燃煤鍋爐脫硝技術的應用

張灝龍

三門峽華陽發電有限責任公司 河南三門峽 472100

1 脫硝技術

常用的脫硝技術有石灰石-石膏法、活性炭法、干法脫硝法和濕法脫硝法。石灰石-石膏技術是工業上應用最廣泛的技術。石灰石溶劑吸收塔煙氣脫除煙氣中的硫氧化物。活性炭技術是利用活性炭材料本身具有很強的吸附性能來吸附煙氣中的硫氧化物。干法脫硝技術是利用催化劑促進煤炭燃燒過程中產生的氮氧化物轉化為無害的氮和水，達到脫硝的目的。濕式脫硝技術是通過在燃燒過程中加入水或其他具有吸附能力的物質來吸收二氧化氮，從而降低二氧化氮濃度的技術[1]。

2 脫硝系統概述

某電廠2號機組為600MW燃煤汽輪發電機組，鍋爐為超臨界壓力、循環泵啟動系統、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、全鋼構架直流爐。脫硝系統采用SCR法，設計脫硝效率可達80%，催化劑層設計為兩層運行、一層備用，催化劑采用蜂窩型式。SCR法所用還原劑來自尿素水解反應器加熱生成的氨氣。SCR反應器分左右兩臺設置于省煤器出口與空預器入口之間，反應器斷面尺寸為15150mm×11100mm，高約18800mm。脫硝CEMS系統采用西克麥哈克儀器有限公司的SMC-9021系統，脫硝入口采用SICKS710煙氣分析儀，脫硝出口采用SICKGMS810煙氣分析儀。DCS控制系統采用西屋控制有限公司的Symphony集散控制系統，包括DAS、FSSS、SCS、ECS、MCS（含FSCS、FSSS等）子系統。

3 燃煤鍋爐脫硝技術的應用策略

3.1 氧化法脫硝技術

氧化脫硝是利用氧化劑將難溶于水的no氧化成易溶于水的高價NOx，如NO2、N2O3、N2O5等。然后在洗刷塔（一般為石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔或其他濕法脫硫塔）中，利用漿液液滴將NOx吸收轉化為水溶性物質，到達脫除NOx的意圖。氧化劑包含臭氧、過氧化氫和其他物質。現在，只要臭氧脫硝技能實現了工業使用。現在，臭氧脫硝技能在國電石嘴山電廠的工業使用現已完成，SCR脫硝后的煙氣進一步脫硝。對于鍋爐出口NOx濃度高、氨逸出量大、空氣預熱器阻塞嚴峻的燃煤電廠，該方法是對SCR技能的有用彌補，并能降低啟停過程中NOx的排放濃度。

現在，國內研究機構現已對臭氧的煙道噴發、混合方法、溫度操控、煙氣等要素的影響進行了模擬實驗。

臭氧脫硝技能對不同價態NOx具有較高的脫硝效率（可達90%），并能進步SO2等污染物的去除效率。它既可以作為一種獨自的脫硝技能，也可以作為傳統脫硝技能的有用彌補。氧化脫硝體系主要由臭氧發生體系、臭氧煙氣混合體系、氮氣加藥體系和高價氮氧化物吸收體系組成。

臭氧脫硝技能一方面可以通過降低SCR效率來削減氨的逸出，進而削減氨水硫酸氫在后續空氣預熱器、電除塵器、引風機等設備外表的堆積。另一方面，解決了啟停和低負荷階段的NOx排放標準問題。

因為投資大、能耗高的問題，臭氧脫硝技能在大型燃煤機組上的使用并不多見，在非電力行業的小型煙氣處理設施中有一定的使用。

該技能將導致漿液中硝酸根離子濃度大幅進步，特別是考慮到廢水排放的運轉規律，硝酸根離子濃度將高于氯離子濃度，對設備腐蝕和脫硫效率的影響有待進一步驗證。怎么處理脫硫廢水中的硝酸鹽也是一個難題。現有的旁路煙道蒸發工藝或許導致硝酸鹽的分化和NOx的再生成。

3.2 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術是通過改進燃燒設備或燃燒條件，改變空氣量、燃燒空氣的溫度等方法，減少燃燒過程中低熱力型和快速型氮氧化物的產生量，最終使排放總量中的燃料型氮氧化物占60%-80%。通過相關控制措施，可有效降低氮氧化物的排放量，一般認為效率可達到50%。

3.3 高分子脫硝技術

高分子脫硝技術形式類似于SNCR技術，采用脫硝劑是以固態高分子材料為主要成分的固態粉末，包括功能高分子還原材料、乳化劑、分散劑、緩釋劑、滲透劑以及由氧、鎂、鋁、硅、硫、鈣、鋇、錳和稀土元素等化合物組成的催化劑及其助劑。稀土元素增加催化活性，催化劑借助微孔結構的復合載體強化加氫還原活性完成加氫脫硝過程，降低燃料燃燒后的廢氣中的有害氣體NOx的排放量。

3.4 高壓細水霧單流體脫硝技術（HPS-SNCR）

高壓細水霧單流體脫硝技術（HPS-SNCR）是基于SNCR的改進方案，脫硝系統噴槍出口壓力大于10MPa，高速噴出的尿素溶液（質量分數為10%）霧粒直徑在1-10μm，高壓使還原劑霧流兼具沖擊力、穿透性和較寬的覆蓋面，可深入爐膛中心與煙氣充分混合，反應過程迅速完全，脫硝效率高且氨逃逸率低，脫硝效率可達80%。

3.5 SCR煙氣脫硝技術

SCR選用催化劑（首要是釩鎢鈦系）和還原劑（如NH3）在必定溫度（280-420℃）下將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。

每臺燃煤鍋爐一般有兩個出口，因而需要設置兩個SCR反應器。布置一般坐落省煤器與空氣預熱器之間，適合的溫度范圍一般在280℃-420℃之間。溫度下限與煤的硫含量有關，溫度上限為催化劑的燒結溫度。在建電廠需要對省煤器與空氣預熱器之間的連接煙道進行改造[2]。

在慣例規劃中，催化劑層數按2+1規劃，部分高NOx排放電廠按3+1規劃。考慮到催化劑效率下降和磨損等因素，應每三年替換一層催化劑。考慮到催化劑結垢的風險，將在每層催化劑上方安裝蒸汽吹灰器或聲波吹灰器。

氨氣的來歷可分為液氨、氨水和尿素三類。液氨的投資和運轉成本較低，但液氨的運輸和運轉存在安全隱患。現在，大多數電廠運用尿素作為還原劑，一些城市和郊區電廠運用氨。

SCR噴氨技能首要分為旋流混合技能和噴氨網格技能。前者是還原劑經過幾個噴嘴進入煙氣，氨氮經過渦流板等裝置混合均勻。后者是經過大量噴嘴將煙氣均勻注入，然后完成氨氮的均勻混合。隨著對脫硝效率和氨氮逸出量要求的不斷提高，對氨氮混合均勻性的要求也越來越高。現在，火力發電廠精氨噴吹改造大多選用兩種組合技能，即分區噴氨技能、分區測量技能和渦流混合耦合技能。

現在，因為氨氮混合均勻性差，為保證脫硝效率，普遍存在過量注氨現象。實際上，脫硝裝置出口氨氣逸出率不大于3μL/L很難到達標準要求，SCR有必定的SO2/SO3轉化率，一般小于1%。這兩種現象一起發生，導致空氣預熱器冷端氨水硫酸氫結垢和腐蝕嚴重，增加了空氣預熱器的阻力和漏風率，甚至有的電廠呈現了電除塵器極線肥壯、濾袋糊、風機葉片結垢等現象。

需要注意的是，SCR對NO2的去除效率較低，當no/NO2混合比不一起，總的脫硝效率差別很大。

3.6 脫硝系統優化方法

該電廠通過脫硝流場優化改造、氨氮一體化網格取樣測量裝置改造，增加外掛模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）系統，以實現脫硝自動控制優化。①通過在脫硝入口煙道中布置多組導流板，在水平煙道內加裝三角形大范圍混合裝置，實現煙氣大范圍混合，提高脫硝煙道NOx濃度場、溫度場在不同負荷下的均勻性。②將渦流混合型AIG更換為格柵型AIG，從而實現布氨均勻性。③將脫硝出口采樣裝置改造為氨氮一體化網格取樣測量系統，改善脫硝CEMS系統的測量結果代表性。④增加MPC，預測控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預測模型。通過算力強大的硬件及技術先進的預測控制軟件采集機組SCR參數并辨識，建立脫硝控制優化模型后進行多變量預測控制。MPC可根據模型計算獲得控制目標的預測值，并通過不停刷新“預測值”與“目標值”的偏差，確定“當前值”所需要的最優控制指令[3]。

4 結語

總而言之，在當前社會經濟快速發展的背景下，我國的工業得到了快速的發展，但在此過程中生態環境也受到了不同程度的破壞。而通過深入分析發現，導致我國當前環境污染問題日益嚴重的主要原因就是以電廠鍋爐為主的工業發展中所產生的廢氣在很大程度上破壞了自然環境，也對人們的生命健康造成了威脅。而脫硝因其高效、節能等諸多的優點而逐漸應用于電廠鍋爐的相關工作當中，文章主要對干法、半干法以及濕法的技術進行了深入的分析，從中發現，這些技術可以在很大程度上保證電廠鍋爐脫硝以及除塵工作的效率和質量，這就為日后空氣質量的提升以及電廠的環保發展奠定了基礎。