火力發(fā)電廠脫硝裝置介紹

1、火力發(fā)電廠脫硝裝置介紹1. 概述氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的NOx有多種不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5，其中NO和NO2是重要的大氣污染物，另外還有少量N2O。我國氮氧化物的排放量中70來自于煤炭的直接燃燒，電力工業(yè)又是我國的燃煤大戶，因此火力發(fā)電廠是NOx排放的主要來源之一。在煤的燃燒過程中，NOx的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等密切相關(guān)。燃燒形成的NOx可分為燃料型、熱力型和快速型3種。其中快速型NOx生成量很少,可以忽略不計(jì)。(1)熱力型NOx，指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸蒒Ox。當(dāng)爐膛溫度在1

2、350以上時，空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卤谎趸蒒Ox,當(dāng)溫度足夠高時,熱力型NOx可達(dá)20 %。過量空氣系數(shù)和煙氣停留時間對熱力型NOx 的生成有很大影響。(2) 燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進(jìn)行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx。其生成量主要取決于空氣燃料的混合比。燃料型NOx約占NOx總生成量的75%90%。過量空氣系數(shù)越高, NOx的生成和轉(zhuǎn)化率也越高。(3)快速型NOx，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成NOx。主要是指燃料中碳?xì)浠衔镌谌剂蠞舛容^高的區(qū)域燃燒時所產(chǎn)生的烴,與燃燒空氣中的N2 發(fā)生反應(yīng)，形成的CN和HCN繼續(xù)氧化而生成的NOx。在燃煤鍋

3、爐中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳?xì)淙剂蠒r才予以考慮。在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5；在溫度低于1300時，幾乎沒有熱力型NOx。對常規(guī)燃煤鍋爐而言，NOx主要通過燃料型生成途徑而產(chǎn)生?？刂芅Ox排放的技術(shù)可分為一次措施和二次措施兩類：一次措施是通過各種技術(shù)手段降低燃燒過程中的NOx生成量；二次措施是將已經(jīng)生成的NOx通過技術(shù)手段從煙氣中脫除。1.1脫硝基本技術(shù)及概念降低NOx排放主要有兩種措施。 一是控制燃燒過程中NOx的生成，即低NOx燃燒技術(shù)；二是對生成的NOx進(jìn)行處理，即煙氣脫硝技術(shù)。1.1.1 低NOx燃燒技術(shù)為了控制燃燒過程中NOx的生成量所采取的措施原則為：(1

4、)降低過量空氣系數(shù)和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；(2)降低燃燒溫度，防止產(chǎn)生局部高溫區(qū)；(3)縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時間等；低NOx燃燒技術(shù)主要包括如下方法； 1、空氣分級燃燒燃燒區(qū)的氧濃度對各種類型的NOx生成都有很大影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)<1，燃燒區(qū)處于“貧氧燃燒”狀態(tài)時，對于抑制在該區(qū)中NOx的生成量有明顯效果。根據(jù)這一原理，把供給燃燒區(qū)的空氣量減少到全部燃燒所需用空氣量的70左右，從而即降低了燃燒區(qū)的氧濃度也降低了燃燒區(qū)的溫度水平。因此，第一級燃燒區(qū)的主要作用就是抑制NOx的生成并將燃燒過程推遲。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風(fēng)噴口送入爐膛與第一級所產(chǎn)生的煙氣混合，

5、完成整個燃燒過程。爐內(nèi)空氣分級燃燒分軸向空氣分級燃燒(OFA方式)和徑向空氣分級。軸向空氣分級將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風(fēng)，約占總二次風(fēng)量的7085，另一部分為燃盡風(fēng)(OFA)，約占總二次風(fēng)量的1530。爐內(nèi)的燃燒分為三個區(qū)域，熱解區(qū)、貧氧區(qū)和富氧區(qū)。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛截面上組織分級燃燒。它是通過將二次風(fēng)射流部分偏向爐墻來實(shí)現(xiàn)的。空氣分級燃燒存在的問題是二段空氣量過大，會使不完全燃燒損失增大；煤粉爐由于還原性氣氛易結(jié)渣、腐蝕。圖1、空氣分級燃燒示意圖2、燃料分級燃燒在主燃燒器形成的初始燃燒區(qū)的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區(qū)，NOx進(jìn)入本區(qū)將被

6、還原成N2。為了保證再燃區(qū)不完全燃燒產(chǎn)物的燃盡，在再燃區(qū)的上面還需布置燃盡風(fēng)噴口。改變再燃燒區(qū)的燃料與空氣之比是控制NOx排放量的關(guān)鍵因素。在再燃燒系統(tǒng)中，分段供給的燃料和燃燒用空氣在爐內(nèi)形成三個不同的燃燒段，分別在貧燃料、富燃料和貧燃料狀態(tài)下運(yùn)行。在一次或“主”燃燒段，主要燃料煤粉在過量的空氣中燃燒，由燃料中和燃燒用空氣中的氮形成NOx。二次燃料，又稱為再燃燃料，通常是天然氣或煤粉(油或任何其他的碳?xì)浠衔锶剂弦捕伎梢允褂?，在主燃燒段上方噴入，形成富燃料的“再燃”段。從這一區(qū)段的再燃燃料中釋放出來的烴基與主燃燒段中形成的NOx反應(yīng)，NOx被還原成分子氮。最后，在再燃段上方噴入剩余的燃燒用空

7、氣，形成貧燃料的“燃盡”區(qū)，從而完成了燃燒全過程。通常再燃燃料的熱量占總輸入熱量的10%-30%。再燃技術(shù)可以減少高達(dá)70%的NOx。圖2顯示了再燃過程中三個不同的燃燒段。存在問題是為了減少不完全燃燒損失，需加空氣對再燃區(qū)煙氣進(jìn)行三級燃燒，配風(fēng)系統(tǒng)比較復(fù)雜。圖2、燃料分級燃燒示意圖3、煙氣再循環(huán)該技術(shù)是把空氣預(yù)熱器前抽取的溫度較低的煙氣與燃燒用的空氣混合，通過燃燒器送入爐內(nèi)從而降低燃燒溫度和氧的濃度，達(dá)到降低NOx生成量的目的。存在的問題是由于受燃燒穩(wěn)定性的限制，一般再循環(huán)煙氣率為1520，投資和運(yùn)行費(fèi)較大，占地面積大。1.1.2 煙氣脫硝技術(shù)由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性, 對于燃煤鍋爐,采用

8、改進(jìn)燃燒技術(shù)可以達(dá)到一定的除NOx 效果,但脫除率一般不超過60%。使得NOx 的排放不能達(dá)到令人滿意的程度,為了進(jìn)一步降低NOx 的排放，必須對燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硝處理。 目前通行的煙氣脫硝工藝大致可分為干法、半干法和濕法3 類。其中干法包括選擇性非催化還原法(SNCR) 、選擇性催化還原法(SCR) 、電子束聯(lián)合脫硫脫硝法;半干法有活性炭聯(lián)合脫硫脫硝法;濕法有臭氧氧化吸收法等。就目前而言，干法脫硝占主流地位。其原因是：NOx與SO2相比，缺乏化學(xué)活性，難以被水溶液吸收；NOx 經(jīng)還原后成為無毒的N2和O2，脫硝的副產(chǎn)品便于處理；NH3對煙氣中的NO可選擇性吸收，是良好的還原劑。濕法與干法相

9、比，主要缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜且龐大；排水要處理，內(nèi)襯材料腐蝕，副產(chǎn)品處理較難，電耗大(特別是臭氧法)。煙氣脫硝技術(shù)有氣相反應(yīng)法(如SCR法)、電子束法、液體吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等幾類。1.1.21煙氣脫硝處理方法1、 爐膛噴射法爐膛噴射法實(shí)質(zhì)是向爐膛噴射還原性物質(zhì)，可在一定溫度條件下還原已生成的NOx，從而降低NOx的排放量。包括噴水法、二次燃燒法(噴二次燃料即前述燃料分級燃燒)、噴氨法等。噴氨法亦稱選擇性非催化還原法(SNCR)，是在無催化劑存在條件下向爐內(nèi)噴入還原劑氨或尿素，將NOx還原為N2和H2O。它建設(shè)周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合于對中小型電廠鍋爐的改造。還原劑噴入鍋

10、爐折焰角上方水平煙道(9001000)，在NH3/NOx摩爾比23情況下，脫硝效率3050。在950左右溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)式為：4NH3+4NOO24N2+6H2O當(dāng)溫度過高時，會發(fā)生如下的副反應(yīng)，又會生成NO：4NH3+5O24NO+6H2O當(dāng)溫度過低時，又會減慢反應(yīng)速度，所以溫度的控制是至關(guān)重要的。該工藝不需催化劑，但脫硝效率低，高溫噴射對鍋爐受熱面安全有一定影響。存在的問題是由于溫度隨鍋爐負(fù)荷和運(yùn)行周期而變化及鍋爐中NOx濃度的不規(guī)則性，使該工藝應(yīng)用時變得較復(fù)雜。在同等脫硝率的情況下，該工藝的NH3耗量要高于SCR工藝，從而使NH3的逃逸量增加。因此影響SNCR系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要因素

11、是:(1)反應(yīng)溫度范圍；(2)最佳溫度區(qū)的滯留時間；(3)噴入的反應(yīng)劑與煙氣混合程度；(4)處理前煙氣中NOx濃度；(5)噴入的反應(yīng)劑與NOx的摩爾比；(6) 氨的逃逸量。下圖所示為以尿素為還原劑的SNCR工藝流程，該流程由4部分組成:(1)反應(yīng)劑的接收和儲存;(2)反應(yīng)劑的計(jì)量稀釋和混勻;(3)稀釋的反應(yīng)劑噴入鍋爐合適的部分;(4)反應(yīng)劑與煙氣的混合"圖4、SNCR工藝流程在還原劑的接收和儲存系統(tǒng)中，尿素一般采用50%的水溶液,可直接噴入爐膛。由于尿素的冰點(diǎn)僅為17.8e。因此，較冷的季節(jié)應(yīng)對尿素溶液進(jìn)行加熱和循環(huán)。尿素可采用固體顆粒運(yùn)輸，但在廠內(nèi)必須設(shè)置溶解裝置。與氨系統(tǒng)相比，尿

12、素系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):尿素是一種無毒、低揮發(fā)的液體，在運(yùn)輸和儲存方面比氨更加安全；此外，尿素溶液噴入爐膛后在煙氣中擴(kuò)散較遠(yuǎn)，可改善大型鍋爐中吸收劑和煙氣的混合效果。由于尿素的安全性和良好的擴(kuò)散性能，采用尿素的SNCR系統(tǒng)多在大型鍋爐上應(yīng)用。SNCR系統(tǒng)中，還原劑與煙氣的混合采用噴射器。噴射器有墻式和槍式2種類型。墻式噴射器在特定部位插入鍋爐內(nèi)墻，一般每個噴射部位設(shè)置1個噴嘴。墻式噴嘴一般應(yīng)用于短程噴射就能使反應(yīng)劑與煙氣達(dá)到均勻混合的小型鍋爐和尿素SNCR系統(tǒng)。由于墻式噴嘴不直接暴露于高溫?zé)煔庵?，其使用壽命要比噴槍式長。槍式噴射器由1根細(xì)管和噴嘴組成，可將其從爐墻深入到煙流中。噴槍一般應(yīng)用于煙氣與反

13、應(yīng)劑難于混合的氨噴SNCR系統(tǒng)和大容量鍋爐。在某些設(shè)計(jì)中噴槍可延伸到鍋爐整個斷面。噴槍可按單個噴嘴或多個噴嘴設(shè)計(jì)。后者的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,因此,要比單個噴嘴的噴槍和墻式噴嘴價格貴些。因噴射器忍受著高溫和煙氣的沖擊。易遭受侵蝕、腐蝕和結(jié)構(gòu)破壞，因此，噴射器一般用不銹鋼制造，且設(shè)計(jì)成可更換。除此以外，噴射器常用空氣、蒸汽和水進(jìn)行冷卻。為使噴射器最少地暴露于高溫?zé)煔庵?噴槍式噴射器和一些墻式噴嘴也可設(shè)計(jì)成可伸縮的。當(dāng)遇到鍋爐啟動、停運(yùn)、季節(jié)性運(yùn)行或一些其他原因SNCR需停運(yùn)時,可將噴射器退出運(yùn)行。用氨基作反應(yīng)劑的噴射系統(tǒng)一般比尿素系統(tǒng)復(fù)雜和昂貴些,原因是這種系統(tǒng)噴射的是氣相氨而不是液氨溶液"為

14、此,氨基噴射系統(tǒng)常配備多個噴嘴的高能噴槍系統(tǒng)"在鍋爐通道的寬度和高度內(nèi)按網(wǎng)格形式布置噴槍"2、電子束法：是用高能電子束(0.81MeV)輻射含NOx和SO2的煙氣，產(chǎn)生的自由基氧化生成硫酸和硝酸，再與NH3發(fā)生中和反應(yīng)生成氨的硫酸及硝酸鹽類，從而達(dá)到凈化煙氣的目的。3、液體吸收法：由于煙氣中的NOx90%以上是NO，而NO難溶于水，因此對NOx的濕法處理不能用簡單的洗滌法。濕法脫硝的原理是用氧化劑將NO氧化成NO2，生成的NO2再用水或堿性溶液吸收，從而實(shí)現(xiàn)脫硝。4、吸附法：最主要的方法為活性炭方法。 在眾多煙氣處理技術(shù)中，液體吸收法的脫硝效率低，凈化效果差；吸附法雖然脫硝

15、效率高，但吸附量小，設(shè)備過于龐大，再生頻繁，應(yīng)用也不廣泛； 1.1.21煙氣脫硝技術(shù)比較。脫硝技術(shù)一般比較（表1、）所采用的技術(shù)脫硝效率%工程造價運(yùn)行費(fèi)用低氮燃燒技術(shù)25-40較低低SNCR技術(shù)25-40低中等LNB + SNCR技術(shù)40-70中等中等SCR技術(shù)80-90高中等SNCR/SCR 混合技術(shù)40-80中等中等煙氣脫硝技術(shù)比較（表2）方法原理技術(shù)特點(diǎn)催化分解法在催化劑作用下，使NO直接分解為N2和O2。主要的催化劑有過渡金屬氧化物、貴金屬催化劑和離子交換分子篩等。不需耗費(fèi)氨，無二次污染。催化活性易被抑制，二氧化硫存在時催化劑中毒問題嚴(yán)重，還未工業(yè)化。選擇性非催化還原法用氨或尿素類物質(zhì)

16、使NOx還原為N2和H2O。效率較高，操作費(fèi)用較低，技術(shù)已工業(yè)化。溫度控制較難，氨氣泄漏可能造成二次污染。選擇性催化還原法在特定催化劑作用下，用氨或其它還原劑選擇性地將NOx還原為N2和H2O。脫除率高，被認(rèn)為是最好的煙氣脫硝技術(shù)。投資和操作費(fèi)用大，也存在NH3的泄漏。固體吸附法吸附對于小規(guī)模排放源可行，具有耗資少，設(shè)備簡單，易于再生。但受到吸附容量的限制，不能用于大排放源。電子束法用電子束照射煙氣，生成強(qiáng)氧化性O(shè)H基、O原子和NO2，這些強(qiáng)氧化基團(tuán)氧化煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，生成硫酸和硝酸，加入氨氣，則生成硫硝銨復(fù)合鹽。技術(shù)能耗高，并且有待實(shí)際工程應(yīng)用檢驗(yàn)。濕法脫硝先用氧化劑將難溶的NO

17、氧化為易于被吸收的NO2，再用液體吸收劑吸收。脫除率較高，但要消耗大量的氧化劑和吸收劑，吸收產(chǎn)物造成二次污染。 SCR法脫硝技術(shù)特點(diǎn)1、在脫硝效率最高，最為成熟的脫硝技術(shù)。2、介質(zhì)（液氨）為有毒有害、易燃易爆危險化學(xué)品，危險性大，對設(shè)備質(zhì)量、施工質(zhì)量、裝置可靠性要求高，調(diào)試與運(yùn)行操作要求嚴(yán)格。3、設(shè)備少，設(shè)備質(zhì)量要求高。4、NOx 經(jīng)還原后成為無毒的N2和O2，脫硝的副產(chǎn)品便于處理。1.1.3.1 原理及流程SCR技術(shù)是還原劑(NH3、尿素)在催化劑作用下，選擇性地與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故稱為“選擇性”。主要反應(yīng)如下：(1)(2)或 (3)SCRCatalystNO

18、xNOxNOxNH3NH3NH3N2N2N2H2OH2OH2OCleanGasWasteGasNH3SCR系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)室、氨儲運(yùn)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)及相關(guān)的測試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是脫硝反應(yīng)器，有水平和垂直氣流兩種布置方式，如圖1所示。在燃煤鍋爐中，煙氣中的含塵量很高，一般采用垂直氣流方式。(a) 垂直氣流 (b) 水平氣流圖1、反應(yīng)器布置方式按照催化劑反應(yīng)器在煙氣除塵器之前或之后安裝，可分為“高飛灰”或“低飛灰”脫硝，如圖2所示。采用高塵布置時，SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間。優(yōu)點(diǎn)是煙氣溫度高，滿足了催化劑反應(yīng)要求。缺點(diǎn)是煙氣中飛灰含量高，對催化劑防磨損、堵塞及鈍化性能

19、要求更高。對于低塵布置，SCR布置在煙氣脫硫系統(tǒng)和煙囪之間。煙氣中的飛灰含量大幅降低，但為了滿足溫度要求，需要安裝煙氣加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用增加，故一般選擇高塵布置方式。(a) 高塵布置 (b) 低塵布置圖2、SCR布置方式1.1.3.2 主要影響因素在 SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的運(yùn)行參數(shù)是煙氣溫度、煙氣流速、水蒸氣濃度、氨逃逸等。煙氣溫度是選擇催化劑的重要運(yùn)行參數(shù)，催化反應(yīng)只能在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，同時存在催化的最佳溫度，這是每種催化劑特有的性質(zhì)，因此煙氣溫度直接影響反應(yīng)的進(jìn)程；而煙氣流速直接影響 NH3與 NOx的混合程度，需要設(shè)計(jì)合理的流速以保證 NH3與 NOx充分混合使反應(yīng)

20、充分進(jìn)行。氨逃逸是影響SCR系統(tǒng)運(yùn)行的另一個重要參數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中通常是多于理論量的氨被噴射進(jìn)入系統(tǒng)，反應(yīng)后在煙氣下游多余的氨稱為氨逃逸，NOx脫除效率隨著氨逃逸量的增加而增加，在某一個氨逃逸量后達(dá)到一個漸進(jìn)值。另外水蒸氣濃度的增加使催化劑性能下降，催化劑鈍化失效也不利于 SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須加以有效控制。1.1.3.3 催化劑的選擇SCR 系統(tǒng)中的重要組成部分是催化劑，當(dāng)前流行的成熟催化劑有蜂窩式、波紋狀和平板式等。平板式催化劑一般是以不銹鋼金屬網(wǎng)格為基材負(fù)載上含有活性成份的載體壓制而成；蜂窩式催化劑一般是把載體和活性成份混合物整體擠壓成型；波紋狀催化劑是丹麥HALDOR TOPSOE A/S公司研發(fā)的催化劑，外形如起伏的波紋，從而形成小孔。加工工藝是先制作玻璃纖維加固的TiO2基板，再把基板放到催化活性溶液中浸泡，以使活性成份能均勻吸附在基板上。各種催化劑活性成分均為WO3和V2O5。表3為各種催化劑性能比較。表3、不同催化劑性能比較性能參數(shù)板式波紋狀蜂窩式蜂窩式基材不銹鋼金屬板玻璃纖維板整體擠壓催化劑活性高高中氧化率中低中壓力損失低低高抗腐蝕性高低低抗中毒性(As)