燃氣鍋爐廢氣脫氮方法研究

成國棟，王 志（中國航天建設(shè)集團有限公司，北京100000）

燃氣鍋爐廢氣脫氮方法研究

成國棟，王 志（中國航天建設(shè)集團有限公司，北京100000）

在具體的燃燒過程中鍋爐通常會將大量的氮氧化物排放出來，其會導(dǎo)致十分嚴(yán)重的污染問題。為了能夠更好的保護人類的生存和發(fā)展環(huán)境，我國已經(jīng)開始嚴(yán)格控制這種物質(zhì)的排放，同時對氮氧化物的重點控制已經(jīng)明確的納入到“十二五”規(guī)劃中。為此，在燃氣鍋爐的生產(chǎn)中必須要認真做好廢氣的脫氮處理工作，積極的改進廢氣處理的技術(shù)手段，不斷地提升廢氣脫氮的效果。

燃氣鍋爐；廢氣脫氮；技術(shù)

引言

近年來，我國很多城市的NOx污染變得越來越惡化，甚至出現(xiàn)了大面積的區(qū)域性NOx污染。與此同時，在酸雨污染中NOx也變得越來越嚴(yán)重，硫酸和硝酸復(fù)合型的酸雨已經(jīng)變成了主要的酸雨類型，其主要原因就是我國在對SO2排放進行嚴(yán)格控制的同時，并沒有對NOx的排放量進行有效控制。目前，京津冀地區(qū)多數(shù)燃煤、燃氣鍋爐NOx排放不達標(biāo)，面臨淘汰或改造。在這一背景下，針對燃氣鍋爐的廢氣進行脫氮處理具有十分重要的意義。

1 鍋爐廢氣脫氮的常用方法

立足于低NOx燃燒技術(shù)，當(dāng)前常用的脫氮方法有選擇性催化還原法（又被稱為SCR脫硝）和選擇性非催化還原法（又被稱為SNCR脫硝），主要用于燃煤鍋爐廢氣處理。

1.1 選擇性催化還原法

1.1.1 選擇性催化還原法的基本原理

當(dāng)前技術(shù)相對成熟、應(yīng)用有比較廣泛的煙氣脫硫技術(shù)，使選擇性催化還原煙氣脫硝法。這種技術(shù)的基本原理是運用高溫?zé)煔饷撓跹b置來進行脫硝，脫硝劑一般為氨氣。通過脫硝劑的作用，煙氣中的NOx會被分解成為水和氮氣，從而降低整個煙氣中的NOx的含量。選擇性催化還原法的溫度范圍是280～420℃，在該溫度范圍內(nèi)該方法能夠發(fā)揮較好的作用。假設(shè)NH3/NO為1，該方法的脫硝效率達到80～90%[1]。

事實上，煙氣中的NOx濃度并不高，但是煙氣往往具有較大的體積，因此選擇性催化還原脫硝裝置必須配備高性能的催化劑，保障燃氣鍋爐運行的安全性和可靠性。

選擇性催化還原法，具有兩種不同的布置方式，為低飛灰和高飛灰，二者各有優(yōu)缺點。脫硫裝置安裝于煙氣脫硫裝置或除塵器之后的是低飛灰方式。其優(yōu)點在于一套脫硫裝置可以供幾臺鍋爐共同使用，而且可以有效地除掉飛灰中的有害物質(zhì)，使催化劑的使用壽命得以延長，減小磨損量和飛灰的含量，同時可以減少柵格的橫截面積，減少催化劑的用量，增加有效反應(yīng)面。但是低飛灰方式具有較低的煙氣溫度出口的溫度，一般不超過130℃，為了使其能夠達到相應(yīng)的溫度范圍，必須安裝外加熱源，因此僅適用于小型工業(yè)鍋爐。如果鍋爐的機組較大，產(chǎn)生的煙氣量過多，要將這些煙氣全部加熱至280℃以上，會造成成本投入的大量增加[2]。

脫硫裝置安裝于電除塵器之前的是高飛灰方式，如果鍋爐機組的運行正常，那么高飛灰方式能夠?qū)Ψ磻?yīng)需要的溫度進行滿足。如果機組運行的負荷較低，也需要運用外熱源。高飛灰方式需要較多的催化劑用量，這是由于其有效反應(yīng)面積較小，而飛灰的含量有較大。由于飛灰的含量較高，因此其磨損量較大，一些有害物質(zhì)還可能造成催化劑的中毒。相對而言，高飛灰方式是一種較為經(jīng)濟的方式，常用于燃煤電站。

1.1.2 選擇性催化還原法的工藝流程

選擇性催化還原法的工藝流程見圖1。卸料壓縮機會將液氮槽車中的液氮，輸入到液氮儲槽之中，液氮會在液氮儲槽中被蒸發(fā)，成為氨氣，輸送管道和氨緩沖槽會將氨氣輸送到燃氣鍋爐中，氨氣會與空氣接觸并混合，通過分布導(dǎo)閥進入反應(yīng)器的內(nèi)部。在空氣預(yù)熱器前放置選擇性催化還原反應(yīng)器，該反應(yīng)器的上方會被輸入氨氣，運用噴霧裝置，使煙氣和氨氣均勻地混合在一起，在通過反應(yīng)器內(nèi)的觸媒層來對煙氣產(chǎn)生還原反應(yīng)，具體見圖1。

圖1 選擇性催化還原法的工藝流程圖

催化劑上會附著一種粘性的物質(zhì)，也就是NH4HSO4阻止反應(yīng)的進行。需要至少230℃的溫度才能將NH4HSO4分解掉，一般情況下反應(yīng)溫度要達到300℃，除非燃料的含硫量較低，則可適當(dāng)?shù)慕档头磻?yīng)溫度。然而催化劑如果長期處于超過400℃的高溫中，很可能會被燒結(jié)。因此在使用選擇性催化還原法是應(yīng)該合理的控制反應(yīng)溫度，以300～400℃之間為宜。

但是在滿足了反應(yīng)溫度的要求之后，由于該裝置位于除塵器之前，具有較高的飛灰濃度，催化劑之間的空隙很容易被飛灰所堵塞。因此還應(yīng)該注意合理地布置催化劑，或者增設(shè)吹灰裝置，使煙氣流動的孔隙增大。

1.2 選擇性非催化還原法

1.2.1 選擇性非催化還原法的基本原理

在950～1100℃的高溫?zé)煔庵袊娚溥€原劑，常用的還原劑是尿素或者氨，利用還原劑來還原高溫?zé)煔庵械腘Ox，使其成為N2。選擇性非催化還原法的脫NOx率約為40～60%。為了提高使用效果，還可以加入增強劑。

選擇性非催化還原法具有較好的脫NOx率，而且煙氣中SO2的氧化率也不會有所提高，所以投資相對較少不會增加，煙氣中SO3的濃度也不會有所增加。空氣預(yù)熱器不會由于NH3HSO4而受到腐蝕或堵塞。在鍋爐內(nèi)的分布性能方面，尿素相對于氨具有一定的優(yōu)勢，其不屬于危險化學(xué)藥品，只是一般化學(xué)藥品，因此尿素作為還原劑的使用率較高。

1.2.2 選擇性非催化還原法的工藝流程

圖2是選擇性非催化還原法的工藝流程示意圖，其中使用的還原劑是尿素。循環(huán)模塊會將貯槽中的尿素送出來，由計量泵將其送至混合器，而增壓水泵會像混合器中注水。尿素與水會進行充分的混合，形成尿素稀釋溶液，分配模塊將溶液輸送至噴射器與煙氣進行反應(yīng)。爐膛內(nèi)的溫度較高，為了避免對噴嘴造成損壞，噴嘴的外部要加設(shè)不銹鋼制成的冷卻空氣套管，并與霧化室相連。冷卻空氣套管中的空氣噴射應(yīng)該保持低壓力或低流量，不要使噴嘴和腐蝕性的煙氣直接接觸[3]。

2 新型燃氣鍋爐脫氮系統(tǒng)

目前選擇性催化還原法大多應(yīng)用于火電站等電站系統(tǒng)燃煤鍋爐。從經(jīng)濟性來說，選擇性催化還原法在美國、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)的火電廠中應(yīng)用得較為廣泛，這是由于其能夠達到90%以上的脫硝效率，經(jīng)濟效益較好。

圖2 選擇性非催化還原法的工藝流程示意圖

選擇性催化還原法在火力發(fā)電機組和燃煤鍋爐上的應(yīng)用，需要考慮除塵器（燃煤產(chǎn)生廢氣中含有大量高溫?zé)焿m顆粒物）的工藝環(huán)節(jié)，以及除塵單元在整個工藝流程中的布置位置（高飛灰或低飛灰布置），燃氣鍋爐含硫量和煙塵量都很少，不需要考慮除塵工藝；火電站等大型燃煤鍋爐煙氣溫度較高，一般可達300～500℃，而普通未經(jīng)節(jié)能改造的燃氣鍋爐，排煙溫度在160～250℃，進行節(jié)能后，煙氣溫度更低，一般在120～150℃左右，并且相比較柴油機廢氣、燃煤發(fā)電機組廢氣而言，鍋爐廢氣中氮氧化物濃度較低。

基于以上兩點，傳統(tǒng)的選擇性催化還原法并不適用于燃氣鍋爐廢氣脫氮。本文對一種新型燃氣鍋爐脫氮系統(tǒng)進行簡要的介紹，該系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。

圖3 新型燃氣鍋爐廢氣脫氮工藝流程示意圖

本系統(tǒng)包括尾氣排放裝置、余熱回收裝置、SCR凈化器、霧化系統(tǒng)、加熱器、燃氣鍋爐，通過廢氣排放管道，將以上設(shè)備依次連接。一般燃氣鍋爐排放的廢氣溫度都要達到160～250℃，而該系統(tǒng)能夠運用電加熱裝置，將氣體加熱至300～350℃，然后將其輸送至SCR凈化器中，使用霧化系統(tǒng)，噴入霧化后的還原劑尿素水溶液，并使SCR凈化器內(nèi)部保持300～350℃的溫度，從而滿足廢氣脫氮催化溫度。處理后的廢氣通過余熱回收裝置對廢氣熱量進行回收和利用，廢氣溫度降至90～110℃之后，通過尾氣排放裝置將其排除出去[4]。

3 結(jié)語

燃氣鍋爐廢氣相比較柴油機廢氣、燃煤發(fā)電機組廢氣而言其污染物種類和濃度均有較大差別，因此傳統(tǒng)選擇性催化還原法在燃氣鍋爐脫氮上的應(yīng)用仍需繼續(xù)進行深入研究和實踐。

[1]王開和.哈密基地鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)研究[J].區(qū)域供熱，2016（05）.

[2]焉海波.火電廠鍋爐煙氣脫硫脫氮技術(shù)分析[J].科技與創(chuàng)新，2016（08）.

[3]魏中華，孫珮石，鄒 平，畢曉伊，姜 閱，任洪強，王艷茹.稀土元素對生物塔煙氣同時脫硫脫氮的強化作用[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016（04）.

[4]徐鐵華，王 龍.基于尿素法的火電廠鍋爐煙氣脫硫脫氮技術(shù)[J].通訊世界，2016（05）.

X701

A

2095-2066（2016）32-0011-02

2016-11-1

成國棟（1987-），男，山西呂梁人，工程師，碩士研究生，研究方向為環(huán)境工程、環(huán)境影響評價。

王 志（1972-），男，山東濰坊人，研究員，本科，研究方向為環(huán)境工程環(huán)境影響評價。