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1、火力发电厂脱硝装置介绍1. 概述氮氧化物(NO x)是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的 NOx 有多种不同形式：N2O、NO、NO 2、N 2O3、N 2O4 和 N2O5，其中 NO 和 NO2 是重要的大气污染物，另外还有少量 N2O。我国氮氧化物的排放量中 70来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，因此火力发电厂是NOx 排放的主要来源之一。在煤的燃烧过程中，NO x的生成量和排放量与燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。燃烧形成的NOx可分为燃料型、热力型和快速型3种。其中快速型NOx生成量很少,可以忽略不计。(1)热力型 NOx，指空气中的氮气在高温下
2、氧化而生成 NOx。当炉膛温度在 1350以上时，空气中的氮气在高温下被氧化生成 NOx ,当温度足够高时 ,热力型 NOx 可达 20 %。过量空气系数和烟气停留时间对热力型 NOx 的生成有很大影响。(2) 燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NOx约占NOx总生成量的75%90%。过量空气系数越高, NOx的生成和转化率也越高。(3)快速型 NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如 CH 等反应生成 NOx。主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的 N2
3、发生反应，形成的 CN 和 HCN 继续氧化而生成的 NOx。在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。在这三种形式中，快速型 NOx 所占比例不到 5；在温度低于 1300时，几乎没有热力型 NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx 主要通过燃料型生成途径而产生。控制 NOx 排放的技术可分为一次措施和二次措施两类：一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的 NOx 生成量；二次措施是将已经生成的 NOx 通过技术手段从烟气中脱除。1.1 脱硝基本技术及概念降低 NOx 排放主要有两种措施。 一是控制燃烧过程中 NOx 的生成，即低 NOx 燃烧技术；二是对生成的 NOx
4、 进行处理，即烟气脱硝技术。1.1.1 低 NOx 燃烧技术为了控制燃烧过程中 NOx 的生成量所采取的措施原则为：(1)降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；(2)降低燃烧温度，防止产生局部高温区；(3)缩短烟气在高温区的停留时间等；低 NOx 燃烧技术主要包括如下方法；1、空气分级燃烧燃烧区的氧浓度对各种类型的 NOx 生成都有很大影响。当过量空气系数 1 ，燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时，对于抑制在该区中 NOx 的生成量有明显效果。根据这一原理，把供给燃烧区的空气量减少到全部燃烧所需用空气量的 70左右，从而即降低了燃烧区的氧浓度也降低了燃烧区的温度水平。因此，第一级燃烧区
5、的主要作用就是抑制 NOx 的生成并将燃烧过程推迟。燃烧所需的其余空气则通过燃烧器上面的燃尽风喷口送入炉膛与第一级所产生的烟气混合，完成整个燃烧过程。炉内空气分级燃烧分轴向空气分级燃烧(OFA 方式)和径向空气分级。轴向空气分级将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的 7085，另一部分为燃尽风(OFA)，约占总二次风量的 1530。炉内的燃烧分为三个区域，热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大，会使不完全燃烧损失增大；煤粉炉由于还原性气氛易结
6、渣、腐蚀。图 1、空气分级燃烧示意图2、燃料分级燃烧在主燃烧器形成的初始燃烧区的上方喷入二次燃料，形成富燃料燃烧的再燃区，NOx 进入本区将被还原成 N2。为了保证再燃区不完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置燃尽风喷口。改变再燃烧区的燃料与空气之比是控制 NOx 排放量的关键因素。在再燃烧系统中，分段供给的燃料和燃烧用空气在炉内形成三个不同的燃烧段，分别在贫燃料、富燃料和贫燃料状态下运行。在一次或“主”燃烧段，主要燃料煤粉在过量的空气中燃烧，由燃料中和燃烧用空气中的氮形成 NOx。二次燃料，又称为再燃燃料，通常是天然气或煤粉(油或任何其他的碳氢化合物燃料也都可以使用) ，在主燃烧段上方喷
7、入，形成富燃料的“再燃”段。从这一区段的再燃燃料中释放出来的烃基与主燃烧段中形成的 NOx 反应，NOx 被还原成分子氮。最后，在再燃段上方喷入剩余的燃烧用空气，形成贫燃料的“燃尽”区，从而完成了燃烧全过程。通常再燃燃料的热量占总输入热量的 10%-30%。再燃技术可以减少高达 70%的 NOx。图 2 显示了再燃过程中三个不同的燃烧段。存在问题是为了减少不完全燃烧损失，需加空气对再燃区烟气进行三级燃烧，配风系统比较复杂。图 2、燃料分级燃烧示意图3、烟气再循环该技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合，通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度，达到降低 NOx 生成量的
8、目的。存在的问题是由于受燃烧稳定性的限制，一般再循环烟气率为 1520，投资和运行费较大，占地面积大。1.1.2 烟气脱硝技术由于炉内低氮燃烧技术的局限性, 对于燃煤锅炉,采用改进燃烧技术可以达到一定的除NOx 效果,但脱除率一般不超过60%。使得NOx 的排放不能达到令人满意的程度,为了进一步降低NOx 的排放，必须对燃烧后的烟气进行脱硝处理。 目前通行的烟气脱硝工艺大致可分为干法、半干法和湿法3 类。其中干法包括选择性非催化还原法(SNCR) 、选择性催化还原法(SCR) 、电子束联合脱硫脱硝法;半干法有活性炭联合脱硫脱硝法;湿法有臭氧氧化吸收法等。就目前而言，干法脱硝占主流地位。其原因是
9、：NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx 经还原后成为无毒的N 2和O 2，脱硝的副产品便于处理；NH3对烟气中的 NO可选择性吸收，是良好的还原剂。湿法与干法相比，主要缺点是装置复杂且庞大；排水要处理，内衬材料腐蚀，副产品处理较难，电耗大(特别是臭氧法)。烟气脱硝技术有气相反应法(如 SCR 法) 、电子束法、液体吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等几类。1.1.21 烟气脱硝处理方法1、 炉膛喷射法炉膛喷射法实质是向炉膛喷射还原性物质，可在一定温度条件下还原已生成的 NOx，从而降低 NOx的排放量。包括喷水法、二次燃烧法( 喷二次燃料即前述燃料分级燃烧 )、喷氨法等。喷
10、氨法亦称选择性非催化还原法(SNCR)，是在无催化剂存在条件下向炉内喷入还原剂氨或尿素，将NOx 还原为 N2 和 H2O。它建设周期短、投资少、脱硝效率中等，比较适合于对中小型电厂锅炉的改造。还原剂喷入锅炉折焰角上方水平烟道(9001000) ，在 NH3/NOx 摩尔比 23 情况下，脱硝效率3050。在 950左右温度范围内，反应式为：4NH3+4NOO 24N 2+6H2O当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成 NO：4NH3+5O24NO+6H 2O当温度过低时，又会减慢反应速度，所以温度的控制是至关重要的。该工艺不需催化剂，但脱硝效率低，高温喷射对锅炉受热面安全有一定影响。存在
11、的问题是由于温度随锅炉负荷和运行周期而变化及锅炉中NOx 浓度的不规则性，使该工艺应用时变得较复杂。在同等脱硝率的情况下，该工艺的 NH3 耗量要高于SCR 工艺，从而使 NH3 的逃逸量增加。因此影响 SNCR 系统性能设计和运行的主要因素是:(1)反应温度范围；(2)最佳温度区的滞留时间；(3)喷入的反应剂与烟气混合程度；(4)处理前烟气中 NOx 浓度；(5)喷入的反应剂与 NOx 的摩尔比；(6) 氨的逃逸量。下图所示为以尿素为还原剂的 SNCR 工艺流程，该流程由 4 部分组成:(1)反应剂的接收和储存;(2)反应剂的计量稀释和混匀;(3)稀释的反应剂喷入锅炉合适的部分;(4)反应剂
12、与烟气的混合图 4、SNCR 工艺流程在还原剂的接收和储存系统中，尿素一般采用 50%的水溶液,可直接喷入炉膛。由于尿素的冰点仅为17.8e。因此，较冷的季节应对尿素溶液进行加热和循环。尿素可采用固体颗粒运输，但在厂内必须设置溶解装置。与氨系统相比，尿素系统有以下优点:尿素是一种无毒、低挥发的液体，在运输和储存方面比氨更加安全；此外，尿素溶液喷入炉膛后在烟气中扩散较远，可改善大型锅炉中吸收剂和烟气的混合效果。由于尿素的安全性和良好的扩散性能，采用尿素的 SNCR 系统多在大型锅炉上应用。SNCR 系统中，还原剂与烟气的混合采用喷射器。喷射器有墙式和枪式 2 种类型。墙式喷射器在特定部位插入锅炉
13、内墙，一般每个喷射部位设置 1 个喷嘴。墙式喷嘴一般应用于短程喷射就能使反应剂与烟气达到均匀混合的小型锅炉和尿素 SNCR 系统。由于墙式喷嘴不直接暴露于高温烟气中，其使用寿命要比喷枪式长。枪式喷射器由 1 根细管和喷嘴组成，可将其从炉墙深入到烟流中。喷枪一般应用于烟气与反应剂难于混合的氨喷 SNCR 系统和大容量锅炉。在某些设计中喷枪可延伸到锅炉整个断面。喷枪可按单个喷嘴或多个喷嘴设计。后者的设计较为复杂,因此,要比单个喷嘴的喷枪和墙式喷嘴价格贵些。因喷射器忍受着高温和烟气的冲击。易遭受侵蚀、腐蚀和结构破坏，因此，喷射器一般用不锈钢制造，且设计成可更换。除此以外，喷射器常用空气、蒸汽和水进行
14、冷却。为使喷射器最少地暴露于高温烟气中,喷枪式喷射器和一些墙式喷嘴也可设计成可伸缩的。当遇到锅炉启动、停运、季节性运行或一些其他原因 SNCR 需停运时,可将喷射器退出运行。用氨基作反应剂的喷射系统一般比尿素系统复杂和昂贵些,原因是这种系统喷射的是气相氨而不是液氨溶液为此,氨基喷射系统常配备多个喷嘴的高能喷枪系统在锅炉通道的宽度和高度内按网格形式布置喷枪2、电子束法：是用高能电子束(0.81MeV)辐射含 NOx 和 SO2的烟气，产生的自由基氧化生成硫酸和硝酸，再与 NH3发生中和反应生成氨的硫酸及硝酸盐类，从而达到净化烟气的目的。3、液体吸收法：由于烟气中的 NOx90%以上是 NO，而
15、NO 难溶于水，因此对 NOx 的湿法处理不能用简单的洗涤法。湿法脱硝的原理是用氧化剂将 NO 氧化成 NO2，生成的 NO2再用水或碱性溶液吸收，从而实现脱硝。4、吸附法：最主要的方法为活性炭方法。 在众多烟气处理技术中，液体吸收法的脱硝效率低，净化效果差；吸附法虽然脱硝效率高，但吸附量小，设备过于庞大，再生频繁，应用也不广泛； 1.1.21 烟气脱硝技术比较。脱硝技术一般比较（表 1、 ）所采用的技术 脱硝效率 % 工程造价 运行费用低氮燃烧技术 25-40 较低 低SNCR 技术 25-40 低 中等LNB + SNCR 技术 40-70 中等 中等SCR 技术 80-90 高 中等SN
16、CR/SCR 混合技术 40-80 中等 中等烟气脱硝技术比较（表 2）方法 原理 技术特点催化分解法 在催化剂作用下，使 NO 直接分解为 N2 和 O2。主要的催化剂有过渡金属氧化物、贵金属催化剂和离子交换分子筛等。不需耗费氨，无二次污染。催化活性易被抑制，二氧化硫存在时催化剂中毒问题严重，还未工业化。选择性非催化还原法 用氨或尿素类物质使 NOx 还原为N2 和 H2O。效率较高，操作费用较低，技术已工业化。温度控制较难，氨气泄漏可能造成二次污染。选择性催化还原法 在特定催化剂作用下，用氨或其它还原剂选择性地将 NOx 还原为 N2和 H2O。脱除率高，被认为是最好的烟气脱硝技术。投资和操作费用大，也存在 NH3 的泄漏。固体吸附法 吸附 对于小规模排放源可行，具有耗资少，设备简单，易于再生。但受到吸附容量的限制，不能用于大排放源。电子束法 用电子束照射烟气，生成强氧化性OH 基、O 原子和 NO2，这些强氧化
