電廠脫硝技術(shù)原理及影響因素

燃燒煙氣中去除氮氧化物的過程，防止環(huán)境污染的重要性，已作為世界范圍的問題而被尖銳地提了出來。世界上比較主流的工藝分為：SCR和SNCR。這兩種工藝除了由于SCR使用催化劑導(dǎo)致反應(yīng)溫度比SNCR低外，其他并無太大區(qū)別，但如果從建設(shè)成本和運(yùn)行成本兩個(gè)角度來看，SCR的投入至少是SNCR投入的數(shù)倍，甚至10倍不止。

為防止鍋爐內(nèi)煤燃燒后產(chǎn)生過多的NOx污染環(huán)境，應(yīng)對煤進(jìn)行脫硝處理。分為燃燒前脫硝、燃燒過程脫硝、燃燒后脫硝。

1、氮氧化物的的危害有哪些？

答：(1)、NO能使人中樞神經(jīng)麻痹并導(dǎo)致死亡，NO2會(huì)造成哮喘和肺氣腫，破壞人的心、肺，肝、腎及造血組織的功能喪失，其毒性比NO更強(qiáng)。無論是NO、NO2或N2O，在空氣中的最高允許濃度為5mg/m3(以NO2計(jì))。

(2)、NOx與SO2一樣，在大氣中會(huì)通過干沉降和濕沉降兩種方式降落到地面，最終的歸宿是硝酸鹽或是硝酸。硝酸型酸雨的危害程度比硫酸型酸雨的更強(qiáng)，因?yàn)樗趯λw的酸化、對土壤的淋溶貧化、對農(nóng)作物和森林的灼傷毀壞、對建筑物和文物的腐蝕損傷等方面絲毫不不遜于硫酸型酸雨。所不同的是，它給土壤帶來一定的有益氮分，但這種“利"遠(yuǎn)小于“弊"，因?yàn)樗赡軒淼乇硭粻I養(yǎng)化，并對水生和陸地的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。

(3)、大氣中的NOx有一部分進(jìn)入同溫層對臭氧層造成破壞，使臭氧層減薄甚至形成空洞，對人類生活帶來不利影響；同對NOx中的N2O也是引起全球氣候變暖的因素之一，雖然其數(shù)量極少，但其溫室效應(yīng)的能力是CO2的200-300倍。

2、影響NOx生成的主要因素有哪些？

答：鍋爐煙氣中的NOx主要來自燃料中的氮，從總體上看燃料氮含量越高，則NOx的排放量也就越大。此外還有很多因素都會(huì)影響鍋爐煙氣中的NOx含量的多少，有燃料種類的影響，有運(yùn)行條件的影響，也有鍋爐負(fù)荷的影響。

(1)鍋爐燃料特性影響

煤揮發(fā)成分中的各種元素比會(huì)影響燃燒過程中的NOx生成量，煤中氧/氮(O/N)比值越大，NOx排放量越高；即使在相同O/N比值條件下，轉(zhuǎn)化率還與過量空氣系數(shù)有關(guān)，過量空氣系數(shù)大，轉(zhuǎn)化率高，使NOx排放量增加。此外，煤中硫/氮(S/N)比值也會(huì)影響到SO2和NOx的排放水平，S和N氧化時(shí)會(huì)相互競爭，因此，在鍋爐煙氣中隨SO2排放量的升高，NOx排放量會(huì)相應(yīng)降低。

(2)鍋爐過量空氣系數(shù)影響

當(dāng)空氣不分級進(jìn)入爐膛時(shí)，降低過量空氣系數(shù)，在一定程度上會(huì)起到限制反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧濃度的止的，因而對NOx的生成有明顯的控制作用，采用這種方法可使NOx的生成量降低15%-20%。但是CO隨之增加，燃燒效率下降。當(dāng)空氣分級進(jìn)入時(shí)，可有效降低NOx排放量，隨著一次風(fēng)量減少，二次風(fēng)量增，N被氧人的速度降低，NOx的排放量也相應(yīng)下降。

(3)鍋爐燃燒溫度影響

燃燒溫度對NOx排放量的影響已取得共識，即隨著爐內(nèi)燃燒溫度的提高，NOx排放量上升。

(4)鍋爐負(fù)荷率影響

通常情況下，增大負(fù)荷率，增加給煤量，燃燒室及尾部受熱面處的煙溫隨之增高，揮發(fā)分N生成的NOx隨之增加。

3、控制NOx的措施有那些？

答：有關(guān) NOx的控制方法從燃料的生命周期的三個(gè)階段入手，即燃燒前、燃燒中和燃燒后。當(dāng)前，燃燒前脫硝的研究很少，幾乎所有的研究都集中在燃燒中和燃燒后的 NOx控制。所以在國際上把燃燒中 NOx的所有控制措施統(tǒng)稱為一次措施，把燃燒后的 NOx控制措施稱為二次措施，又稱為煙氣脫硝技術(shù)。目前普遍采用的燃燒中 NOx控制技術(shù)即為低 NOx燃燒技術(shù)，主要有低 NOx燃燒器、空氣分級燃燒和燃料分級燃燒。應(yīng)用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)以(SNCR)及 SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)。

4、什么是低氮燃燒技術(shù)？

答：對 NOx的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過量空氣量。因此，低 NOx燃燒技術(shù)就是通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，以達(dá)到阻止 NOx生成及降低其排放的目的。目前常用的低 NOx燃燒技術(shù)有如下幾種：

(1)燃燒優(yōu)化：通過調(diào)整鍋爐燃燒配風(fēng)，控制 NOx排放的一種實(shí)用方法。它采取的措施是通過控制燃燒空氣量、保持每只燃燒器的風(fēng)粉 (煤粉)比相對平衡及進(jìn)行燃燒調(diào)整，使燃料型 NOx的生成降到，從而達(dá)到控制 NOx排放的目的。

(2)空氣分級燃燒技術(shù)：是目前應(yīng)用較為廣泛的低 NOx燃燒技術(shù)，它的主要原理是將燃料的燃燒過程分段進(jìn)行。該技術(shù)是將燃燒用風(fēng)分為一、二次風(fēng)，減少煤粉燃燒區(qū)域的空氣量(一次風(fēng))，提高燃燒區(qū)域的煤粉濃度，推遲一、二次風(fēng)混合時(shí)間，這樣煤粉進(jìn)入爐膛時(shí)就形成了一個(gè)富燃料區(qū)，使燃料在富燃料區(qū)進(jìn)行缺氧燃燒，以降低燃料型 NOx的生成。缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與二次風(fēng)混合，使燃料*燃燒。

(3)低 NOx燃燒器：將前述的空氣分級及燃料分級的原理應(yīng)用于燃燒器的設(shè)計(jì)，盡可能的降低著火區(qū)的氧濃度和溫度，從而達(dá)到控制 NOx生成量的目的，這類特殊設(shè)計(jì)的燃燒器就是低 NOx燃燒器，一般可以降低 NOx排放濃度的 30～60%。

此外，還有燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)等技術(shù)對 NOx進(jìn)行控制。近幾年投運(yùn)的大型機(jī)組，特別是超臨界、超超臨界機(jī)組基本都采用了低氮燃燒技術(shù)，較好的控制了 NOx的排放濃度。而早些年投運(yùn)的機(jī)組，NOx排放濃度相對較高。由于我國對環(huán)保的要求越來越高，對氮氧化物排放的限制將越來越嚴(yán)格，因此國內(nèi)一些大型鍋爐廠和一些工程公司等對低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行了較多的研究，特別是在已運(yùn)行的機(jī)組上如在一些已運(yùn)行的電站鍋爐上實(shí)施低氮燃燒改造的試驗(yàn)和工程應(yīng)用。實(shí)施低氮燃燒改造基本上是通過采用空氣分級、高位燃盡風(fēng)、濃淡燃燒器和空氣濃淡分布技術(shù)、降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對 NOx的有效控制。

5、為什么低氮燃燒技術(shù)在低負(fù)荷時(shí)NOx的排放不易控制？

答：一般而言，為了保證汽溫，鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)通常會(huì)適當(dāng)提高燃燒時(shí)的過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)的提高使得燃燒中氧量偏高，分級燃燒效果降低，也就是沒有有效發(fā)揮空氣分級的特點(diǎn)以降低NOx的排放，這是鍋爐低負(fù)荷時(shí)NOx不易控制的主要原因。

另外，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即使不參與燃燒配風(fēng)的二次風(fēng)門全關(guān)時(shí)，風(fēng)門擋板仍留有一定的流通空隙，以保證約10%左右的二次風(fēng)通過，冷卻該燃燒器噴嘴。但由于鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，總的運(yùn)行風(fēng)量較小，而燃燒器停運(yùn)風(fēng)門全關(guān)時(shí)流通空隙的結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)量占燃燒風(fēng)量的比例在低負(fù)荷時(shí)明顯增加，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的主燃燒器區(qū)域的低氧量無法保證，分級燃燒效果降低，因此低負(fù)荷控制NOx的效果不明顯。

6、低NOx燃燒低過量空氣技術(shù)有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

答：使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行，隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制NOx的生成。這是一種的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15～20%。但如爐內(nèi)氧濃度過低（3%以下），會(huì)造成CO濃度急劇增加，增加化學(xué)不*燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。因此在鍋爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，應(yīng)選取的過量空氣系數(shù)。

另外當(dāng)鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)按照較低的過量空氣系數(shù)時(shí)，如果實(shí)際運(yùn)行無法達(dá)到設(shè)計(jì)選取的過量空氣系數(shù)（實(shí)際運(yùn)行高于設(shè)計(jì)值），會(huì)導(dǎo)致通過鍋爐各受熱部件的煙氣流速偏離設(shè)計(jì)值，因此將無法到達(dá)設(shè)計(jì)的換熱效果和受熱面防磨性的要求。

因此必須將降低NOx和提高燃燒效率相結(jié)合，在相應(yīng)的低過量空氣系數(shù)降低NOx排放的同時(shí)兼顧鍋爐整體受熱面的設(shè)計(jì)，優(yōu)化整體鍋爐的運(yùn)行性能。

7、什么是SCR煙氣脫硝技術(shù)？

答：SCR煙氣脫硝技術(shù)即選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，簡稱 SCR），是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑，利用催化劑(鐵、釩、鉻、鈷或鉬等堿金屬) 在溫度為200-450℃時(shí)將煙氣中的 NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退Ｓ捎贜H3具有選擇性，只與NOx發(fā)生反應(yīng)，基本不與O2反應(yīng)，故稱為選擇性催化還原脫硝。在通常的設(shè)計(jì)中，使用液態(tài)純氨或氨水（氨的水溶液），無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發(fā)，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入 SCR反應(yīng)器上游的煙氣中。

8、SCR法的優(yōu)點(diǎn)有哪些？

答：SCR法是國際上應(yīng)用最多、技術(shù)的一種煙氣脫硝技術(shù)。該法的優(yōu)點(diǎn)是：由于使用了催化劑，故反應(yīng)溫度較低；凈化率高，可高達(dá)85%以上；工藝設(shè)備緊湊，運(yùn)行可靠；還原后的氮?dú)夥趴眨瑹o二次污染。

9、SCR法的缺點(diǎn)有哪些？

答：SCR法存在一些明顯的缺點(diǎn)：煙氣成分復(fù)雜，某些污染物可使催化劑中毒；高分散度的粉塵微粒可覆蓋催化劑的表面，使其活性下降；系統(tǒng)中存在一些未反應(yīng)的NH3和煙氣中的SO2作用，生成易腐蝕和堵塞設(shè)備的硫酸氨(NH4)2SO4和硫酸氫氨NH4HSO4,同時(shí)還會(huì)降低氨的利用率；投資與運(yùn)行費(fèi)用較高。

10、SCR系統(tǒng)里的NOx是如何被反應(yīng)的？

在 SCR反應(yīng)器內(nèi)，NO通過以下反應(yīng)被還原：

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2+ 6H2O

6NO + 4NH3 → 5N2+ 6H2O

當(dāng)煙氣中有氧氣時(shí)，反應(yīng)第一式優(yōu)先進(jìn)行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關(guān)系。

在鍋爐的煙氣中，NO2一般約占總的 NOx濃度的 5% ，NO2參與的反應(yīng)如下：

2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2+ 6H2O

6NO2 + 8NH3 → 7N2+ 12H2O

上面兩個(gè)反應(yīng)表明還原 NO2比還原 NO 需要更多的氨。在絕大多數(shù)鍋爐的煙氣中，NO2僅占 NOx 總量的一小部分，因此 NO2的影響并不顯著。

11、SCR脫硝法的催化劑如何選擇？

答：SCR法中催化劑的選取是關(guān)鍵因素，對催化劑的要求是活性高、壽命長、經(jīng)濟(jì)性好不產(chǎn)生二次污染。在以氨為還原劑來還原NOx時(shí)，雖然過程容易進(jìn)行，銅、鐵、鉻、錳等非貴金屬都可起到有效的催化作用，但因煙氣中含有SO2、塵粒和水霧，對催化反應(yīng)和催化劑均不利，故采用銅、鐵等金屬作為催化劑的SCR法必須首先進(jìn)行煙氣除塵和脫硫；或者是選用不易受骯臟煙氣污染和腐蝕等影響的，同時(shí)要具有一定的活性和耐受一定溫度的催化劑，如為基體的堿金屬催化劑，其最佳反應(yīng)溫度為300-400℃。

12、如何保證SCR系統(tǒng) NOx脫除效率？

答：SCR系統(tǒng) NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎*和 NOx反應(yīng)。有一小部分氨不反應(yīng)而是作為氨逃逸離開了反應(yīng)器。一般來說，對于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會(huì)增加，為了維持需要的 NOx脫除率，就必須增加反應(yīng)器中 NH3/NOx摩爾比。當(dāng)不能保證預(yù)先設(shè)定的脫硝效率和（或）氨逃逸量的性能標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就必須在反應(yīng)器內(nèi)添加或更換新的催化劑以恢復(fù)催化劑的活性和反應(yīng)器性能。

13、SCR脫硝過程中氨的氧化機(jī)理及危害？

答：氨的氧化將一部分氨轉(zhuǎn)化為其它的氮化合物。可能的反應(yīng)有：

4NH3 + 5O2 → 4NO+ 6H2O

4NH3 + 3O2 → 2N2+ 6H2O

2NH3 + 2O2 → N2O+ 3H2O

影響氨氧化反應(yīng)的因素有：催化劑成分、煙氣中各組分和氨的濃度、反應(yīng)器溫度等。一般認(rèn)為在釩催化劑上，當(dāng)溫度超過 399℃時(shí)，氨的氧化對脫硝過程才有顯著影響。

其危害：首先，達(dá)到給定的 NOx脫除率需要的氨供給率將增加，需要添加額外的還原劑以替換被氧化的氨；第二，氨的氧化減少了催化劑內(nèi)表面吸附的氨，可能影響 NOx脫除，可能導(dǎo)致催化劑體積不足；此外，由于氨不是被氧化就是與 NOx反應(yīng)或者作為氨逃逸從反應(yīng)器中排出，因此氨的氧化使 SCR工藝過程的物料平衡變得復(fù)雜。因此， SCR煙氣脫硝系統(tǒng)需要安裝氨逃逸的測量儀器。

14、SCR脫硝過程中SO2氧化的機(jī)理及危害？

答：SCR催化劑的氧化特性使燃用含硫煤的鍋爐的脫硝反應(yīng)器也會(huì)將 SO2氧化為 SO3：2SO2 + O2 → 2SO3 。SO2氧化率受煙氣中 SO2濃度、反應(yīng)器溫度、催化劑質(zhì)量、催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配方的影響。SO3的產(chǎn)生率正比于煙氣中 SO2的濃度。增加反應(yīng)溫度也會(huì)加快 SO2的氧化，當(dāng)溫度超過 371℃時(shí)，氧化速率將迅速增加。SO2氧化速率也與反應(yīng)器中催化劑的體積成正比，因此，為獲得高的脫硝效率和低的氨逃逸而設(shè)計(jì)的反應(yīng)器也會(huì)產(chǎn)生更多的 SO3。

SO3與催化劑組分及煙氣組分反應(yīng)，形成固體顆粒沉積在催化劑表面或內(nèi)部，縮短催化劑壽命。SCR反應(yīng)器產(chǎn)生的 SO3增加了煙氣中 SO3的本底濃度。

15、SCR脫硝過程中銨鹽（如硫酸氫銨和硫酸銨）的形成機(jī)理及危害。

答：約在 320℃以下，SO3和逃逸的氨反應(yīng)，形成硫酸氫銨和硫酸銨：

NH3 + SO3 + H2O→ NH4HSO4

2NH3 + SO3 + H2O →（NH4）2SO4

這些物質(zhì)從煙氣中凝結(jié)并沉積，可以使催化劑失活；造成 SCR系統(tǒng)的下游設(shè)備沾污和腐蝕，增加空氣預(yù)熱器的壓降并降低其傳熱性能；使飛灰及脫硫裝置副產(chǎn)物不適合于特定的用途。降低上述影響是將氨逃逸量維持在低水平以及控制燃用含硫燃料鍋爐 SCR裝置的SO2氧化率。銨鹽沉積開始的溫度是氨和 SO3濃度的函數(shù)，為了避免催化劑沾污，在滿負(fù)荷條件下，SCR系統(tǒng)運(yùn)行溫度應(yīng)該維持在 320℃以上。

16、影響SCR脫硝性能的因素有哪些？

答：影響SCR脫硝性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素有：反應(yīng)溫度、煙氣速度、催化劑的類型、結(jié)構(gòu)和表面積以及煙氣/氨氣的混合效果。

催化劑是SCR系統(tǒng)中的主要部分，其成分組成、結(jié)構(gòu)、壽命及相關(guān)參數(shù)直接影響SCR系統(tǒng)的脫硝效率及運(yùn)行狀況。不同的催化劑適宜的反應(yīng)溫度也差別各異。反應(yīng)溫度不僅決定反應(yīng)物的反應(yīng)速度，而且決定催化劑的反應(yīng)活性。如果反應(yīng)溫度太低，催化劑的活性降低，脫硝效率下降，則達(dá)不到脫硝的效果，此外催化劑在低溫下持續(xù)運(yùn)行，還將導(dǎo)致催化劑的性損壞；如果反應(yīng)溫度太高，則NH3容易被氧化，生成NOx的量增加，甚至?xí)鸫呋瘎┎牧系南嘧儯瑢?dǎo)致催化劑的活性退化。在相同的條件下，反應(yīng)器中的催化劑表面積越大，NO的脫除效率越高，同時(shí)氨的逸出量也越少。