火力发电厂脱硝工程工艺选择与实例介绍

【摘 要】燃煤烟气中的氮氧化物（NOX），是大气污染的主要污染物之一。而我国大气污染物中NOx 60 %来自于煤的燃烧，其中火电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。本文通过对主流的烟气脱硝技术进行介绍和分析，说明了SCR脱硝工艺成熟、可靠，非常适合应用于火力发电厂烟气脱硝工程。并以某已经建成的实际工程对SCR脱硝设计进行了详细的介绍。

【关键词】脱硝技术 工艺选择 SCR脱硝 脱硝设计

中图分类号：TG333.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）35-266-01

1. 前言

我国是以燃煤为主的发展中国家，其能源构成以煤炭为主，消耗量占一次能源消费量的76%左右。随着经济的快速发展，煤耗的增加，燃煤造成的大气污染日趋严重，特别是燃煤烟气中的氮氧化物（NOx），是大气污染的主要污染物之一。据统计，我国大气污染物中NOx 60 %来自于煤的燃烧，其中火电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。2000 年我国火电厂氮氧化物排放量控制在500万t 左右，按照目前的排放控制水平，到2020年，氮氧化物排放量将达到1000万t 以上。NOx对大气的污染已成为一个不容忽视的重要问题，控制和治理氮氧化物污染已迫在眉睫。燃煤烟气脱氮称为烟气脱硝，脱硝是控制NOx污染的一个重要途径。近年来国内外研究开发了一系列燃煤烟气脱硝技术，并取得了一定成果。

2. 烟气脱硝技术的介绍

烟气脱硝技术按治理工艺可分为湿法脱硝和干法脱硝。湿法脱硝包括：酸吸收法、碱吸收法、氧化吸收法、络盐吸收法等；干法脱硝主要有：选择性催化还原法、非选择性催化还原法、等。此外，近十几年来国内外一些科研人员还开发了用微生物来处理含NOX废气，成为研究的热点。

2.1 湿法烟气脱硝技术

湿法烟气脱硝是利用液体吸收剂将NOx溶解的原理来净化燃煤烟气，其最大的障碍是NO很难溶于水，往往要求将NO首先氧化为NO2。为此一般先将NO通过与氧化剂O3 、ClO2或KMnO4反应，氧化生成NO2，然后NO2被水或碱性溶液吸收，实现烟气脱硝。

湿法脱硝技术优点：脱硝效率较高；因吸收剂种类较多，来源广泛，适应性强；能以硝酸盐等形式回收NOX，可达到综合利用的目的。缺点是其技术比较复杂，设备容量大不易建造，成本较高，而且易造成溶液的二次污染。

2.2 干法脱硝技术

与湿法相比，干法净化处理含NOX尾气的主要优点是：设备及工艺过程简单，脱除NOX的效率也较高，无废水和废弃物处理，不易造成二次污染。

2.2.1 选择性催化还原（SCR）脱硝

SCR脱硝原理是利用NH3和催化剂（铁、钒、铬、钴或钼等碱金属）在温度为200～450℃时将NOX还原为N2。NH3具有选择性，只与NOX发生反应，基本上不与O2反应，所以称为选择性催化还原脱硝。

SCR法是国际上应用最多，技术最成熟的一种烟气脱硝技术。在欧洲已有120多台大型的SCR装置的成功应用经验，其NOX的脱除率达到80%～90%；日本大约有170套SCR装置，接近100000MW容量的电厂安装了这种设备；美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOX技术。

该法的优点是：由于使用了催化剂，故反应温度较低；净化率高，可达85%以上；工艺设备紧凑，运行可靠；还原后的氮气放空，无二次污染。但也存在一些缺点：烟气成分复杂，某些污染物可使催化剂中毒；高分散的粉尘微粒可覆盖催化剂的表面，使其活性下降；系统中存在一些未反应的NH3和烟气中的SO2作用，生成易腐蚀和堵塞设备的（NH4）2SO4和NH4HSO4，同时还会降低氨的利用率；投资与运行费用（投资费用80美元/千瓦）较高。

2.2.2 非选择性催化还原（SNCR）脱硝

与SCR法相比，SNCR法除不用催化剂外，基本原理和化学反应基本相同。SNCR法通过在烟道气中产生的氨自由基与NOX反应，以去除NOX。因没有催化剂作用，反应所需温度较高（900～1200℃），温度控制是关键，以免氨被氧化成氮氧化物。

该法的优点是不需催化剂，投资较SCR法小（投资费用15美元/千瓦）。但氨液消耗量大，NOX的脱除率也不高。目前大部分锅炉都不采用此法，主要原因是：（1）效率不高；（2）反应剂和运载介质（空气）的消耗量大；（3）氨的泄漏量大；（4）生成的（NH4）2SO4和NH4HSO4会腐蚀和堵塞设备。

2.3 微生物法脱氮

采用微生物净化含NOX废气的净化机理是：适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下，利用NOX作为氮源，将NOX还原为最基本无害的氮气，而脱氮菌本身获得生长繁殖。其中NO2先溶于水中形成NO3-及NO2-，然后被微生物还原为氮气，烟气中的NO则直接被吸附在微生物表面还原为氮气。

用微生物进行废气脱硝能有效地脱除废气中的NOX，具有工艺简单、能耗和处理费用低、效率高、无二次污染等优点。但要实现工业应用还存在一些问题：（1）微生物的生长速度相对较慢，要处理大流量的烟气，还需对菌种作进一步的筛选；（2）微生物的生长需适宜的环境；（3）微生物的生长会造成塔内填料的堵塞。

3. 火电厂脱硝工程的工艺选择

通过上述主要脱硝技术介绍可以看出，SCR技术对烟气NOx的控制效果十分显著，它具有工作温度低，技术成熟可靠，易于操作，脱硝效率高等优点，是目前世界唯一大规模投入商业应用并能满足日益严峻环保要求的控制措施，非常适合应用于大中型火力发电厂脱硝工程。

4. SCR烟气脱硝工程实例

某发电厂二期工程2×660MW国产超临界燃煤汽轮发电机组机组，响应国家节能减排号召，严格执行环保排放标准，3号炉同步建设烟气脱硝装置，4号炉考虑预留烟气脱硝装置，配套脱硝工艺为浙江融智能源科技有限公司的选择性催化还原法（SCR），并由其设计、供货。

4.1工艺流程

3号炉烟气脱硝装置配置两个脱硝反应器， 一套氨储存、蒸发、供应系统，氨区设计考虑4号炉预留脱硝还原剂供应，烟气从锅炉省煤器出来后进入脱硝进口烟道，在此位置处通过氨喷射格栅喷入氨气与烟气进行混合。含有氨气的烟气进入脱硝反应器，在反应器中完成脱硝反应，经脱硝后的烟气进入空气预热器，经除尘、脱硫净化处理后排入大气。本脱硝装置不设置旁路。

脱硝还原剂氨气是由液氨储罐中液氨经液氨蒸发器加热蒸发产生纯氨气，与稀释风机提供的空气在混合气中混合稀释后，喷入脱硝烟道中。

脱硝装置采用板式催化剂，板间距为6mm，这种催化剂不易堵塞。由于脱硝装置为高尘布置，在运行过程催化剂表面会积灰，需采用声波吹灰器进行定期吹扫。每层催化剂均设置声波吹灰器，压缩空气取自锅炉。

4.2系统设计

本脱硝系统主要设计参数如表1所示。

本烟气脱硝工程设计主要分三部分：SCR本体设计部分；氨区设计部分；辅助系统设计部分。

4.2.1、SCR本体设计部分

本工程脱硝系统设计脱硝效率为80%。SCR催化剂按2+1方式布置（即初始布置二层，预留一层）。系统不设置SCR装置旁路和省煤器高温旁路。SCR装置设置检修、测试平台， SCR系统主要设备如下：

A）、SCR反应器：每台炉设置两台反应器，反应器的长、宽、高分别为：12m、12m和12.6m.

B）、吹灰系统：反应器每层催化剂设置3台声波吹灰器，吹灰介质为检修用压缩空气，压力为0.45～0.7MPa。每台吹灰器的单位时间空气耗量为6Nm3/min，吹扫频率为72次/h。

C）、灰斗：在每个SCR脱硝出口烟道处设置3个灰斗，以收集大颗粒飞灰，防止其随烟气进入空预器。

D）、催化剂：采用板式催化剂，活性温度为300～420℃，催化剂间距为6mm。催化剂基材为不锈钢材质，活性物质为TiO2、钒化合物等。催化剂化学寿命为24000h。

4.2.2氨区设计部分

脱硝还原剂采用液氨。液氨储存、制备、供应系统包括液氨卸料压缩机、液氨储罐、液氨蒸发器、氨气缓冲罐、氨气稀释槽、废水泵等。

氨区占地面积为24m×21.6m。主要设备规范见表2：

4.2.3辅助系统设计

压缩空气系统：从锅炉压缩检修用空气母管、仪用压缩空气母管接出。

蒸汽系统：蒸发液氨所需的蒸汽从锅炉蒸汽管道上接出。

4.3 脱硝系统的运行

4.3.1氨气流量控制

液氨经过蒸发器产生脱硝所需氨气（浓度为100%），在混合器中被空气稀释成5%（体积比例）浓度以下，然后喷入烟道中进行反应。为保证进入脱硝烟道氨气浓度在5%以下，稀释风量按最大氨耗量时所需空气流量设计，并在运行时保持空气流量不变。

运行过程中氨耗量需根据反应器进出口烟气中NOx浓度来调整控制。脱硝系统设有停止喷氨烟气温度、最低喷氨烟气温度、最高连续运行温度，当烟气温度低于最低喷氨温度或高于最高连续运行温度时，需停止喷氨。

4.3.2吹灰控制

吹灰系统采用声波吹灰方式，吹灰器的数量为3台/层，能将催化剂中的积灰尽可能多地吹扫干净，此种吹灰方式可避免因死角而造成催化剂失效导致脱硝效率的下降和反应器烟气阻力的增加。每一层催化剂吹灰的顺序为每层每次运行一台声波喇叭，每组每次运行十秒钟，每一循环的间隔为十分钟。吹灰频率可根据反应器的压降进行调整控制。

4.4 实际运行情况

该电厂二期2×660MW机组3号炉烟气脱硝装置投运以来，运行稳定，未发生设备故障。催化剂采用声波吹灰器吹灰效果良好，催化剂层积灰很少。氨区系统供氨连续稳定，无设备故障，未发生氨泄漏。烟气脱硝装置与锅炉主机同步于2009年3月27日下午3点顺利通过168小时试运行，于2010年4月份顺利通过性能试验，各项性能指标满足设计要求。

在性能试验期间，主要数据见表3。

5. 结束语

选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝工艺是非常成熟、可靠的工艺，并在火力发电厂660MW机组上得到应用，该工程脱硝装置运行稳定，脱硝装置的各项性能指标均满足性能要求，SCR烟气脱硝工艺应在大型火力发电厂脱硝工程上给予推广应用。

参考文献：

[1]王振宇. 燃煤电厂的除尘、脱硫、脱销技术[J]. 环境保护科学，2005.

[2] 吴忠标. 大气污染控制技术[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[3]李晓东，杨卓如. 国外氮氧化物气体治理的研究进展[J]. 环境工程，1996.

作者简介：

刘景榕、1984年10月出生、男、籍贯（江西赣州）、现任浙江融智能源科技有限公司工艺工程师职务、助理工程师职称、学士学位、研究方向（烟气脱硝工艺设计）。