燃燒過(guò)程中的煙氣脫硝

1、燃燒過(guò)程中的煙氣脫硝陳坤（長(zhǎng)沙理工大學(xué)集控 1102 班）摘 要 : 火電廠燃煤中排放的氮氧化物 （ NOx ） 是造成大氣污染的主要成分 , 如何經(jīng)濟(jì)有效地控制燃煤中S02和NOx的排放量是我國(guó)乃至世界節(jié)能減排領(lǐng)域中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。文章綜述了國(guó)內(nèi)外火電廠脫硫脫硝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用、 脫硫脫硝一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) , 著重介紹了世界上主要脫硝技術(shù)的分類、 技術(shù) 特點(diǎn)和應(yīng)用 , 包括聯(lián)合脫硫脫硝、同時(shí)脫硫脫硝在內(nèi)的脫硫脫硝一體化原理、特 點(diǎn)和應(yīng)用前景 , 對(duì)火電廠脫硝和脫硫脫硝一體化技術(shù)的應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；燃煤火力發(fā)電廠；氮氧化物（NOx ）;脫硝（脫氮）；低NOx 燃燒

2、; 煙氣脫硝 ; 脫硫脫硝一體化 ;聯(lián)合脫硫脫硝 ; 同時(shí)脫硫脫硝1. 引言煤炭是一種重要的能源資源 , 當(dāng)今世界上電力產(chǎn)量的 60%是利用煤炭資源 生產(chǎn)的。中國(guó)又是一個(gè)燃煤大國(guó) , 一次能源能源 76%是煤炭, 到2005 年我國(guó)煤 年產(chǎn)量達(dá)20億t,其中一半用于燃煤電廠，燃煤發(fā)電量約占全國(guó)總發(fā)電量的70% 左右。煤燃燒排放煙氣中含有硫氧化物 SOX （ 主要包括： SO2、SO3 ） 和氮氧化 物 NOx （主要包括:NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5 ）,其中 SO2、NO 和NO2 是大氣污染的主要成分 , 也是形成酸雨的主要物質(zhì)。脫硫 （ Desulfurizat ion ）

3、、 脫硝（Den it rif icatio n）（亦稱脫硫脫氮）是除去或減少燃煤過(guò)程中的SO2和NOx ,如何經(jīng)濟(jì)有效地控制燃煤中SOX和NOx的排放量是我國(guó)乃至世界節(jié)能減排領(lǐng)域中急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 本文主要闡述火電廠脫硝技術(shù)和脫硫脫硝一體 化的發(fā)展趨勢(shì) , 有助于推動(dòng)我國(guó)火電廠脫硝和脫硫脫硝一體化技術(shù)的應(yīng)用 , 以減 少燃煤電廠氮氧化物 NOx 的排放。氮氧化物排放量 NOx 排放量近 70% 來(lái)自于 煤炭的直接燃燒 , 火力發(fā)電廠是 NOx 排放的主要來(lái)源之一 , 其中染大氣的主要 是N O和N O2。降低N Ox的污染主要有二種措施：一是控制燃燒過(guò)程中NOx 的生成 , 即低 NOx

4、 燃燒技術(shù) , 亦稱一級(jí)脫氮技術(shù) ; 二是對(duì)生成的 NOx 進(jìn)行處理 , 即煙氣脫硝技術(shù) ,亦稱二級(jí)脫氮技術(shù)。目前低 NOx 燃燒技術(shù)主要有二段燃燒法、 爐內(nèi)脫氮 （ 三段燃燒 ） 、煙氣循環(huán)法和低 NOx 燃燒器等 , 而煙氣脫硝是近期內(nèi) NOx 控制中最重要的方法 , 目前脫氮效率最高、最為成熟的技術(shù)是選擇性了一 個(gè)新興的節(jié)能產(chǎn)業(yè) , 出現(xiàn)了專業(yè)的節(jié)能企業(yè) ,產(chǎn)業(yè)的疆域在不斷延伸 , 市場(chǎng)規(guī)模 日益擴(kuò)大。 盡管尚缺乏權(quán)威的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) , 但可從美、加節(jié)能市場(chǎng)的情況窺其一斑 ： 美國(guó)有專業(yè)節(jié)能企業(yè) 2 100 多家, 僅紐約州的營(yíng)業(yè)額就達(dá) 85. 5 億美元 ; 加拿大 的節(jié)能服務(wù)市場(chǎng)則達(dá) 2

5、00 多億加元。2. 國(guó)內(nèi)外 NOx 排放標(biāo)準(zhǔn)自 20 世紀(jì) 70 年代初日本和美國(guó)率先實(shí)施控制 SO2 排放戰(zhàn)略以來(lái)， 許多國(guó) 家相繼制定了嚴(yán)格的 SO2 排放標(biāo)準(zhǔn) （表 1-5）和中長(zhǎng)期控制戰(zhàn)略，加速了控制 SO2 的步伐，大大促進(jìn)了有關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展，使 SO2 排放在短短的十多年問(wèn)，得 到了大幅度的削減。與 SO2 排放控制戰(zhàn)略相比， NOx 排放控制相對(duì)較晚，但到90 年代初，發(fā)達(dá)國(guó)家均制定出嚴(yán)格的 NOx 排放標(biāo)準(zhǔn)，如表 1-6 所示査|吋9r排曲標(biāo)準(zhǔn)斷建電廠MW理舟電rMW押故杯牌【帕ni' fifttiarMWAIN電廠/MW搏觸標(biāo)？1/ < mg.' m

6、1)5W MG#mi50"-3<M>650fKJ * 3003oo3OT-S0Q300MOOA J(H1200>5002>0比機(jī)'llto儷GO *300酣口M *.ilMi由oSl!i>3<K)6S0>560>5N>10Al f* 4fio(PKlft72()燦*人<3(X1核桃轉(zhuǎn)>50>30Cuoo世克>s>5題V30C*zoo1010 (JftW)>300100>502如?M?5葬蘭> )Q0佃4的佈）的G和、）50* J 50>50«50、曲丨薛>

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8、燃燒法、二段燃燒法、煙 氣再循環(huán)法等，這種技術(shù)費(fèi)用較低，脫硝率不高，而且一些低Nq燃燒技術(shù)和設(shè)備有時(shí)會(huì)降低燃燒效率，造成不完全燃燒損失增加，設(shè)備規(guī)模隨之增大。燃燒后 脫氮主要指煙氣脫硝技術(shù)，脫硝率較高，是近 10年內(nèi)N（L控制措施中最重要的方法。按脫硝劑及脫硝產(chǎn)物在反應(yīng)過(guò)程中的干濕狀態(tài)可分為干法、濕法、和干 濕結(jié)合法三大類； 干法可分為選擇性催化還原法、 選擇性非催化還原法、 吸附法、 高能電子活化法； 濕法可分為水吸收法、 絡(luò)合吸收法、 稀硝酸吸收法、 氨吸收法、 亞硫酸銨法、 弱酸眭尿素吸收法等； 干一濕結(jié)合法是催化氧化和相應(yīng)的濕法結(jié)合 而成的一種脫硝方法。按煙氣脫硝工藝的不同可分為氣相反

9、應(yīng)法、液相吸收法、吸附法、液膜法 和微生物法等幾類。 氣相反應(yīng)法又包括三類： 一是電子束法和脈沖電暈等離子體 法；二是選擇性催化還原法、 選擇性非催化還原法和熾熱碳還原法； 三是低溫常 壓等離子體分解法等。第一類是利用高能電子產(chǎn)生的自由基將NO 氧化為 N02 ，再與 H2O 和 NH3 作用生成 NH4NO3 并加以回收利用，可同時(shí)脫硫脫硝；第二 類是在催化或非催化條件下，用 NH3 、C 等還原劑將 N 晚還原為無(wú)害 N2 的方 法；第三類則是利用超高壓窄脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能活性粒子撞擊 NOx 分子， 使其化學(xué)鍵斷裂分解為 O2 和 N2 的方法。以上方法中，脈沖電暈等離子體法和 分解

10、法處于試驗(yàn)階段。表 1-1 為各種煙氣脫硝工藝的比較憂験慮jr適合排氣g大”二氏污星小，津住故皐n*設(shè)80K-30HSNCR詢合拮大不川權(quán)讓科*世如遠(yuǎn)打懵用少* >H，HJ 出6有二撫耨卑+雉以黑旺用直盧和停 WirtM較Itt工Z；設(shè)眷報(bào)*般粧夕*有回吹匚姑A吐做*悵，|F鞫+上畫岬. HttntfflR方袪不適干址耳整煤電廠"牧低工藝設(shè)*離單.用慨. 胳' 無(wú)二庭何Sb 生耳冷豪件JtLHMf 仍址f研兗前啓ft悟性冋時(shí)IrfikNtLWSOf*遠(yuǎn)行檢 jam.莊et料用僵事A適用菴幫號(hào)大同時(shí)覘長(zhǎng)段鞘無(wú)二武再運(yùn)荷豪用高S5%高3.1濕法煙氣脫硝技術(shù)液體吸收法煙氣脫硝

11、又可稱為濕法煙氣脫硝，主要包括水吸收法、酸性吸收 法、堿中和吸收法、氧化吸收法、液相還原吸收法等。液體吸收法煙氣脫硝工藝 技術(shù)要點(diǎn)如表1 2所示，這些脫硝方法消耗大量吸收劑，吸收產(chǎn)物會(huì)造成二次 污染，我國(guó)化工行業(yè)廢氣處理常采用這些方法， 對(duì)NO中以NO為主的燃煤煙氣 不太適合。從表1-2中也可以看出，濕法脫除NOx的困難在于NO的惰性，NOx脫除 的立足點(diǎn)是強(qiáng)化NO的吸收。絡(luò)合吸收法就是一種強(qiáng)化吸收 NO的方法。m-i港體聰收廉Air酸確工藝技術(shù)要點(diǎn)翼確丄藝tt伙點(diǎn)水«««用水世吸陵制対hXh璉杼«£收辜低忸可小*申覽養(yǎng)術(shù)不翦的耳件，不俺 小i

12、titw）為電詡sie龍性收繪（等件為駐收荊時(shí)？*）”鐵肓恂理直牧棘牝?qū)W>»牧.可織冋臨消琵常力綾大fflXriJU, N*jS（. C.（l）ilJfh NH.OH收笊時(shí) *）進(jìn)和代律乘枚對(duì)會(huì)NO聯(lián)導(dǎo)的旳崖弋律憂處事鱉3.2 干法煙氣脫硝技術(shù)1選擇性非催化還原法 SNCR(Selective Non-Catalytic Redction) 選擇性非催化還原是向煙氣中噴氨或尿素等含有NH ?；倪€原劑，在8501100 C范圍內(nèi)沒(méi)有催化劑還原 Nq的方法。還原劑迅速熱分解和煙氣中的 Nq 反應(yīng)，迅速生成 N2 和 H2o 。最重要的化學(xué)反應(yīng)方程式是氨為還原劑： 4NH3+6NO

13、 一 5N2+6H20(1 一 1)該反應(yīng)主要發(fā)生在950 C的溫度范圍內(nèi)，這是一個(gè)可逆的反應(yīng)，當(dāng)溫度更高，超過(guò)反應(yīng)溫度時(shí)，氨就會(huì)被氧化成 Nq。尿素為還原劑：4NH3+502 4No+6H20(1 2)(NH4)2Co 一 2NH2+CO(1 3)NH2+No N2+H20(1 4)No+Co N2+C02(1 5)在 SNCR 還原 NOx 的過(guò)程中，由于煙氣中的 02 濃度一般比 Nq 濃度高許 多，要耗去大量的還原性氣體； 由于采用不同燃料氣作為還原劑， 其起燃溫度不 同，要求的預(yù)熱溫度也不同；實(shí)際運(yùn)行時(shí)脫氮效率也較低，通常當(dāng)NH3NO3摩爾比為 1 2 1 5 時(shí)，脫硝效率只有 35

14、 45。SNCR 在國(guó)外有較為廣泛的應(yīng)用，該方法以爐膛為反應(yīng)器，可通過(guò)對(duì)鍋爐 的改造加以實(shí)現(xiàn)。sNcR技術(shù)的應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題：SNCR工藝中氨的利 用率不高，為了還原 NO3 必然使用過(guò)量的氨，容易形成過(guò)量的氨逃逸，氨逃逸 會(huì)造成環(huán)境的污染并形成銨鹽，可能堵塞和腐蝕下游設(shè)備；形成溫室氣體NzO,研究表明用尿素作還原劑要比用氨作還原劑產(chǎn)生更多的 N : o；如果運(yùn) 行控制不適當(dāng)， 用尿素作還原劑時(shí)可能造成較多的 CO 排放，這是因?yàn)榈蜏啬蛩?溶液噴人爐膛內(nèi)的高溫氣流引起淬冷效應(yīng)， 造成燃燒中斷，導(dǎo)致 CO 排放的增加； 在鍋爐過(guò)熱器前大于800 C的爐膛位置噴人低溫尿素溶液，必然影響熾熱煤炭

15、 的繼續(xù)燃燒，引發(fā)飛灰含碳量提高的問(wèn)題。2碳盾固體還原法碳質(zhì)固體還原法利用碳為還原劑還原煙氣中的 NO3，屬于無(wú)催化劑非選擇性還 原法。當(dāng)氣源中 02 含量較高時(shí)， 雖然碳消耗量很大， 但 02 和 Nq 與碳的反應(yīng)都 是放熱反應(yīng)， 消耗定量的碳所放出的熱量與普通燃燒過(guò)程基本相同， 這部分反應(yīng) 熱量可以回收利用。當(dāng)煙氣中存在 O2 時(shí)， 02 與碳反應(yīng)生成 CO， CO 也能還原 NOx。4. 煙氣脫硝技術(shù)煙氣脫硝技術(shù)也有濕法脫硝和干法脫硝之分 , 主要有氣相反應(yīng)法、 液體吸 收法、吸附法、液膜法、微生物法等幾類。4.1 氣相反應(yīng)法包括 3 類:4.1.1 電子束照射法和脈沖電暈等離子體法 ,

16、 是利用高能電子產(chǎn)生自由基將NO氧化為NO2 ,再與H20和NH3作用生成NH4N 03化肥并加以回收的方 法。4.1.2 選擇性催化還原法、選擇性非催化性還原法和熾熱碳還原法 , 是在 催化或非催化條件下,用NH3、C等還原劑將NOx還原為無(wú)害N2的方法。4.1.3 低溫常壓等離子體分解法 , 利用超高壓窄脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能 活性粒子撞擊N Ox分子,使其化學(xué)鏈斷裂分解為02和N2的方法。4.2 液體吸收 NOx 的方法較多 , 應(yīng)用較為廣泛。 NOx 可以用水、堿溶液、稀 硝酸、濃硫酸等吸收。 但是, 由于 NOx 及難溶于水或堿溶液 , 因而濕法脫硝效率 一般比較低。4.3 吸附法脫

17、除 NOx 。常用的吸附劑有分子篩、活性炭、天然沸石、硅膠及泥煤等 , 其中有些吸收劑如硅膠、分子篩、活性炭等 , 兼有催化的性能 ,能將廢氣 中的 NO 催化氧化成 NO2 , 然后可用水或堿吸收而得以回收。吸附法脫硝效率 高, 能吸收 NOx , 但是因吸附量小 , 吸附劑用量多 , 設(shè)備龐大 , 再生頻繁等原因 , 應(yīng)用不廣泛。4.4 液膜法凈化煙氣是美國(guó)能源部能源技術(shù)中心開發(fā)的一種脫硝技術(shù)。 國(guó)外如 美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)對(duì)液膜法進(jìn)行了大量的研究。液膜為含水液體 , 原則上 對(duì)NOx有吸附作用的液體都可以作為液膜。4.5 微生物法煙氣脫硝原理。其原理是適宜的脫氮菌在有外加碳源的情況下

18、, 利用NOx作為氮源，將NOx還原成最基本的無(wú)害的N2 ,而脫氮菌本身獲得生 長(zhǎng)繁殖。其中NO2先溶于水中形成NO3及NO2再被生物還原為N2 ,而NO則是被吸附在微生物表面后直接被微生物還原為 N2 。目前較為成熟的氣相煙氣脫硝技術(shù)有 : 選擇性催化還原法 ( SCR) 技術(shù)、電子束照射法和脈沖電暈等離子體 法。液膜法和微生物法尚處于發(fā)展階段 , 還不成熟。參考文獻(xiàn)： 1 鐘秦編著 ,燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例 ,化學(xué)工業(yè)出版社 ,2002 年04 月第 1 版 2 周菊華主編 ,火電廠燃煤機(jī)組脫硫脫硝技術(shù) ,中國(guó)電力出版社 ,2010.09 3 望亭發(fā)電廠編 ,脫硫脫硝分冊(cè) ,中國(guó)電力出版社 ,2011.094 趙毅，劉鳳，郭天祥，等.液相同時(shí)脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)及反應(yīng)特性 J 中國(guó)科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué)，2009，39( 3) : 431 437 .5 鐘秦 燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例 M 北京 : 化學(xué)工業(yè)出 版社，