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燃煤电厂烟气脱硝的主要工艺


 

    迄今为止,世界各国的燃煤烟气氮氧化物治理技术种类比较多,从低氧燃烧、烟气循环燃烧、二级燃烧、浓淡燃烧、分段燃烧、低氮燃烧器等各种炉内燃烧过程的改进到现今形式各异的脱硝工艺,其中SCR法和SNCR法在大型燃煤电厂获得商业应用。其中SCR法在范围内有数百台的成功应用业绩和十几年的运行经验,日本和德国的烟气脱硝装置采用SCR技术,由于该方法技术成熟、脱硝率高、几乎无二次污染,应是国内烟气脱硝引进、消化的。除此之外,还有液体吸收法、微生物吸收法、非选择性催化还原法、炽热炭还原法、催化分解法、液膜法、SNRB工艺脱硝技术、反馈式氧化吸收脱硝技术等,这些方法或已被淘汰,或处于实验室研究阶段,或效率不高,难以投入大规模工业应用。
    目前,一些联合脱硫脱硝工艺亦在兴起,如活性炭吸附法,等离子体法,电子束法、脉冲电晕放电等离子体法、CuO法、SNAP法等。同时脱除SOx/NOx的工艺都是以寻求比FGD和SCR工艺分开治理有   高的经济效率为目标。至今,还很少有这样的装置在大规模地工业化应用。工业化SOx/NOx联合脱除工艺是采用石灰/石灰石烟气脱硫FGD系统来脱除SOx和用SCR工艺脱除NOx,该联合工艺能脱除90%以上的二氧化硫和80%以上的氮氧化物。FGD系统采用湿式工艺,SCR体系属干式工艺,FGD和SCR工艺采用不同技术各自独立工作。其优点是不管入口处SOx/NOx的浓度比为多少,它都能达到各自理想的脱除率。世界燃煤电厂脱硫脱硝一体化技术仍然以传统FGD和SCR组合工艺为主,在日本、德国、瑞典、丹麦等   有大量工业应用。
    选择性催化还原法
    选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)是指在催化剂的作用下,以NH3作为还原剂,“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成      的N2和H2O。其原理   先由Engelhard公司发现并于1957年申请,后来日本在该国环保政策的驱动下,成功研制出了现今被广泛使用的V2O5/TiO2催化剂,并分别在1977年和1979年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。SCR目前已成为世界上应用   多、   为成熟且   有成效的一种烟气脱硝技术,其主要反应方程式为:
    4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1)
    8NH3+6NO2=7N2+12H2O (2)
    或 4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O (2a)
    选择适当的催化剂可以使反应(1)及(2)在200-400℃的温度范围内进行,并能地副反应的发生。在NH3与NO化学计量比为1的情况下,可以高达80-90%的NOx脱除率。目前,世界上采用SCR的装置有数百套之多,技术成熟且运行。我国电力系统目前   大的烟气脱硝装置—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,主要由氨气及空气供应系统、氨气/空气喷雾系统、催化反应器等组成。液氨由槽车运送到液氨贮槽,输出的液氨经氨气蒸发器后变成氨气,将之加热到常温后送氨气缓冲槽备用。缓冲槽的氨气经减压后送入氨气/空气混合器中,与来自送风机的空气混合后,通过喷氨隔栅之喷嘴喷入烟气中并与之充分混合,继而进入催化反应器。当烟气流经催化反应器的催化层时,氨气和NOx在催化剂的作用下将NO及NO2还原成N2和H2O。NOx的脱除效率主要取决于反应温度、NH3与NOx的化学计量比、烟气中氧气的浓度、催化剂的性质和数量等。
    SCR系统的布置方式有三种,上述后石电厂的布置方式称为高温高尘布置方式,此外还有高温低尘及低温低尘的布置形式。高温高尘布置方式是目前应用   为广泛的一种,其优点是催化反应器处于300-400℃的温度范围内,有利于反应的进行,然而由于催化剂处于高尘烟气中,条件恶劣,磨刷严重,寿命将会受到影响。高温低尘布置方式是指SCR反应器布置在省煤器后的高温电除尘器和空气预热器之间,该布置方式可防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损与堵塞,其缺点是电除尘器在300~400℃的高温下运行条件差。低温低尘布置(或称尾部布置)方式是将SCR反应器布置在除尘器和烟气脱硫系统之后,催化剂不受飞灰和SO2的影响,但由于烟气温度较低,一般需要气气换热器或采用加设燃油或   气的燃烧器将烟温提高到催化剂的活性温度,势必增加能源消耗和运行费用。
    SCR可能产生的问题主要有:
    (1)氨泄漏,是指未反应的氨排出系统,造成二次污染,采用合理的设计通常可以将氨的泄漏量控制在5ppm以内;
    (2)当燃用高硫煤时,烟气中部分SO2将被氧化生成SO3,这部分SO3以及烟气中原有的SO3将与NH3进一步反应生成氨盐,从而造成催化剂中毒或堵塞。其发生的主要副反应有:
    2SO2+O2=2SO3 (3)
   2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4 (4)
   NH3+SO3+H2O=NH4HSO4 (5)
    这主要通过燃用低硫煤、降低氨泄漏量或将SCR反应器置于FGD系统后来控制或减少氨盐的生成。
    (3)飞灰中的重金属(主要是As)或碱性氧化物(主要有MgO,CaO,Na2O,K2O等)的存在会使催化剂中毒或活性显著降低。
    (4)过量的NH3可能和O2反应生成N2O,尽管N2O对人体没有危害,但近来的研究成果表明,N2O是造成温室效应的气体之一。其可能发生的反应为:
    2NH3+2O2=N2O+3H2O (6)

     然而所有这些问题都可以通过选择合适的催化剂、控制合理的反应温度、调节理想的化学计量比等方法使其危害降到   低。SCR技术对锅炉烟气NOx的控制,具有占地面积小、技术成熟、易于操作等优点,是目前   大规模投入商业应用并能满足任何苛刻环保政策的控制措施,可作为我国燃煤电厂控制NOx污染的主要手段之一。然而由于SCR需要消耗大量的催化剂,因此也存在运行费用高,设备投资大的缺点,同时对改造机组亦有场地限制,对设计水平提出了   高的要求。

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