)。用氨(NH3)作為還原劑,在催化劑的存在下,將煙氣中的NOx還原成N2,脫硝率可以達到90%以上,根據所采用的催化劑不同,其適應的反應溫度范圍也不同,一般為300℃～340℃。由于所采用的還原劑NH3只與煙氣中的NOx發生反應,而一般不與煙氣中的氧發生反應,所以,將這類選擇性的化學反應稱為選擇性催化還原法。在眾多的脫硝技術中,選擇性催化還原法(SCR)是脫硝效率最高,最為成熟的脫硝技術。1975年在日本建立了第一個SCR系統的示范工程,其后SCR技術得到了廣泛應用,其NOx的脫除率可達到80%～90%。SCR方法已成為目前國內外電站脫硝比較成熟的主流技術。

2.非選擇性催化還原法(NSCR)。用CH4、CO或H2等作為還原劑,在煙溫550℃～800℃范圍內及催化劑的作用下,將NOx還原成N2。但是這類還原劑除了與煙氣中的NOx反應以外,還與煙氣中的殘余氧反應,生成水和二氧化碳,因此還原劑的消耗量比選擇性催化還原法高出4～5倍。另外,該反應放出的熱量使煙氣溫度上升。這兩種還原NOx的方法均以催化反應為主要特征,因此都需要在煙道的合適位置設置催化反應器,系統比較復雜。

3.選擇性非催化還原法(SNCR)。在不采用催化劑的條件下,將氨作為還原劑還原NOx的反應只能在950℃～1100℃這一溫度范圍內進行,因此,需將氨氣噴射注入爐膛出口區域相應溫度范圍內的煙氣中,將NOx還原為N2和H2O,也稱為高溫無催化還原法或爐膛噴氨脫硝法。如果加入添加劑,可以擴大其反應溫度范圍。當以尿素為還原劑時,脫硝效果與氨相當,但其運輸和使用比NH3安全方便。但是,當采用尿素作還原劑時,可能會有N2O生成。

這類脫硝方法的脫硝效率為40%～60%,而且對反應所處的溫度范圍很敏感。該法的主要特點是無須采用催化反應器,系統簡單。

選擇性非催化還原法(SNCR)也是當前世界上一種成熟的氮氧化物控制技術。目前在火力發電行業,SNCR是僅次于SCR而被廣泛應用的煙氣脫硝工藝。選擇性非催化還原工藝比較適用于煙氣的NOx含量和所需還原率都較低的燃燒設備的煙氣治理,是一種NOx的脫除率和費用均低于SCR法的脫硝方法。

(二)濕法煙氣脫硝技術

由于鍋爐排煙中的NOx主要是NO,而NO極難溶于水,所以,采用濕法脫除煙氣中的NOx時,不能像脫除SO2一樣采用簡單的直接洗滌方法進行吸收。必須先將NO氧化為NO2,然后再用水或其他吸收劑進行吸收脫除。

濕法脫硝的工藝過程包括氧化和吸收,并反應生成可以利用或無害的物質,因此必須設置煙氣氧化、洗滌和吸收裝置,工藝系統比較復雜,濕法脫氮大多具有同時脫硫的效果。濕法的主要特點是:脫氮反應的局部或全部過程在濕態下進行,需使煙氣增濕、降溫,因此,一般需將脫氮后的煙氣除濕和再加熱后經煙囪排放至大氣。主要有氣相氧化液相吸收法、液相氧化吸收法等。

(三)煙氣脫硝技術新趨勢

1.催化分解法。理論上,NO分解成N2和O2是熱力學上有利的反應,NO→1/2N2+1/2O2,但該反應的活化能高達364kJ/mol,需要合適的催化劑來降低活化能,才能實現分解反應。由于該方法簡單,費用低,被認為是最有前景的脫氮方法,目前尚處于研究階段。

2.生物法處理。生物法處理的實質是利用微生物的生命活動將NOx轉化為無害的無機物及微生物的細胞質。由于該過程難以在氣相中進行,所以氣態的污染物先經過從氣相轉移到液相或固相表面的液膜中的傳質過程,可生物降解的可溶性污染物從氣相進入濾塔填料表面的生物膜中,并經擴散進入其中的微生物組織。然后,污染物作為微生物代謝所需的營養物,在液相或固相被微生物降解凈化。

3.聯合脫硫脫硝。進入新的世紀,人們逐漸認識到單獨使用脫硫脫硝技術,設備復雜,占地面積大,投資和運行費用高,而使用脫硫脫硝一體化工藝則結構緊湊,投資和運行費用低,為了降低煙氣凈化的費用,適應電廠的需要,開發聯合脫硫脫硝的新技術、新設備已成為煙氣凈化的趨勢。

對聯合脫硫脫硝技術的分類很多,目前較通用的分類方法是按照處理的過程,可分為兩大類:一類是爐內燃燒過程中同時脫硫脫硝技術。這類方法共同的特點是通過控制燃燒溫度來減少NOx的生成,同時利用吸收劑來吸收燃燒過程中產生的SO2,來控制NOx和SO2的排放。另一類是燃燒后煙氣聯合脫硫脫硝技術,具有實際應用價值的有:活性炭法、電子束輻照氨法等。

脫硫脫硝技術能夠在一個過程內實現煙氣中SO2和NOx的同時脫除,但目前在我國相關研究大都處于實驗室研究階段,離工業應用尚有一定距離。

目前被應用的有活性炭聯合脫硫脫硝,電子束輻照氨法聯合脫硫脫硝等。

三、結語

電力行業(尤其是火電)將是中國未來20年能源行業發展最快的行業。火電行業未來20年削減氮氧化物將直接影響國家氮氧化物和二氧化硫總量控制目標的實現。電力污染控制將是中國酸雨和氮氧化物污染控制的重點。我國要立足于解決好國內環境與發展問題,在加快發展中積極防治污染,加快燃煤電廠脫硝治理。建議以排污收費制度和排污交易為基本政策組合方向;實施嚴格的電力行業排放標準;引入發電排放績效管理機制;推行電廠環境信息公告制度;加強監督管理能力的建設等。全面運用市場經濟手段控制污染,促進能源的可持續發展。

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作者簡介:陳曦梅(1972- ),女,湖南望城人,長沙電力職業技術學院動力工程系副教授,研究方向:熱能動力工程教學。