（大唐国际张家口发电厂河北张家口075000）
【摘要】针对目前国家对环保要求的日益提高，我国火电厂脱硝装置的投入势在必行。本文主要阐述氮氧
化物及其危害，氮氧化物如何控制，以及目前火电机组最常用的烟气脱硝技术。
【关键词】脱硝氮氧化物SCR SNCR
中图分类号： S668 文献标识码： Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2017）04-068-02
引言
中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤在一次能源中占75％，其中84％以上是通过燃烧方法利用的。煤燃烧所释放出废气中的氮氧化物(NOx)，是造成大气污染的主要污染源之一。解决环境保护面临的巨大压力已是刻不容缓。
随着国内社会经济的发展、科技的进步，人民们生活水平的日益改善，社会对环境的重视达到了空前的高度。在国家能源环保政策的鼓励下，烟气脱硝装置继脱硫装置后成为了电厂建设的不可或缺的组成部分。这对我国的电力事业的发展包括设计、运行和维护等提出了新的要求。
一、氮氧化物及其危害
1.氮氧化物种类
一般意义上的氮氧化物包括 NO、NO2、 N2O、 N2O3、N2O4、N2O5等，统称为NOx。其中，对大气造成污染的主要是NO、NO2和N2O。
2.NOx对环境的危害
(1)NOx对人体的致毒作用，危害最大的是NO2，主要影响呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿等疾病；
(2)NOx对植物的损害；
(3)NOx是形成酸雨、酸雾的主要污染物；
(4)NOx与碳氢化合物可形成光化学烟雾；
(5)NOx参与臭氧层的破坏。
二、燃烧过程中氮氧化物的生成
在燃煤炉产生的氮氧化物（NOx）中，NO占90%以上，NO2占5%-10%， N2O占1%左右 。NOx的生成速率与燃烧区的氧气浓度的平方成正比。因此，控制燃料型NOx的转化率和生成量的主要技术措施是降低过量空气系数，在NOx的生成区域采用富燃料燃烧方式，是十分有效且比较方便的减排NOx的技术措施。
一般认为，NOx主要生成在挥发分的析出和燃烧阶段，约在750 ℃时开始析出，该温度比火焰的温度要低，在不到1000℃时挥发分的析出和燃烧均接近结束。因此，无论炉内火焰温度高低，燃料氮在达到热解温度度均会分解，并最终生成NOx，在焦炭发生燃烧时的高温下，NOx的转化率达到最大值。温度继续上升时，在焦炭表面上NOx的还原反应使部分已经生成的NOx还原成N2，因而，在一定的温度范围内，NOx的生成速率与还原速率接近平衡，使NO的生成量变化不大。当温度再进一步升高时，NO的还原反应速率大于NO的生成速率，使NOx的生成量有所降低，但是，温度升高时，NOx的生成量也在急剧增加。
三、氮氧化物的排放标准及控制措施
2011年7月18日国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局发布了GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》，并于2012年1月1日开始实施。对NOx排放进行严格的限制。NOx排放标准值为100mg/m3。目前重点地区（在国土开发密度较高，环境承载能力开始减弱，或大气环境容量较小、生态环境脆弱，容易发生严重大气环境污染问题而需要严格控制大气污染物排放的地区）NOx排放标准值为50mg/m3 。目前我厂的NOx排放标准值为50mg/m3 。
控制措施
（1）调整燃烧
1）将整个燃烧区域的温度降到1300℃以下，降低炉膛热负荷；
2）减少在高温区的停留时间；
3）减少氧浓度 ，降低空气过剩系数；
4）对于燃料NOx可以进一步降低燃烧温度，降低氧的分压；
（2）低氮燃烧
凡通过改变燃烧条件来控制燃烧关键参数，以抑制生成或破坏已生成NOx，达到减少NOx排放的技术称为低NOx燃烧技术。
1）低过量空气燃烧：
使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。但如果含氧量<3%时，会使CO浓度剧增，使热效率降低。此外，低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛，从而降低灰熔点引起炉壁结渣与腐蚀。
2）空气分级燃烧：
将燃料的燃烧过程分阶段完成。第一阶段减少供气量到70%--75%；第二阶段将完全燃烧所需的其余空气通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口喷入炉膛。为了保证既能减少排放，又能保证锅炉燃烧的经济、可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。
3）燃料分级燃烧，又称燃料再燃：
采用再燃技术时，在炉膛内可以近似的划分为三个区域：主燃区、再燃区和燃尽区 。
四、烟气脱硝技术原理
（1）SCR烟气脱硝技术
该方法通过使用NH3和催化剂，在适宜的反应的温度（200℃-450℃），将NOx还原为N2。反应具有选择性，NH3只与NOx反应，基本上不与O2反应，所以称为选择性催化还原脱硝。
若使用钛和铁氧化物类催化剂，其反应温度为300℃至400℃。布置在在空气预热器前350℃位置。脱硝效率可达85%以上。SCR 脱硝工艺系统可分为氨气制备和供应系统、氨/空气混合系统、氨喷射系统、SCR 反应器系统和废水吸收处理系统等。SCR还原剂的有两种—液氨和尿素。实际上，喷入SCR反应器的还原剂都是氨。
当采用尿素时，需要采用热解或水解工艺制氨。
1）尿素热解制氨
雾化后的尿素液滴在绝热分解室内分解，生成的分解产物为氨气和二氧化碳。
CO(NH2)2+H2O=2NH3+CO2
2）氨喷射系统
氨喷射系统包括注氨分流调整系统、氨气流量控制模块和氨喷射格栅。注氨分流调整系统是将氨气做初步调整分流，使之能均匀注入每一个喷射格栅。氨气流量控制模块为控制氨流量的设备，不但接受控制室来的信号，还可以接受锅炉负荷信号，及时调整氨气用量，也回馈信号给控制室作为控制数。氨喷射格栅位于SCR 反应器前端，使氨气均匀分布于烟气中，利于NH3 和NOx 充分接触，提高脱硝效率。
3）烟气系统
因为脱硝反应要在一定的温度下才能实现，所以SCR 反应器需设在锅炉省煤器和空预器之间，用烟道衔接。
4）SCR 反应器系统
SCR 反应器本体一般采用三层固定床设计，一层安装催化剂，预留两层备用，可为以后更改煤种调整运行工况提供催化剂的扩展空间。其中烟气竖直向下流动，反应器入口设气流均布装置。为防止未处理过的烟气泄露，在催化剂模块间及模块与SCR 反应器壳间有密封设计。
5）废水吸收处理系统
废水吸收处理系统主要包括废水池和废水泵等。由废水池吸收系统内各处排放的氨气变成氨废水，再经由废水泵送到废水处理厂。
(2)SNCR烟气脱硝技术
1）SNCR概念
在950℃-1050℃这一狭窄范围内，无需催化剂，氨/尿素只和烟气中NO反应，而一般不和氧反应，这种方法亦称选择性非催化剂吸收（SNCR）法。
采用炉膛喷射脱硝，喷射点必须在950℃-1050 ℃之间。
喷入的氨与烟气良好混合是保证脱硝还原反应充分进行、使用最少量氨达到最好效果的重要条件。若喷入的氨未充分反应，则泄漏的氨会到锅炉尾部受热面，不仅使烟气飞灰容易沉积在受热面，且烟气中氨遇到SO3会生成硫酸氨（粘性，易堵塞空气预热器，并有腐蚀危险）。总之，SNCR喷氨法投资少，费用低，但适用范围窄，要有良好的混合及反应空间、时间条件。
2）SNCR 烟气脱硝技术还原剂的选择
鉴于SNCR 系统本身的特点，在炉内高温烟气条件下，尿素溶液具有更好的扩散性，且液气混合所需的动力更小并能达到更好的混合效果，因而普遍被作为SNCR 工艺的脱硝还原剂。此外，尿素做为脱硝还原剂还有其它方面的优势：安全性高，无任何危险性；运输和储存都没有特别的政府安全管理要求；无需进行特别的安全、防火评估；占地小，无需设置安全距离。
3）影响SNCR 脱硝性能的因素
① 反应温度
超过1000℃时，NH3被氧化成NOx，氧化反应起主导；低于1000℃时，NH3与NOx 的还原反应为主，但反应速率降低，易造成未反应的NH3 逃逸过高。选择性非催化还原烟气脱硝过程是上述两类反应相互竞争、共同作用的结果，如何选取合适的温度条件是该技术成功应用的关键。采用氨水或尿素溶液作为脱硝还原剂时，还原剂溶液经雾化器雾化成液滴喷入炉内。由于尿素溶液更易于准确喷射到炉内的合适区域，选择性非催化还原系统通常采用尿素作为还原剂。根据锅炉特性和运行经验，对于一般燃煤锅炉来说，最佳的还原剂喷射温度窗口通常在折焰角附近的屏式过、再热器及水平烟道的末级过、再热器所在的对流区域。为适应锅炉负荷的变化，通常多层或每层的个别喷射器，高负荷时投运上层喷射器，低负荷时投运下层喷射器。
② 停留时间
延长反应区域内的停留时间，有助于反应物质扩散传递和化学反应，提高脱硝效率。当合适的反应温度窗口较窄时，部分还原反应将滞后到较低的温度区间，较低的反应速率需要更长的停留时间以获得相同脱硝效率。当停留时间超过1s 时，易获得较高的脱硝效果，停留时间至少应超过0.3 秒。
③ NH3/NO
理论NH3/NO比为1:1，但由于部分NH3被氧化成NOx，以及一小部分未反应的NH3 随烟气排入大气，因此，需要比理论化学当量比更多的还原剂喷入炉膛才能达到较理想的NOx还原率。此外，当原始NOx 浓度较低时，脱硝还原化学反应速率降低，为达到相同的脱硝效率，需要喷入炉内更多的还原剂参与反应。
④ 还原剂与烟气的混合
脱硝还原剂与烟气充分均匀混合，是保证在适当的NH3/NO 摩尔比下获得较高脱硝效率、较低氨逃逸率的重要条件之一。为将还原剂准确送到炉膛内合适的脱硝还原反应温度区间，并与烟气充分混合，采用如下措施：先进的雾化器喷嘴，控制雾化液滴的粒径、喷射角度、穿透深度及覆盖范围；提高雾化液滴的喷入速度，以增强其在尾部烟气两相流中的穿透性。
五、小结
（1）SCR烟气脱硝技术的特点
优点：
反应温度较低；效率高，可达85%以上；工艺设备紧凑，运行可靠；还原产物为N2，无二次污染。
缺点：
催化剂易中毒；高分散性粉尘可覆盖催化剂表面，使其活性降低；未反应的NH3和烟气中的SO2作用，生成易腐蚀和堵塞的(NH4)2SO4、(NH4)2SO3，同时降低NH3的利用率；投资和运行费用较高。
（2）SNCR烟气脱硝技术的特点
优点：
1）可使用尿素作还原剂，安全可靠；
2）不使用催化剂，利用炉膛作反应器；
3）不产生SO2/SO3 的氧化，导致空气预热器堵塞或腐蚀的机会小；
4）不产生新的烟风系统阻力损失；
5）燃料的变化一般不会影响脱硝效率；
6）相对于SCR投资低。
缺点：
1）脱硝效率不高；
2）NH3/NOx高，氨的逃逸量较大，生成的(NH4)2SO4、(NH4)2SO3会堵塞或腐蚀空气预热器；
3）反应剂和运载介质（空气）的消耗量大；
4）氨还原NO仅在950℃-1050℃有明显效果，温度窗口窄。
参考文献：
［１］潘宏娟、王岳. 《全能值班员技能指导丛书》锅炉分册，中国电力出版社。
［２］佟文婷、王钧. 《张家口发电厂SCR脱硝系统培训教材》， 中国大唐集团科技工程有限公司。
论文作者:曲景文
论文发表刊物:《科学教育前沿》2017年4期
论文发表时间:2017/7/5
标签：烟气论文; 还原剂论文; 温度论文; 尿素论文; 反应器论文; 系统论文; 氨气论文; 《科学教育前沿》2017年4期论文;