蘇源環(huán)保公司的火電廠煙氣脫硝解決方案
來(lái)源：中環(huán)（中國(guó)）工程有限公司 閱讀：5757 更新時(shí)間：2009-02-26 10:08摘 要：氮氧化物是大氣主要污染物之一，是造成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要原因。本文在綜述世界發(fā)達(dá)國(guó)家NOx控制的法規(guī)政策、學(xué)術(shù)理論、控制手段的基礎(chǔ)上，對(duì)目前主流的煙氣脫硝技術(shù)即選擇性催化氧化還原法(SCR)及選擇性非催化氧化還原法(SNCR)的工藝特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述，并給出了NOx脫除效率曲線。并結(jié)合蘇源環(huán)保公司在煙氣脫硫(FGD)裝置國(guó)產(chǎn)化上的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)煙氣脫硝(DeNOx)技術(shù)自主化、裝備國(guó)產(chǎn)化提出了若干建議。
關(guān)鍵詞：氮氧化物；煙氣脫硝；選擇性催化氧化還原法；選擇性非催化氧化還原法；國(guó)產(chǎn)化
1 前言
氮氧化物是大氣主要污染物之一，是造成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要原因。20世紀(jì)40年代美國(guó)洛杉磯市發(fā)生的光化學(xué)煙霧事件促使了相關(guān)氮氧化物控制法規(guī)的誕生。從1947年California的第一個(gè)“空氣污染控制區(qū)(Air Pollution Control Districts)”的提案到1969年美國(guó)第一個(gè)關(guān)于NOx排放法規(guī)(APCD)的制定，從20世紀(jì)70年代美國(guó)清潔空氣法案(Clean Air Act，CAA)的通過(guò)到1990年的清潔空氣修正案(Clean Air Act Amendments，CAAA)的制定，從德國(guó)的“大型燃燒設(shè)備規(guī)定”到日本六易其稿(分別為1973年、1974年、1975年、1977年、1983年和1987年)制定的世界上最低的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)氮氧化物的控制作了不懈的努力。
與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)燃煤電廠在氮氧化物排放控制方面起步相對(duì)較晚，以致氮氧化物排放總量的快速增長(zhǎng)抵消了對(duì)近年來(lái)卓有成效的二氧化硫控制效果。如果不加強(qiáng)對(duì)NOx的治理，NOx的排放總量將會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，甚至有可能超過(guò)SO2而成為大氣中最主要的污染物。隨著我國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，相應(yīng)法律法規(guī)的健全和執(zhí)法力度的加大，尤其是將在2004年7月1日正式實(shí)施的《排污費(fèi)征收使用管理?xiàng)l例》的頒布，燃煤電廠氮氧化物的控制勢(shì)在必行。因此對(duì)現(xiàn)有各種脫硝工藝進(jìn)行調(diào)研研究，從而尋求一種適合我國(guó)國(guó)情的火電廠煙氣脫硝解決方案，最終實(shí)現(xiàn)煙氣脫硝裝置的國(guó)產(chǎn)化顯得尤為重要。
蘇源環(huán)保公司在成立之初就把大中型燃煤電廠的環(huán)境工程總承包作為其主營(yíng)業(yè)務(wù)，并積極推動(dòng)煙氣脫硫裝備國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，在設(shè)計(jì)個(gè)性化、工藝自主化、設(shè)備國(guó)產(chǎn)化等方面作出了不懈的努力，其自主開發(fā)的OI2-WFGD技術(shù)已通過(guò)江蘇省經(jīng)貿(mào)委和科技廳的鑒定，并成功用于600MW級(jí)機(jī)組的煙氣脫硫工程中。煙氣脫硫需要裝備的國(guó)產(chǎn)化，煙氣脫硝也應(yīng)當(dāng)有國(guó)人自己的技術(shù)。本文在介紹世界上各種主流脫硝工藝的同時(shí)，對(duì)工藝自主化、裝備國(guó)產(chǎn)化提出了若干見解，供各政府機(jī)關(guān)、科研院所、發(fā)電企業(yè)參考，希望藉此能對(duì)我國(guó)煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及其國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)盡一點(diǎn)綿薄之力。
2 燃煤電廠煙氣脫硝的主要工藝
氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格促使學(xué)術(shù)界去更加深入地理解NOx的產(chǎn)生機(jī)理和減排措施，從而使得工程界有了更為有效的NOx解決方案，而若干脫硝工業(yè)裝置的成功運(yùn)行又使得立法越發(fā)的完善。
從1943年Zeldovich提出熱力NO的概念，到1989年一個(gè)基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN的包含234個(gè)化學(xué)反應(yīng)的NOx預(yù)測(cè)模型的建立，再到現(xiàn)今計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件STAR-CD(或FLUENT)與CHEMKIN的完全耦合解算NOx的生成，無(wú)一不給工程界提供了完備的技術(shù)后盾。從低氧燃燒、排氣循環(huán)燃燒、二級(jí)燃燒、濃淡燃燒、分段燃燒、低氮燃燒器等各種爐內(nèi)燃燒過(guò)程的改進(jìn)到現(xiàn)今形式各異的脫硝工藝，立法界、學(xué)術(shù)界和工程界的交替作用使得脫硝工藝和市場(chǎng)日趨成熟和完善。
2.1 選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)
選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)是指在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。其原理首先由Engelhard公司發(fā)現(xiàn)并于1957年申請(qǐng)專利，后來(lái)日本在該國(guó)環(huán)保政策的驅(qū)動(dòng)下，成功研制出了現(xiàn)今被廣泛使用的V2O5/TiO2催化劑，并分別在1977年和1979年在燃油和燃煤鍋爐上成功投入商業(yè)運(yùn)用。SCR目前已成為世界上應(yīng)用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術(shù)，其主要反應(yīng)方程式為：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1)
8NH3+6NO2=7N2+12H2O (2)
或 4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O (2a)
選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢允狗磻?yīng)(1)及(2)在200℃～400℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，并能有效地抑制副反應(yīng)的發(fā)生。在NH3與NO化學(xué)計(jì)量比為1的情況下，可以得到高達(dá)80％～90％的NOx脫除率。目前，世界上采用SCR的裝置有數(shù)百套之多，技術(shù)成熟且運(yùn)行可靠。我國(guó)電力系統(tǒng)目前最大的煙氣脫硝裝置——福建后石電廠600MW機(jī)組配套煙氣脫硝系統(tǒng)采用的就是PM型低NOx燃燒器加分級(jí)燃燒結(jié)合SCR裝置的工藝，其SCR部分的示意工藝流程如圖1所示，主要由氨氣及空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣/空氣噴霧系統(tǒng)、催化反應(yīng)器等組成。液氨由槽車運(yùn)送到液氨貯槽，輸出的液氨經(jīng)氨氣蒸發(fā)器后變成氨氣，將之加熱到常溫后送氨氣緩沖槽備用。緩沖槽的氨氣經(jīng)減壓后送入氨氣/空氣混合器中，與來(lái)自送風(fēng)機(jī)的空氣混合后，通過(guò)噴氨隔柵(Ammonia Injection Grid, AIG)之噴嘴噴入煙氣中并與之充分混合，繼而進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)煙氣流經(jīng)催化反應(yīng)器的催化層時(shí)，氨氣和NOx在催化劑的作用下將NO及NO2還原成N2和H2O。NOx的脫除效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的化學(xué)計(jì)量比、煙氣中氧氣的濃度、催化劑的性質(zhì)和數(shù)量等。
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圖1 SCR工藝流程圖
SCR系統(tǒng)的布置方式有三種，上述后石電廠的布置方式稱為高溫高塵布置方式，此外還有高溫低塵及低溫低塵的布置形式。高溫高塵布置方式是目前應(yīng)用最為廣泛的一種，其優(yōu)點(diǎn)是催化反應(yīng)器處于300～400℃的溫度范圍內(nèi)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，然而由于催化劑處于高塵煙氣中，條件惡劣，磨刷嚴(yán)重，壽命將會(huì)受到影響。高溫低塵布置方式是指SCR反應(yīng)器布置在省煤器后的高溫電除塵器和空氣預(yù)熱器之間，該布置方式可防止煙氣中飛灰對(duì)催化劑的污染和對(duì)反應(yīng)器的磨損與堵塞，其缺點(diǎn)是電除塵器在300~400℃的高溫下運(yùn)行條件差。低溫低塵布置(或稱尾部布置)方式是將SCR反應(yīng)器布置在除塵器和煙氣脫硫系統(tǒng)之后，催化劑不受飛灰和SO2的影響，但由于煙氣溫度較低，一般需要?dú)鈿鈸Q熱器或采用加設(shè)燃油或天然氣的燃燒器將煙溫提高到催化劑的活性溫度，勢(shì)必增加能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用。
SCR可能產(chǎn)生的問(wèn)題主要有：
(1)氨泄漏(NH3 slip)，是指未反應(yīng)的氨排出系統(tǒng)，造成二次污染，采用合理的設(shè)計(jì)通？梢詫钡男孤┝靠刂圃5ppm以內(nèi)；
(2)當(dāng)燃用高硫煤時(shí)，煙氣中部分SO2將被氧化生成SO3，這部分SO3以及煙氣中原有的SO3將與NH3進(jìn)一步反應(yīng)生成氨鹽，從而造成催化劑中毒或堵塞。其發(fā)生的主要副反應(yīng)有：
2SO2+O2=2SO3 (3)
2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4 (4)
NH3+SO3+H2O=NH4HSO4 (5)
這主要通過(guò)燃用低硫煤、降低氨泄漏量或?qū)CR反應(yīng)器置于FGD系統(tǒng)后來(lái)控制或減少氨鹽的生成。
(3)飛灰中的重金屬(主要是As)或堿性氧化物(主要有MgO，CaO，Na2O，K2O等)的存在會(huì)使催化劑中毒或活性顯著降低。
(4)過(guò)量的NH3可能和O2反應(yīng)生成N2O，盡管N2O對(duì)人體沒有危害，但近來(lái)的研究成果表明，N2O是造成溫室效應(yīng)的氣體之一。其可能發(fā)生的反應(yīng)為：
2NH3+2O2=N2O+3H2O (6)
然而所有這些問(wèn)題都可以通過(guò)選擇合適的催化劑、控制合理的反應(yīng)溫度、調(diào)節(jié)理想的化學(xué)計(jì)量比等方法使之危害降到最低。SCR技術(shù)對(duì)鍋爐煙氣NOx的控制效果十分顯著，具有占地面積小、技術(shù)成熟可靠、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，是目前唯一大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用并能滿足任何苛刻環(huán)保政策的控制措施，可作為我國(guó)燃煤電廠控制NOx污染的主要手段之一。然而由于SCR需要消耗大量的催化劑，因此也存在運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備投資大的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)改造機(jī)組亦有場(chǎng)地限制，對(duì)設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。
2.2 選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)
SCR技術(shù)的催化劑費(fèi)用通常占到SCR系統(tǒng)初始投資的50-60％左右，其運(yùn)行成本很大程度上受催化劑壽命的影響，選擇性非催化氧化還原法應(yīng)運(yùn)而生。選擇性非催化氧化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)工藝，或被稱為熱力DeNOx工藝最初由美國(guó)的Exxon公司發(fā)明并于1974在日本成功投入工業(yè)應(yīng)用。其基本原理是上述反應(yīng)(1)在沒有催化劑的情況下可以在800℃～1100℃這一狹窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而且基本上不與O2作用。SNCR法的還原劑除了NH3以外還可以采用尿素或其它氨基，其反應(yīng)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)用尿素作還原劑時(shí)其反應(yīng)方程式可簡(jiǎn)單表示如下如下：
H2NCONH2+2NO+1/2O2=2N2+CO2+H2O (7)
同SCR工藝類似，NOx的脫除效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的化學(xué)計(jì)量比、混合程度，反應(yīng)時(shí)間等。研究表明，SNCR工藝的溫度控制至關(guān)重要，若溫度過(guò)低，NH3的反應(yīng)不完全，容易造成NH3泄漏；而溫度過(guò)高，NH3則容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫除效果。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致還原劑損失和NOx脫除率下降。通常，設(shè)計(jì)合理的SNCR工藝能達(dá)到高達(dá)30-70%的脫除效率，甚至80%的效率亦見文獻(xiàn)報(bào)道。
SNCR可能出現(xiàn)的問(wèn)題同SCR工藝相似，比如氨泄漏，N2O的產(chǎn)生，當(dāng)采用尿素作還原劑時(shí)，還可能產(chǎn)生CO二次污染等問(wèn)題。然而通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)控制，這些隱患均可以降到最小。
SNCR與SCR相比運(yùn)行費(fèi)用低，舊設(shè)備改造少，尤其適合于改造機(jī)組，僅需要氨水貯槽和噴射裝置，投資較SCR法小，但存在還原劑耗量大、NOx脫除效率低等缺點(diǎn)，溫度窗口的選擇和控制也比較困難，同時(shí)鍋爐型式和負(fù)荷狀態(tài)的不同需要采用不同的工藝設(shè)計(jì)和控制策略，設(shè)計(jì)難度較大。
SCR工藝與SNCR工藝的比較如表1所示。
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表1 SCR與SNCR工藝比較
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SNCR/SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)結(jié)合了兩者優(yōu)勢(shì)，將SNCR工藝的還原劑噴入爐膛，用SCR工藝使逸出的NH3和未脫除的NOx進(jìn)行催化還原反應(yīng)。典型的聯(lián)合裝置能脫除84％的NOx，同時(shí)逸出NH3濃度低于10ppm。圖2給出了SNCR/SCR聯(lián)合工藝NOx的理論脫除效率曲線，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示單純采用SNCR或SCR工藝時(shí)NOx的脫除效率，從圖中可以看出，如果要達(dá)到50%的總脫除效率，并假如SNCR的效率為20%，那么SCR的效率只要不低于37.5%就能滿足要求。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖2并未考慮低氮燃燒器或燃燒改進(jìn)引起的氮氧化物脫除，假如該效率以50%計(jì)，SNCR和SCR的效率分別為20%和37.5%，那么總的NOx效率將高達(dá)75%。該分析方法也同樣適合于其它聯(lián)合工藝效率的估計(jì)，然而應(yīng)當(dāng)注意的是總的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用并不一定由于聯(lián)合工藝的采用而降低，煙氣脫硝工藝的選擇應(yīng)根據(jù)具體的鍋爐型式和負(fù)荷、煙氣條件和NOx濃度、需要達(dá)到的效率、還原劑供給條件、場(chǎng)地條件、預(yù)熱器和電除塵器情況、FGD裝置特點(diǎn)等因素綜合考慮，以達(dá)到最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。
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圖2 SNCR/SCR聯(lián)合工藝NOx脫除效率
2.3 其它煙氣脫硝工藝
除了上述主流的SCR及SNCR工藝，還有液體吸收法、微生物吸收法、非選擇性催化還原法、熾熱炭還原法、催化分解法、液膜法、SNRB工藝脫硝技術(shù)、反饋式氧化吸收脫硝技術(shù)等，除此之外，一些聯(lián)合脫硫脫硝工藝亦在興起，如活性炭吸附法，等離子體法，電子束法、脈沖電暈放電等離子體法、CuO法、NOxSO工藝、SNAP法等。這些方法或已被淘汰，或處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，或效率不高，難以投入大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，這里就不一一贅述，各主要工藝的比較如表2所述。
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表2 主要煙氣脫硝工藝的比較
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3 煙氣脫硝裝備國(guó)產(chǎn)化的幾點(diǎn)建議
從日本、美國(guó)和德國(guó)等氮氧化物控制法規(guī)及相應(yīng)的污染控制技術(shù)的發(fā)展過(guò)程不難看出，NOx控制技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)裝置的應(yīng)用狀況在很大程度上取決于環(huán)保立法的健全程度。隨著二氧化硫污染治理的深入，我國(guó)已逐步開始加強(qiáng)對(duì)氮氧化物治理的力度，針對(duì)工業(yè)鍋爐和燃煤電廠氮氧化物排放的濃度提出了新的限制規(guī)定，相應(yīng)的排放收費(fèi)條例將于2004年7月開始正式實(shí)施，屆時(shí)將對(duì)氮氧化物實(shí)行與二氧化硫相同的排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)？梢娒撓醍a(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)需求即將形成規(guī)模，煙氣脫硝市場(chǎng)也將成為目前以煙氣脫硫業(yè)務(wù)為主的環(huán)保公司拓展業(yè)務(wù)的戰(zhàn)場(chǎng)。而國(guó)內(nèi)科研院校對(duì)煙氣脫硝的研究還處于起步階段，由于煙氣脫硝系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高、投資大，短期內(nèi)很難形成有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硝技術(shù)。然而煙氣脫硝不能再走FGD只引進(jìn)不吸收的老路，脫硝工藝的選擇和裝置的設(shè)計(jì)與鍋爐型式和負(fù)荷、煙氣條件和NOx濃度、需要達(dá)到的效率、還原劑供給條件、場(chǎng)地條件、預(yù)熱器和電除塵器情況、FGD裝置特點(diǎn)等因素都有一定的關(guān)系，照搬國(guó)外的技術(shù)不一定完全適合中國(guó)的國(guó)情。美國(guó)就曾對(duì)當(dāng)時(shí)日本和德國(guó)已成功運(yùn)行的SCR裝置進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模的研究，以考察在美國(guó)煤質(zhì)中可能獨(dú)有的重金屬對(duì)催化劑性能的影響。
中國(guó)釩資源豐富，在已探明的釩儲(chǔ)量(約15980萬(wàn)噸)中占11.6%，居世界第四位，位于南非(46%)\獨(dú)聯(lián)體(23.6%)和美國(guó)(13.1%)之后，并且在磷肥和尼龍行業(yè)所用的V2O5催化劑的國(guó)產(chǎn)化開發(fā)方面具有一定的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)充分利用這些優(yōu)勢(shì)，突破行業(yè)壁壘，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)資源組合，開發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的SCR催化劑。
現(xiàn)代力學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得復(fù)雜的流動(dòng)、換熱、化學(xué)反應(yīng)的數(shù)值預(yù)測(cè)成為可能，如今采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN的耦合可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)鍋爐內(nèi)的NOx生成進(jìn)行比較精確的模擬，這對(duì)SNCR工藝溫度窗口的選擇和控制顯得尤為重要。圖3給出了鍋爐內(nèi)的溫度、CO和NOx的CFD模擬結(jié)果。
改造機(jī)組通常存在場(chǎng)地條件的限制，這對(duì)SCR裝置的設(shè)計(jì)提出了很高的技術(shù)要求。利用我們?cè)跓煔饷摿蚣夹g(shù)開發(fā)過(guò)程積累的經(jīng)驗(yàn)，采用三維工廠設(shè)計(jì)軟件Vantage PDMS可完成整個(gè)脫硫脫硝島的全三維布置，并可實(shí)現(xiàn)工藝、儀表、設(shè)備、土建、熱控及電氣等專業(yè)的并行協(xié)同設(shè)計(jì)，滿足客戶的個(gè)性化需求。
煙氣脫硫需要裝備的國(guó)產(chǎn)化，煙氣脫硝也應(yīng)當(dāng)有國(guó)人自己的技術(shù)。國(guó)內(nèi)的工程公司在煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)中大有可為。
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圖3 爐膛內(nèi)溫度、CO及NOx分布(CFD模擬結(jié)果)
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