基本信息
- 项目名称：
- 火电厂NOX排放调查与脱硝技术应用分析
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本论文通过对河南的超临界燃煤机组的NOX排放量和控制状况进行调研，分析当前燃煤火电厂氮氧化物的排放和控制形势，探讨采用烟气脱硝技术的必要性，调研了当前NOX的控制措施，探讨常见的氮氧化物的控制和处理对策，同时分析烟气脱硝技术—SCR技术在燃煤火电厂的应用情况。
- 详细介绍：
- 火电厂NOX排放调查与脱硝技术应用分析 摘要：本论文通过调研，分析当前燃煤火电厂氮氧化物的排放情况，探讨常见的氮氧化物的控制和处理对策，同时分析烟气脱硝技术在燃煤火电厂的应用情况。 关键词：电厂 NOX 脱硝 控制 催化剂 SCR技术 1.前言 改革开放以来，我国经济保持了较快的增长速度，但同时又是以巨大的能源消耗为代价的，由此造成的环境污染是目前我国经济可持续发展亟待解决的重要问题。我国是世界第一大煤炭生产国和第二大能源消费国，电力生产以燃煤为主，火电厂燃煤量占全国煤炭消耗总量50%左右。据统计，到2007年底，我国火电厂NOX年排放量为838.3万吨，占全国总排放量的36%，居各行业第一，2010年火电厂NOX年排放量达到1000万吨左右。按照目前的发展速度， 2015年将达1150万吨左右。按照火电行业环境保护规划的要求， 2015年需要削减480万吨左右，减排压力巨大。随着环境标准的日趋严格，在发达国家和地区，均采用燃烧控制与SCR技术相结合的方法进行烟气脱硝。我国燃煤来源复杂，煤种质量普遍偏低，考虑到我国燃煤锅炉的现状及在SCR技术催化剂研究方面所取得的新突破，采用改进燃煤锅炉和改进的燃烧技术，辅之以烟道气选择性催化还原脱硝技术，可为我国火电厂烟道气脱硝提供最为现实可行的选择。 2 NOX的控制技术 火力发电是耗煤大户，燃煤带来粉尘、硫氧化物和氮氧化物的大气污染，目前燃煤发电厂对于粉尘、硫氧化物的治理已卓有成效，而对于氮氧化物排放控制方面起步相对较晚，而氮氧化物的污染也日益加剧，进行脱硝迫在眉睫，烟气脱硝技术也是当前的一项电力新技术。 根据燃煤电站产生的NOX可分为两类，一是燃料型NOX，它是由于燃料中的有机氮在燃烧过程中离子析出与含氧物质反应而形成NOX ，二是热力型NOX，它是在高温燃烧时，空气中的N2和O2发生化学反应形成的NOX 。目前，控制NOX排放的技术主要有两类，一是控制燃烧过程中NOX的生成，即采用低NOX燃烧技术，二是在燃烧后对烟气进行脱NOX技术，将已经生成的NOX转化为N2。 2.1 低NOX燃烧技术 最常用的低NOX燃烧技术是分级燃烧技术，它包含了低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和烟气再循环等技术。分级燃烧就是把燃烧分阶段完成，通过调整燃烧工况来达到低NOX生成量的一种炉内控制技术。该技术的基本思路是：形成缺氧富燃区并设法降低局部高温区的燃烧温度以抑制NOX的生成，并使温度和氧浓度的高点值不同时存在；减少燃料周围的氧浓度，形成还原性气氛并加入还原剂，使已经生成的NOX被还原。 2.1.1 空气分级燃烧 根据NOX的生成机理，燃烧区的氧浓度对各种类型的NOX的生成浓度均影响很大。当过量空气系数a＜1，燃烧区处于“贫氧燃烧” 状态时，对于抑制在该区NOX的生成量有明显的效果。根据这一原理，把供给燃烧区空气量的减少到全部燃烧所需用空气量的70％左右，使燃烧在“贫氧燃烧”条件下进行，从而既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专门喷口送入炉膛与第一级“贫氧燃烧”所产生的烟气混和，完成整个燃烧过程，此时第二级的燃尽过程是在a＞1的条件下进行的，故分级燃烧法。 2.1.2 燃料分级燃烧 该技术的目的是将主燃烧器供入的一次燃料在一级燃烧区形成的NOX在二次燃料的再燃区重新还原为氮气。以此其技术关键是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进入本区便被还原脱氧生成氮气。为了保证在再燃区的不完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置燃尽风专门喷入，以保证二次燃料的完全燃烧。试验证实，改变再燃区的燃料与空气之比是控制NOX排放量的关键因素。 2.1.3 烟气再循环 该技术是在锅炉空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉膛或与一、二次风混合后送入炉膛，既降低了燃烧区域的温度，又降低了燃烧区域的氧浓度，可抑制NOX的生成。该技术的NOX降低率随烟气再循环率的增加而增加，炉内燃烧温度越高，烟气再循环率越高，对NOX降低率的影响越大。但是，随着再循环烟气量的增加，燃烧会趋于不稳定，不完全燃烧损失也会增加。因此，电站锅炉的烟气再循环率一般控制在10％～20％。 2.1.4 浓淡偏差燃烧技术 浓淡偏差燃烧技术的原理是依据NOX对过量空气系数a的依赖关系，使部分燃料在空气不足条件下燃烧，即燃料过浓燃烧；另一部分燃料在空气过剩下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧，燃烧时过量空气系数a都不等于1，前者a＜1，后者a＞1，因此该方法又称为化学计量数配比燃烧或者偏差燃烧。燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以燃料型NOX和热力型NOX都很低。燃料过淡部分，因空气量很大，燃烧温度降低，使热力型NOX降低。这一方法可以用于燃烧器多层布置的电站锅炉，在保持总空气量不变的条件下，调整各层燃烧器喷口的燃料与空气的比例，然后保证浓淡两部分燃气充分混合好并燃尽。该方法比较简单，NOX排放能明显降低。 2.1.5 烟气循环流化床脱硫脱硝技术 Lurgi GmbH首先研究了烟气循环流化床（CFB）联合脱硫脱硝技术，该方法用消石灰作为脱硫的吸收剂，氨作为脱硝的还原剂，FeSO4•7H2O作为脱硝的催化剂。利用流化床内强烈的湍流效应和较高的循环倍率加强固体颗粒间的碰撞以及固体颗粒与烟气的接触，靠摩擦不断地从吸附剂表面去除反应产物，以暴露出新鲜的反应表面积，从而提高吸附剂的利用率。该系统已在德国投入运行，结果表明在Ca∕S比为1.2～1.5、NH3∕NOX比为0.7～1.03时，脱硫率为97％，脱硝率为88％。 2.2 烟气脱硝技术 烟气脱硝工艺可以分为两大类：湿法和干法。 目前，世界上较多使用的湿法有气相氧化液相吸收法和液相氧化吸收法，较多使用的干法有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）等。 2.2.1 非催化法脱硝技术 非催化法脱硝技术包括以下几种： (1)吸附法 吸附法是利用吸附剂（分子筛、活性炭、硅胶和泥煤等）比表面积大的特点，对NOX进行选择性吸附，在吸附剂上添加催化剂对NOX进行表面催化还原，进一步处理吸附的NOX (2)吸收法 吸收法是利用水、碱性溶液、碳酸盐、硫酸、有机溶液等能够吸收NOX的特点，将NOX从烟气中脱除。按吸收剂的种类可分为氧化吸收法、还原吸收法、络合吸收法等。 (3)等离子体法 等离子体法是20世纪80年代发展起来的一种干法脱硫脱硝技术，其特点是利用高能电子和高能电子此生的活性基团，将NO氧化为NO2，然后与NH3反应生成硝酸铵而得以脱除。根据高能电子的来源，该法可分为两大类：电子束法（EBDC）和脉冲电晕法（PPCP）。 (4)选择性非催化还原法（SNCR） 选择性非催化还原过程中，尿素和氨类化合物作为还原剂将NOX转化为N2反应通常发生在较高的温度（930～1090℃）下，通过高温达到反应所需的活化能，从而避免使用催化剂。 2.2.2 催化法脱硝技术 为解决直接分解法催化剂表面吸附氧对催化剂活性抑制的问题，诞生了催化还原法（SCR），它是较易实现工业化的脱除NOX的方法。选择性催化还原(SCR)的原理是通过还原剂（例如NH3）在适当的温度并有催化剂的条件下，把NOX转化为空气中天然含有的氮气（N2）和水（H2O）。 综合比较，SCR法由于还原反应温度要求低，可安装在锅炉尾部，具有对炉膛影响小，脱硝效率高（用于电站锅炉是脱硝效率可达85％以上），氨逃逸率低，运行安全可靠，其脱硝产物可以直接排向大气，不会对大气造成二次污染等优点是一种比较理想的烟气脱硝技术，SCR技术也是目前唯一能在氧化气氛下脱除NOX的实用方法。随着运行经验的增加、操作条件的优化、催化剂及其载体的改进，SCR技术日趋成熟并开始受到普遍的欢迎，具有广阔的发展前景。 3 SCR方法概述 3.1.1 SCR反应的基本化学原理 氮的氧化物（NOX）选择还原SCR反应过程是在催化剂的作用下，通过加还原剂可以把NOX 转化为空气中天然含有的氮气（N2）和水（H2O）。用于燃煤电站SCR烟气脱硝的还原剂一般有3种：液氨、氨水及尿素，三种还原剂各有特点，目前以氨作主要的还原剂。主要的化学方程式为： 上述反应的催化剂可以是金属的，也可以是碳基的，此反应所需的NH3/NOX摩尔比接近1，最佳反应温度为320～400℃之间。 目前工程中常用的SCR催化剂主要成分是V2O5-WO3/TiO2系列，反应步骤如下： 1. 烟气中的NH3传输到催化剂表面并吸附在催化剂上。 2. 烟气中的NO或NO2扩散，与吸附在催化剂表面上的NH3反应，生成气态的氮气与水蒸气再扩散到烟气中。 3. 烟气中的氧气扩散到催化剂，令催化剂的活性中心再生。 在SCR工艺中，催化剂安放在一个像固体反应器的箱体内，烟气穿过反应器流过催化剂表面。催化剂单元通常垂直布置，烟气由上向下流动。有时也采用水平布置。 3.1.2 SCR脱硝系统的工艺流程 SCR脱硝系统的工艺流程如图3-1所示。 图3-1 SCR脱硝系统的工艺流程 按工艺划分，脱硝系统主要分为：烟气系统、SCR反应器本体、氨喷射系统、声波吹灰系统、液氨卸料和储存系统、氨气制备系统、氨气稀释系统、废气收集和废液排放系统、氮气吹扫系统、蒸汽和压缩空气供给系统等系统。其中烟气系统的流程为：省煤器出口→催化反应器进口烟道→氨气喷射格栅→烟气/氨气混合器→催化反应器→催化反应器出口烟道→空气预热器 按区域划分，脱硝系统主要分为SCR反应区和氨区两大区域，其中氨区系统主要包括下面这些设备：卸料压缩机、液氨储罐、液氨输送泵、液氨蒸发器、氨缓冲罐、氨稀释罐、废水泵、废水池。SCR反应区主要包括下面这些设备：稀释风机、氨空气混合器、采样风机、喷氨格栅、导流板、整流装置、储气罐、声波吹灰器、催化剂层、烟气进口挡板、烟气出口挡板、烟气旁路挡板。 4 SCR脱硝系统的应用分析 4.1.1国际上的SCR应用现状 早在2005年，美国就已经成为世界的领先者，拥有超过1000MW的SCR装置，目前在欧洲已有120多台大型装置的成功应用经验,其NOx 的脱除率可达到80% ～90%。日本有170多套装置,接近1000MW容量的电厂安装了这种设备。美国政府也将SCR技术作为电厂控制NOx 主要的技术。随着世界各国的经济发展及日益增长的环保要求，SCR 脱硝技术的应用得到了广泛的应用。特别是在亚洲的飞速发展倍受世界注目，为世界的节能减排做出了积极的贡献。SCR脱硝技术已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。 4.1.2 中国的SCR应用现状 SCR脱硝技术具有高的脱硝率，NH3的逃逸率低，运行稳定，维护方便，已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。中国大型火电机组几乎都采用SCR脱硝技术。我国电力系统目前最大最早的烟气脱硝装置—福建后石电厂600MW机组配套烟气脱硝系统采用的就是PM型低NOx燃烧器加分级燃烧结合SCR装置的工艺。广东国华台山电厂5＃600MW机组，浙江大唐乌沙山发电厂一期4＃600MW机组等一系列的燃煤电厂都采用的是SCR脱硝系统。脱硝系统投运后，效率都可以稳定在85％以上。浙江国华宁海电厂二期扩建工程2×1000MW脱硝正在进行招标，建成后将成为我国最大脱硝系统 目前，环评已批、待批项目脱硝机组总规模约为3500万千瓦，大部分集中在沿江火电密集地区。中国燃煤锅炉NOx排放标准与欧美要求之间的差距并不大，但目前NOx排放收费标准远低于美国。可以预见，中国NOx排放与收费控制将日趋严厉。“严峻的污染形势”＋“法律法规、产业政策、技术政策”将形成了一个庞大的脱硝市场。而SCR作为一种高效脱硝方法，必将得到更为广泛的应用。 5 我省NOX的排放与控制技术调查 近年来，河南省新建600MW等级超临界火力发电机组已有20余台投入运行，超临界火力发电机组已成为河南省发电的主力机组。这批机组均为引进技术、国内生产，在同样发电量下，发电煤耗比亚临界机组低，排放的污染物比较少，为了充分了解当前的氮氧化物的排放和治理情况，客观地了解企业的实际情况，加强火电厂的污染防治和环境管理，我们对河南省超临界火力发电机组的烟气中氮氧化物的排放情况进行了调查。本次调查电厂氮氧化物排放浓度结果如下表1所示: 表4-1 氮氧化物排放浓度调查结果 序号 厂家 排烟处（mg/Nm3） 01 民权电厂 265 02 鹤壁电厂 500 03 沁北电厂 500 04 首阳山电厂 450 05 信阳华豫电厂 450 06 开封电厂 334 07 三门峡电厂 450 08 新乡电厂 451 09 姚孟电厂 450 10 禹州电厂 457 11 鸭河口电厂 300 从结果来看，各电厂氮氧化物排放量基本符合国家环保要求，但和先进水平相差较远。 河南省超临界机组锅炉均采用在燃烧过程中对NOX的控制技术，主要依靠先进的低NOX燃烧器和炉膛内分级送风燃烧技术来控制NOX的生成，这种方法NOX的排放量同煤种有直接的关系，难燃煤种NOX的排放量会增加很多。另外这种方法NOX的排放量在锅炉低负荷运行时也会明显增加。因此，通过分级燃烧技术可保证在锅炉正常运行时NOX的排放量满足排放要求，在锅炉低负荷运行时控制NOX效果较差，排放量将可能超出国家环保要求。随着环保要求的提高，电厂加装脱硝装置已成为趋势。目前我省只有许昌禹州电厂加装烟气脱硝装置，正常投运后可控制NOX含量不大于 130 mg/Nm3，可达到超临界机组先进水平。 6 结束语 2009年6月3日，在第十一届国际环保产业展览会暨环保产业报告会上，国家发改委环资司环保处处长赵鹏高透露，发改委正在研究烟气脱硝的经济政策和电价政策，将于最近开展试点。 由于脱硫电价政策的激励作用，电力行业二氧化硫减排效果显著。鉴于此，国家发改委和环保部考虑通过相应的经济杠杆继续推进电力行业“脱硝”。 氮氧化物是酸雨的主要成分，燃煤火电厂是二氧化硫、氮氧化物的主要排放体。通过对电厂废气排放进行脱硫和脱硝治理是减少二氧化硫、氮氧化物等有害物质排放的主要措施。 现在，氮氧化物成为电厂的主要排放物，到了需要防控的地步。据统计，2007年电力行业氮氧化物排放是840万吨，比2003年增加了40%。 “十二五”期间，氮氧化物将纳入总量控制范畴。国家发改委正在积极研究烟气脱硝的经济政策和电价政策。因此我省超临界机组锅炉氮氧化物控制还需早做准备，进一步降低排放量。 通过分级燃烧技术可保证在锅炉正常运行时NOX的排放量满足排放要求，在锅炉低负荷运行时控制NOX效果较差。低NOX的燃烧技术虽然减少了NOX排放，但和先进水平相差很远，相信不久电厂加装脱硝装置会成为强制要求。随着环保要求的提高，电厂加装脱硝装置已成为趋势。 参考文献 [1]朱法华，王胜，火电NOx排放现状与预测及控制对策[J]．能源环境保护，2O04，18(1)： [2]钟秦，燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]．北京：化学工业出版社， 刘[3] 贾双燕,路涛,李晓芸,宁献武;选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究[J];电力环境保护;2004年01期 [4]王斌;SCR脱硝技术及其在燃煤电厂中的应用[J];电力科学与工程;2003年03期
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 当前NOX的控制在起步阶段，本课题的目的和基本思路主要是调查我省NOX的排放和控制情况，探讨NOX的控制技术。
科学性、先进性及独特之处
- 目前在我国火电厂烟气脱硝技术还处在发展阶段，对现有排放NOX情况进行调查，对各种脱硝工艺和运行脱硝工艺进行调研，进行火电厂烟气脱硝技术应用分析，有利于推广火电厂烟气脱硝技术，同时为火电厂烟气脱硝技术的选择提供一定的学术价值。
应用价值和现实意义
- 本项目的研究,在火电厂环保技术领域上有所创新，学术成果或技术水平在国内应具有先进水平，对我省经济发展和社会进步有一定的促进作用。
学术论文摘要
- 本论文通过调研，分析当前燃煤火电厂氮氧化物的排放情况，探讨常见的氮氧化物的控制和处理对策，同时分析烟气脱硝技术在燃煤火电厂的应用情况。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1]朱法华，王胜，火电NOx排放现状与预测及控制对策[J]．能源环境保护，2O04，18(1)： [2]钟秦，燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]．北京：化学工业出版社， 刘[3] 贾双燕,路涛,李晓芸,宁献武;选择性催化还原烟气脱硝技术及其在我国的应用研究[J];电力环境保护;2004年01期 [4]王斌;SCR脱硝技术及其在燃煤电厂中的应用[J];电力科学与工程;2003年03期
同类课题研究水平概述
- 目前，脱硫技术已经在全国范围内得到推广，相比之下，硫化物的危害已经大大减小。而与脱硝技术还处于一个初步发展阶段，而NOx排放对大气有很大的危害，是酸雨的主要形成原因。 因此，当前我们应该把更多的精力放在脱硝技术的推广。因此，本类报告已经得到学术届的重视。 同类学术报告相比较，本报告在脱硝催化剂方面有重要说明，而国内脱硝技术的限制主要在催化剂方面，所以，同类作品比较，该报告有明显优势。
