燃烧过程中的烟气脱硝

1、燃烧过程中的烟气脱硝陈坤（长沙理工大学集控1102班）摘 要: 火电厂燃煤中排放的氮氧化物( NOx ) 是造成大气污染的主要成分, 如何经济有效地控制燃煤中SO2 和NOx 的排放量是我国乃至世界节能减排领域中急需解决的关键问题。文章综述了国内外火电厂脱硫脱硝技术的发展和应用、脱硫脱硝一体化技术的发展趋势, 着重介绍了世界上主要脱硝技术的分类、技术特点和应用, 包括联合脱硫脱硝、同时脱硫脱硝在内的脱硫脱硝一体化原理、特点和应用前景, 对火电厂脱硝和脱硫脱硝一体化技术的应用具有一定参考价值。关键词: 节能减排; 燃煤火力发电厂; 氮氧化物( NOx ) ; 脱硝( 脱氮) ; 低NOx 燃烧;

2、 烟气脱硝; 脱硫脱硝一体化;联合脱硫脱硝; 同时脱硫脱硝1. 引言煤炭是一种重要的能源资源, 当今世界上电力产量的60%是利用煤炭资源生产的。中国又是一个燃煤大国, 一次能源能源76%是煤炭, 到2005 年我国煤年产量达20 亿t, 其中一半用于燃煤电厂,燃煤发电量约占全国总发电量的70% 左右。煤燃烧排放烟气中含有硫氧化物SOX ( 主要包括: SO2、SO3 ) 和氮氧化物NOx ( 主要包括: NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5 ) , 其中SO2、NO 和NO2 是大气污染的主要成分, 也是形成酸雨的主要物质。脱硫( Desulfurizat ion ) 、脱硝( Deni

3、t rif ication) ( 亦称脱硫脱氮) 是除去或减少燃煤过程中的SO2和NOx , 如何经济有效地控制燃煤中SOX和NOx 的排放量是我国乃至世界节能减排领域中急需解决的关键问题。本文主要阐述火电厂脱硝技术和脱硫脱硝一体化的发展趋势, 有助于推动我国火电厂脱硝和脱硫脱硝一体化技术的应用, 以减少燃煤电厂氮氧化物NOx 的排放。氮氧化物排放量NOx 排放量近70% 来自于煤炭的直接燃烧, 火力发电厂是NOx 排放的主要来源之一, 其中染大气的主要是N O 和N O2。降低N Ox 的污染主要有二种措施: 一是控制燃烧过程中NOx 的生成, 即低NOx 燃烧技术, 亦称一级脱氮技术; 二

4、是对生成的NOx 进行处理, 即烟气脱硝技术,亦称二级脱氮技术。目前低NOx 燃烧技术主要有二段燃烧法、炉内脱氮( 三段燃烧) 、烟气循环法和低NOx 燃烧器等, 而烟气脱硝是近期内NOx 控制中最重要的方法, 目前脱氮效率最高、最为成熟的技术是选择性了一个新兴的节能产业, 出现了专业的节能企业,产业的疆域在不断延伸, 市场规模日益扩大。尽管尚缺乏权威的统计数据, 但可从美、加节能市场的情况窥其一斑: 美国有专业节能企业2 100 多家, 仅纽约州的营业额就达85. 5 亿美元; 加拿大的节能服务市场则达200 多亿加元。2. 国内外NOx排放标准自20世纪70年代初日本和美国率先实施控制SO

5、2排放战略以来，许多国家相继制定了严格的SO2排放标准(表1-5)和中长期控制战略，加速了控制SO2的步伐，大大促进了有关控制技术的发展，使SO2排放在短短的十多年问，得到了大幅度的削减。与SO2排放控制战略相比，NOx排放控制相对较晚，但到90年代初，发达国家均制定出严格的NOx排放标准，如表1-6所示。3.常见的脱硝技术对于燃煤NOx的控制主要有燃料脱氮(即燃烧前脱氮)、改进燃烧方式和生产工艺(即燃烧中脱氮)和烟气脱硝(即燃烧后脱氮)三种方法。前两种方法是减少燃烧过程中NOx的生成量，第三种方法则是对燃烧后烟气中的NQ进行治理。 燃烧前脱氮主要将燃料转化为低氮燃料，成本太贵，工程应用较少。

6、燃烧中脱氮是根据N(一的形成机理而产生的，主要有低氧燃烧法、二段燃烧法、烟气再循环法等，这种技术费用较低，脱硝率不高，而且一些低Nq燃烧技术和设备有时会降低燃烧效率，造成不完全燃烧损失增加，设备规模随之增大。燃烧后脱氮主要指烟气脱硝技术，脱硝率较高，是近10年内N(L控制措施中最重要的方法。按脱硝剂及脱硝产物在反应过程中的干湿状态可分为干法、湿法、和干一湿结合法三大类；干法可分为选择性催化还原法、选择性非催化还原法、吸附法、高能电子活化法；湿法可分为水吸收法、络合吸收法、稀硝酸吸收法、氨吸收法、亚硫酸铵法、弱酸眭尿素吸收法等；干一湿结合法是催化氧化和相应的湿法结合而成的一种脱硝方法。 按烟气脱

7、硝工艺的不同可分为气相反应法、液相吸收法、吸附法、液膜法和微生物法等几类。气相反应法又包括三类：一是电子束法和脉冲电晕等离子体法；二是选择性催化还原法、选择性非催化还原法和炽热碳还原法；三是低温常压等离子体分解法等。第一类是利用高能电子产生的自由基将NO氧化为N02，再与H2O和NH3作用生成NH4NO3并加以回收利用，可同时脱硫脱硝；第二类是在催化或非催化条件下，用NH3、C等还原剂将N晚还原为无害N2的方法；第三类则是利用超高压窄脉冲电晕放电产生的高能活性粒子撞击NOx分子，使其化学键断裂分解为O2和N2的方法。以上方法中，脉冲电晕等离子体法和分解法处于试验阶段。表1-1为各种烟气脱硝工艺

8、的比较。3.1湿法烟气脱硝技术 液体吸收法烟气脱硝又可称为湿法烟气脱硝，主要包括水吸收法、酸性吸收法、碱中和吸收法、氧化吸收法、液相还原吸收法等。液体吸收法烟气脱硝工艺技术要点如表12所示，这些脱硝方法消耗大量吸收剂，吸收产物会造成二次污染，我国化工行业废气处理常采用这些方法，对NO中以NO为主的燃煤烟气不太适合。 从表1-2中也可以看出，湿法脱除NOx的困难在于NO的惰性，NOx脱除的立足点是强化NO的吸收。络合吸收法就是一种强化吸收NO的方法。3.2干法烟气脱硝技术 1选择性非催化还原法SNCR(Selective Non-Catalytic Redction) 选择性非催化还原是向烟气中

9、喷氨或尿素等含有NH。基的还原剂，在8501100范围内没有催化剂还原Nq的方法。还原剂迅速热分解和烟气中的Nq反应，迅速生成N2和H2o。最重要的化学反应方程式是 氨为还原剂： 4NH3+6NO一5N2+6H20 (1一1) 该反应主要发生在950的温度范围内，这是一个可逆的反应，当温度更高，超过反应温度时，氨就会被氧化成Nq。 尿素为还原剂： 4NH3+5024No+6H20 (12) (NH4)2Co一2NH2+CO (13) NH2+NoN2+H20 (14) No+CoN2+C02 (15) 在SNCR还原NOx的过程中，由于烟气中的02浓度一般比Nq浓度高许多，要耗去大量的还原性气

10、体；由于采用不同燃料气作为还原剂，其起燃温度不同，要求的预热温度也不同；实际运行时脱氮效率也较低，通常当NH3NO3摩尔比为1215时，脱硝效率只有3545。 SNCR在国外有较为广泛的应用，该方法以炉膛为反应器，可通过对锅炉的改造加以实现。sNcR技术的应用中可能出现的问题：SNCR工艺中氨的利用率不高，为了还原NO3必然使用过量的氨，容易形成过量的氨逃逸，氨逃逸会造成环境的污染并形成铵盐，可能堵塞和腐蚀下游设备；形成温室气体NzO，研究表明用尿素作还原剂要比用氨作还原剂产生更多的N：o；如果运行控制不适当，用尿素作还原剂时可能造成较多的CO排放，这是因为低温尿素溶液喷人炉膛内的高温气流引起

11、淬冷效应，造成燃烧中断，导致CO排放的增加；在锅炉过热器前大于800的炉膛位置喷人低温尿素溶液，必然影响炽热煤炭的继续燃烧，引发飞灰含碳量提高的问题。 2碳盾固体还原法碳质固体还原法利用碳为还原剂还原烟气中的NO3，属于无催化剂非选择性还原法。当气源中02含量较高时，虽然碳消耗量很大，但02和Nq与碳的反应都是放热反应，消耗定量的碳所放出的热量与普通燃烧过程基本相同，这部分反应热量可以回收利用。当烟气中存在O2时，02与碳反应生成CO，CO也能还原NOx。4. 烟气脱硝技术烟气脱硝技术也有湿法脱硝和干法脱硝之分, 主要有气相反应法、液体吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等几类。4.1 气相反应法

12、包括3 类: 电子束照射法和脉冲电晕等离子体法, 是利用高能电子产生自由基将NO 氧化为NO2 , 再与H2O 和NH3 作用生成NH4N O3化肥并加以回收的方法。 选择性催化还原法、选择性非催化性还原法和炽热碳还原法, 是在催化或非催化条件下, 用NH3、C 等还原剂将NOx 还原为无害N2 的方法。 低温常压等离子体分解法, 利用超高压窄脉冲电晕放电产生的高能活性粒子撞击N Ox 分子, 使其化学链断裂分解为O2 和N2的方法。4.2 液体吸收NOx 的方法较多, 应用较为广泛。NOx 可以用水、碱溶液、稀硝酸、浓硫酸等吸收。但是, 由于NOx 及难溶于水或碱溶液, 因而湿法脱硝效率一般

13、比较低。4.3 吸附法脱除NOx 。常用的吸附剂有分子筛、活性炭、天然沸石、硅胶及泥煤等, 其中有些吸收剂如硅胶、分子筛、活性炭等, 兼有催化的性能,能将废气中的NO 催化氧化成NO2 , 然后可用水或碱吸收而得以回收。吸附法脱硝效率高, 能吸收NOx , 但是因吸附量小, 吸附剂用量多, 设备庞大, 再生频繁等原因, 应用不广泛。4.4 液膜法净化烟气是美国能源部能源技术中心开发的一种脱硝技术。国外如美国、加拿大、日本等国对液膜法进行了大量的研究。液膜为含水液体, 原则上对NOx 有吸附作用的液体都可以作为液膜。4.5 微生物法烟气脱硝原理。其原理是适宜的脱氮菌在有外加碳源的情况下, 利用N

14、Ox 作为氮源, 将NOx 还原成最基本的无害的N2 , 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 再被生物还原为N2 , 而NO 则是被吸附在微生物表面后直接被微生物还原为N2 。目前较为成熟的气相烟气脱硝技术有: 选择性催化还原法( SCR) 技术、电子束照射法和脉冲电晕等离子体法。液膜法和微生物法尚处于发展阶段, 还不成熟。参考文献：1 钟秦编著,燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例,化学工业出版社,2002年04月第1版2 周菊华主编,火电厂燃煤机组脱硫脱硝技术,中国电力出版社,2010.093 望亭发电厂编,脱硫脱硝分册,中国电力出版社,2011.094 赵毅，

15、刘凤，郭天祥，等 液相同时脱硫脱硝实验及反应特性J中国科学E 辑: 技术科学， 2009，39( 3) : 431 4375 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，20026 Tokunagae，Suzuki N Radiation chemical reaction in NOX and SOX removalfrom flue gas M，Radiat PhysChen，1984，24: 145 1657 刘涛，曾令可，锐安泽，等 烟气脱硫脱销一体化技术的研究现状J 工业炉，2007，7( 4) : 12 158 McCrea D H，Forney A J，Myers L G Recovery of sulfur from fluegasusing a copper oxide absorbentJ Air pollut Control Assoc，1970，20( 12) : 918 8249 邱鸿恩，吴丹，王睿 烟气