烟气脱硝工艺.doc

综述燃煤电厂烟气脱硝技术摘要：人们对空气质量的要求越来越高，氮氧化物污染引起了人们的广泛注意。废气脱硝工艺一直是研究重点。本文通过对比燃煤电厂的脱硝的各种工艺，选出了最优工艺SCR技术，本文综述了SCR的原理、国内外研究状况、应用情况及运行费用。通过本文可以使人们更好的了解燃煤电厂脱硝工艺。关键字：烟气脱硝；低NOX燃烧技术；SCR技术Summary of coal-fired power plant flue gas denitrification technologyAbstract: People on air quality have become increasingly demanding, nitrogen oxide pollution has aroused extensive attention. Exhaust gas denitration process has been a research priority. By contrast coal-fired power plant denitration various processes, optimum process -SCR elected technology, this paper reviews the SCR principle, research status, applications and operating costs. Through this allows people to better understand the coal-fired power plant denitrification process.Key words: Flue gas denitrification ; Low NOX Combustion Technology ;SCR氮氧化物是大气主要污染物之一。通常所说的氮氧化物有多种不同形式，如N2O、NO、NO2、N2O3和N2O5等，其中NO和NO2所占比例最大，是最重要的大气污染物1。NOX排入大气后，通过物理、化学作用，引发一系列的环境问题。对人体健康和生态环境造成威胁2。氮氧化物的产生途径主要有一下几个方面：1.机动车辆排放的尾气2.工业生产过程中产生了氮氧化物3. 燃烧过程产生的氮氧化物。其中燃烧过程产生的氮氧化物包括热力型、瞬时型和燃料型3。机动车排气量较小，排放源流动分散。主要采用机内净化的方法去除氮氧化物4。 某些工业生产过程也会排出NOX废气，一般来说，它具有成分相对比较单一和气量小的特点，此类废气在治理中多采用湿法，并且尽量将分离出来的NO返回原生产系统，或者形成新的副产品，或者加以无害化处理5。在燃烧过程中，控制NOX的排放有两种途径：一种是在锅炉燃烧中控制燃料的燃烧，减少氮氧化物的生成；另一种是对烟气进行处理，消除烟气中的氮氧化物6。交通运输、电力和火电厂排放的NOX占全部排放量的90%以上7。电力工业又是燃煤大户。具预测，到2020年，原煤消耗将达到20.5亿29.0亿吨，燃煤产生的NOX将急剧增加8。由于火电厂燃烧所产生的NOX所生成的含量最多且成分较复杂，所以引起了人们的广泛重视。所以本文主要介绍燃煤电站烟气脱硝技术。1 烟气脱硝工艺比选烟气脱硝是指从烟气中去除氮氧化物，是世界各国控制氮氧化物污染、防治酸雨危害的主要措施9。据火电厂燃煤锅炉调查，一般采用低氮氧化合物燃烧技术（包括低负荷稳燃改造）的锅炉排烟中氮氧化物的浓度为500900mg/m3，而未采用低氮氧化合物燃烧技术的锅炉排烟中NOX的质量浓度定7001300mg/m3之间，平均1000g/m3左右。所以在烟气脱硝之前先采用低NOX燃烧技术，减少氮氧化物的产生，为后续处理减轻负担10。现今形式各异的脱硝工艺，其中 SCR 法和 SNCR 法在大型燃煤电厂获得商业应用。SCR 技术成熟、脱硝率高、几乎无二次污染，应是国内烟气脱硝引进、消化的重点11。除此之外，还有液体吸收法、微生物吸收法、非选择性催化还原法、炽热炭还原法、催化分解法、液膜法、SNRB 工艺脱硝技术、反馈式氧化吸收脱硝技术等，这些方法或已被淘汰，或处于实验室研究阶段，或效率不高，难以投入大规模工业应用1214。表1 主要烟气脱硝工艺的比较脱硝工艺适用性及特点优缺点脱硝率投资SCR适合排气量大，连续排放源二次污染小，净化效率高，设备投资高，关键技术难度大80%90%较高SNCR适合排气量大，连续排放源不用催化剂，设备运行费用少30%60%较低液体吸收法处理烟气量很小的情况下可取工艺简单、投资少；效率低，副产品不易处理效率低较低微生物法适用范围较大工艺简单、能耗及处理费用低、效率高；仍处于研究阶段80%低活性炭吸附排气量不大同时脱硫脱硝，吸收剂用量大，设备庞大80%90%高电子束法适用范围较大同时脱硫脱硝，无二次污染，运行费用高85高前面介绍的多种脱硝工艺中，只有SCR和SNCR在大型燃煤电厂获得了较好的商业应用，其中SCR在全球范围内有数百台的成功应用业绩和十几年的运行经验，日本和德国95%的烟气脱硝装置采用SCR技术，由于该方法技术成熟、脱硝率高、几乎无二次污染，是我国烟气脱硝的重点工艺15。 通过比选，综合考虑得出结论，SCR技术是最优的控制氮氧化物的方法，所以本文重点阐述SCR脱硝工艺法。2 脱硝原理及理论研究进展2.1低NOX燃烧技术国外从20世纪50年代就开始了燃烧过程中NOX生成机理和控制方法的研究工作。根据已取得的成果，影响NOX形成的主要因素为：1.燃烧中氮的含量2.反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根的含量3.燃烧温度的峰值4.可燃物在火焰峰和反应区中的停留时间。目前在实施低NOX燃烧时，主要针对不同的影响因素和具体情况，选用不同的方法16。低NOX燃烧技术的特点是工艺成熟，投资和运行费用低。在对NOX排放要求非常严格的国家（如日本德国），均采用低NOX燃烧器减少一半以上运行费用17。进入20世纪90年代，有关电厂锅炉供应商对其发展的低NOX燃烧器做了大量的改进和优化，使其日臻完善。2.2 SCR原理选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)是指在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O18。还原剂可以是碳氢化合物（如甲醛、丙烯等）、氨、尿素等，工业应用的还原剂主要是氨，其次是尿素。以氨为还原剂，其主要反应方程式为：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1) 8NH3+6NO2=7N2+12H2O (2) 或4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O (2a)上面第一个反应器是主要的，因为烟气中几乎95%的NOX以NO的形式存在。在没有催化剂的情况下，上述化学反应只在很窄的温度范围内（980左右）进行，即选择性非催化还原（SNCR）。通过选择合适的催化剂，反应温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使用的290430范围。最常用的金属基催化剂含有氧化钒、氧化钛、氧化铝、氧化钨等19。2.3 SCR脱硝反应过程SCR 烟气脱硝反应过程是一种典型的气固非均相催化反应，遵循气固相催化反应的一般原理。对于 SCR 脱硝催化剂，孔道壁面称为催化剂外表面，壁内分布有数量巨大的肉眼看不见的细孔，细孔的表面称为催化剂内表面，与外表面积相比，这些细孔的总的表面积十分巨大，化学反应主要在内表面上进行。SCR 脱硝反应过程可概括为以下七个步骤：（a） 反应组分从流体主体向固体催化剂外表面传递；（b） 反应组分从催化剂外表面向催化剂内表面传递（细孔内的传质）；（c） 反应组分在催化剂表面上进行吸附（Adsorption）；（d） 反应组分在催化剂表面上进行化学反应；（e） 反应产物在催化剂表面上进行解吸附（Desorption）；（f） 反应产物从催化剂内表面向催化剂外表面传递（细孔内的传质）； （g） 反应产物从催化剂外表面向流体主体传递。在以上七个步骤中，第一和第七步是气相主体与催化剂外表面进行的物质传递，称为外扩散过程，第二和第六步是催化剂细孔内的物质传递，称为内扩散过程，第三、四、五步统称为表面化学反应过程（Surface Reaction）20。2.4 烟气脱硝催化剂烟气脱硝催化剂通常有蜂窝状、管状、分子筛和板式结构，而最常用的形状则是蜂窝状，因为它不仅强度好，而且容易清理。几乎所有的催化剂都含有少量的氧化钒和氧化钛，因为它们具有较高的抗SO3的能力21。催化剂的结构、形状随它的用途而变化。SCR 催化剂的载体可以是氧化钛、沸石、氧化铁、或活性炭。燃煤锅炉使用的大多数催化剂是由钒和钛混合而成，然而最终的催化剂组分可能是由很多的活泼金属和载体物质构成，从而来满足每个 SCR 设备的特殊需要22。在催化剂的使用过程中共要保证催化剂活性,防止催化剂中毒和积灰。另外，催化剂的自主研发与工业应用研究还没有完成。而催化剂的成本占脱硝工程总成本的 30%40%，如果能实现催化剂国产化，将使该技术的竞争力迈上更高台阶23。3 国内外烟气脱硝装置的应用情况SCR法的发明权属于美国，而日本率先与20世纪70年代对其实现了商业化。目前这一技术在发达国家已经得到了比较广泛的应用，欧洲、日本、美国是当今世界上对燃煤电厂NOX排放控制最先进的地区和国家。在这些地区和国家，除了采取燃烧控制之外，都大量使用SCR烟气脱硝技术24。德国于20世纪80年代就引入SCR技术，并规定发电量50MW以上的电厂都的配备SCR除NOX系统25。其火力发电厂的烟气脱硝装置中SCR法大约占95%。日本和欧洲在应用SCR方面所取得的经验已有大量的文献资料报道26。关于氨的逃逸氯、空间速度、NOX的脱除率、空气预热器的设计和运行在日本和欧洲都有很大提高。我国从20世纪80年代就开始了火电厂烟气脱硝的研究工作，取得了一定的成绩。目前，我国已建的燃煤电站脱硝工程如下表所示27。表2 我国已建燃煤电站脱硝工程建设状态项目技术来源已建漳州后石电厂6*600MW中鼎&日立&SCR已建江苏太仓电厂2*600江苏苏源环保SCR已建厦门嵩屿电厂4*300上海电气集团&IHI SCR已建广州恒运热电厂2*300东锅&鲁齐SCR通过不断的研发和实践，国内采用具有自主主权SCR核心技术的脱硝工程，大大推进了我国今后烟气脱硝事业的发展。4 运行费用燃煤烟气脱硝工艺和设备的选择应重视经济分析，应注意一下几点。1、立足长远2、技术成熟，运行可靠并且较多的应用业绩3、节约成本28。目前，在世界上各国应该较广泛的脱硝技术主要有SCR法、天然气再燃法、超细煤粉再燃法、低NOX燃烧器、燃烧优化调整等。下表对这几种脱硝技术的经济性进行了模糊的评判。表3 几种脱硝技术的经济性比较29指标SCR技术天然气再燃法超细煤粉再燃法低NOX燃烧器燃烧优化调整投资成本/(元/kW)300160506060运行成本/(元/kW)0.050.0380.010.0050.002脱硝效率/%8060555040技术成熟度高中等低高高从中可以看出 SCR 法是效率最高，成本也相对最高的一种脱硝工艺。昂贵的成本成为制约这项技术在我国发展的主要因素。目前随着环境法规的越发严格，并且在这些脱硝技术中，SCR具有占地面积小，脱硝效率高、技术成熟、运行可靠性好、技术进步快等优点SCR 技术已经成为首选。目前，在美国、欧洲和日本，90%以上的火电机组采用低NOX燃烧器和SCR工艺来脱硝。下表为国外几家电厂运行SCR脱硝技术的经济指标。表4国外电厂已运行SCR脱硝技术经济指标30机组容量/（MW）未脱硝前NOX含量/10-6NOX脱硝率/%投资成本/（美元/kW）氨逃逸/10-6540170080125.2554057080105.2554043080140.2510066080122230066080882300660808325006608080210003008076-4502506537-5002196036-7104107957-7503957866-由上表可以看出，各电厂SCR脱硝成本差异较大，大约在36140美元/kW的范围内变化。SCR的投资成本主要是由锅炉的结构特性和燃料特性决定的。由美国能源部的统计分析表明，如果锅炉采用前后墙对冲或四角切圆的燃烧方法，机组进行脱硝改造时投资成本大约5070美元/kW；如果锅炉采用旋风燃烧的方式或者采用液态排渣的方式，机组进行脱硝改造时投资成本大约5080美元/kW。而新机组在开展脱硝工程时，投资成本一般少于40美元/kW。对于燃用石油或天然气的锅炉，由于NOX和粉尘的排放浓度都比较低，其脱硝改造的投资成本一般为2530美元/kW。脱硝的投资成本受很多因素的影响，除了以上提到的锅炉燃烧方式、燃烧特性以外，还与机组的容量、燃料中微量元素的含量、脱硝率、人口NOX浓度已经催化剂的布置安排等多种因素有关，这需要对SCR工程进行认真分析以后，才能做出合理的评价。根据工程规模的不同，总费用也存在一定的差距。5 结论与展望环境污染的日趋严重越来越显而易见，环境容量的不足已经成为电力发展的瓶颈，国家有关部门发布的资料显示，我国大气环境恶化的形