火力发电厂脱硝装置介绍
火力发电厂脱硝装置介绍
1. 概述
氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5，其中NO和NO2是重要的大气污染物，另外还有少量N2O。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，因此火力发电厂是NOx排放的主要来源之一。
在煤的燃烧过程中，NOx的生成量和排放量与燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。燃烧形成的NOx可分为燃料型、热力型和快速型3种。其中快速型NOx生成量很少,可以忽略不计。
(1)热力型NOx，指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx。当炉膛温度在1350℃以上时，空气中的氮气在高温下被氧化生成NOx ,当温度足够高时,热力型NOx 可达20 %。过量空气系数和烟气停留时间对热力型NOx 的生成有很大影响。
(2) 燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NOx约占NOx总生成量的75%～90%。过量空气系数越高, NOx的生成和转化率也越高。
(3)快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成NOx。主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的N2 发生反应，形成的CN和HCN继续氧化而生成的NOx。在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。
在这三种形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型生成途径而产生。
控制NOx排放的技术可分为一次措施和二次措施两类：
一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量；
二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除。
1.1 脱硝基本技术及概念
降低NOx排放主要有两种措施。
一是控制燃烧过程中NOx的生成，即低NOx燃烧技术；
二是对生成的NOx进行处理，即烟气脱硝技术。
1.1.1 低NOx燃烧技术
为了控制燃烧过程中NOx的生成量所采取的措施原则为：
(1)降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；
(2)降低燃烧温度，防止产生局部高温区；
(3)缩短烟气在高温区的停留时间等；
低NOx燃烧技术主要包括如下方法；
1、空气分级燃烧
燃烧区的氧浓度对各种类型的NOx生成都有很大影响。当过量空气系数α
炉内空气分级燃烧分轴向空气分级燃烧(OFA方式)和径向空气分级。轴向空气分级将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的70～85％，另一部分为燃尽风(OFA)，约占总二次风量的15～30％。炉内的燃烧分为三个区域，热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛截面上组织分级燃烧。它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大，会使不完全燃烧损失增大；煤粉炉由于还原性气氛易结渣、腐蚀。
图1、空气分级燃烧示意图
2、燃料分级燃烧
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进入本区将被还原成N2。为了保证再燃区不完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置燃尽风喷口。改变再燃烧区的燃料与空气之比是控制NOx排放量的关键因素。在再燃烧系统中，分段供给的燃料和燃烧用空气在炉内形
成三个不同的燃烧段，分别在贫燃料、富燃料和贫燃料状态下运行。在一次或“主”燃烧段，主要燃料—煤粉在过量的空气中燃烧，由燃料中和燃烧用空气中的氮形成NOx。二次燃料，又称为再燃燃料，通常是天然气或煤粉(油或任何其他的碳氢化合物燃料也都可以使用)，在主燃烧段上方喷入，形成富燃料的“再燃”段。从这一区段的再燃燃料中释放出来的烃基与主燃烧段中形成的NOx反应，NOx被还原成分子氮。最后，在再燃段上方喷入剩余的燃烧用空气，形成贫燃料的“燃尽”区，从而完成了燃烧全过程。通常再燃燃料的热量占总输入热量的10%-30%。再燃技术可以减少高达70%的NOx。图2显示了再燃过程中三个不同的燃烧段。存在问题是为了减少不完全燃烧损失，需加空气对再燃区烟气进行三级燃烧，配风系统比较复杂。
图2、燃料分级燃烧示意图
3、烟气再循环
该技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气混合，通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度，达到降低NOx生成量的目的。存在的问题是由于受燃烧稳定性的限制，一般再循环烟气率为15％～20％，投资和运行费较大，占地面积大。
1.1.2 烟气脱硝技术
由于炉内低氮燃烧技术的局限性, 对于燃煤锅炉,采用改进燃烧技术可以达到一定的除NOx 效果,但脱
除率一般不超过60%。使得NOx 的排放不能达到令人满意的程度,为了进一步降低NOx 的排放，必须对燃烧后的烟气进行脱硝处理。 目前通行的烟气脱硝工艺大致可分为干法、半干法和湿法3 类。其中干法包括选择性非催化还原法(SNCR) 、选择性催化还原法(SCR) 、电子束联合脱硫脱硝法;半干法有活性炭联合脱硫脱硝法;湿法有臭氧氧化吸收法等。就目前而言，干法脱硝占主流地位。其原因是：NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx 经还原后成为无毒的N2和O2，脱硝的副产品便于处理；NH3对烟气中的NO可选择性吸收，是良好的还原剂。
湿法与干法相比，主要缺点是装置复杂且庞大；排水要处理，内衬材料腐蚀，副产品处理较难，电耗大(特别是臭氧法)。
烟气脱硝技术有气相反应法(如SCR法)、电子束法、液体吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等几类。
1.1.2．1烟气脱硝处理方法
1、 炉膛喷射法
炉膛喷射法实质是向炉膛喷射还原性物质，可在一定温度条件下还原已生成的NOx，从而降低NOx的排放量。包括喷水法、二次燃烧法(喷二次燃料即前述燃料分级燃烧)、喷氨法等。
喷氨法亦称选择性非催化还原法(SNCR)，是在无催化剂存在条件下向炉内喷入还原剂氨或尿素，将NOx还原为N2和H2O。它建设周期短、投资少、脱硝效率中等，比较适合于对中小型电厂锅炉的改造。还原剂喷入锅炉折焰角上方水平烟道(900～1000℃)，在NH3/NOx摩尔比2～3情况下，脱硝效率30％～50％。在950℃左右温度范围内，反应式为：
4NH3+4NO＋O2→4N2+6H2O
当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成NO：
4NH3+5O2→4NO+6H2O
当温度过低时，又会减慢反应速度，所以温度的控制是至关重要的。该工艺不需催化剂，但脱硝效率低，高温喷射对锅炉受热面安全有一定影响。存在的问题是由于温度随锅炉负荷和运行周期而变化及锅炉中NOx浓度的不规则性，使该工艺应用时变得较复杂。在同等脱硝率的情况下，该工艺的NH3耗量要高于SCR工艺，从而使NH3的逃逸量增加。因此影响SNCR系统性能设计和运行的主要因素是:
(1)反应温度范围；
(2)最佳温度区的滞留时间；
(3)喷入的反应剂与烟气混合程度；
(4)处理前烟气中NOx浓度；
(5)喷入的反应剂与NOx的摩尔比；
(6) 氨的逃逸量。
下图所示为以尿素为还原剂的SNCR工艺流程，该流程由4部分组成:
(1)反应剂的接收和储存;
(2)反应剂的计量稀释和混匀;
(3)稀释的反应剂喷入锅炉合适的部分;
(4)反应剂与烟气的混合
"
图4、SNCR工艺流程
在还原剂的接收和储存系统中，尿素一般采用50%的水溶液,可直接喷入炉膛。由于尿素的冰点仅为17.8e℃。因此，较冷的季节应对尿素溶液进行加热和循环。尿素可采用固体颗粒运输，但在厂内必须设置溶解装置。与氨系统相比，尿素系统有以下优点:尿素是一种无毒、低挥发的液体，在运输和储存方面比氨更加安全；此外，尿素溶液喷入炉膛后在烟气中扩散较远，可改善大型锅炉中吸收剂和烟气的混合效果。由于尿素的安全性和良好的扩散性能，采用尿素的SNCR系统多在大型锅炉上应用。
SNCR系统中，还原剂与烟气的混合采用喷射器。喷射器有墙式和枪式2种类型。墙式喷射器在特定部位插入锅炉内墙，一般每个喷射部位设置1个喷嘴。墙式喷嘴一般应用于短程喷射就能使反应剂与烟气达到均匀混合的小型锅炉和尿素SNCR系统。由于墙式喷嘴不直接暴露于高温烟气中，其使用寿命要比喷枪式长。枪式喷射器由1根细管和喷嘴组成，可将其从炉墙深入到烟流中。喷枪一般应用于烟气与反应剂难于
(6) 氨的逃逸量。
下图所示为以尿素为还原剂的SNCR工艺流程，该流程由4部分组成:
(1)反应剂的接收和储存; (2)反应剂的计量稀释和混匀;
(3)稀释的反应剂喷入锅炉合适的部分; (4)反应剂与烟气的混合
"
图4、SNCR工艺流程
在还原剂的接收和储存系统中，尿素一般采用50%的水溶液,可直接喷入炉膛。由于尿素的冰点仅为17.8e℃。因此，较冷的季节应对尿素溶液进行加热和循环。尿素可采用固体颗粒运输，但在厂内必须设置溶解装置。与氨系统相比，尿素系统有以下优点:尿素是一种无毒、低挥发的液体，在运输和储存方面比氨更加安全；此外，尿素溶液喷入炉膛后在烟气中扩散较远，可改善大型锅炉中吸收剂和烟气的混合效果。由于尿素的安全性和良好的扩散性能，采用尿素的SNCR系统多在大型锅炉上应用。
SNCR系统中，还原剂与烟气的混合采用喷射器。喷射器有墙式和枪式2种类型。墙式喷射器在特定部
位插入锅炉内墙，一般每个喷射部位设置1个喷嘴。墙式喷嘴一般应用于短程喷射就能使反应剂与烟气达到均匀混合的小型锅炉和尿素SNCR系统。由于墙式喷嘴不直接暴露于高温烟气中，其使用寿命要比喷枪式长。枪式喷射器由1根细管和喷嘴组成，可将其从炉墙深入到烟流中。喷枪一般应用于烟气与反应剂难于
混合的氨喷SNCR系统和大容量锅炉。在某些设计中喷枪可延伸到锅炉整个断面。喷枪可按单个喷嘴或多个喷嘴设计。后者的设计较为复杂,因此,要比单个喷嘴的喷枪和墙式喷嘴价格贵些。因喷射器忍受着高温和烟气的冲击。易遭受侵蚀、腐蚀和结构破坏，因此，喷射器一般用不锈钢制造，且设计成可更换。除此以外，喷射器常用空气、蒸汽和水进行冷却。为使喷射器最少地暴露于高温烟气中,喷枪式喷射器和一些墙式喷嘴也可设计成可伸缩的。当遇到锅炉启动、停运、季节性运行或一些其他原因SNCR需停运时,可将喷射器退出运行。
用氨基作反应剂的喷射系统一般比尿素系统复杂和昂贵些,原因是这种系统喷射的是气相氨而不是液氨溶液"为此,氨基喷射系统常配备多个喷嘴的高能喷枪系统"在锅炉通道的宽度和高度内按网格形式布置喷枪"
2、电子束法：是用高能电子束(0.8～1MeV)辐射含NOx和SO2的烟气，产生的自由基氧化生成硫酸和硝酸，再与NH3发生中和反应生成氨的硫酸及硝酸盐类，从而达到净化烟气的目的。
3、液体吸收法：由于烟气中的NOx90%以上是NO，而NO难溶于水，因此对NOx的湿法处理不能用简单的洗涤法。湿法脱硝的原理是用氧化剂将NO氧化成NO2，生成的NO2再用水或碱性溶液吸收，从而实现脱硝。
4、吸附法：最主要的方法为活性炭方法。
在众多烟气处理技术中，液体吸收法的脱硝效率低，净化效果差；吸附法虽然脱硝效率高，但吸附
量小，设备过于庞大，再生频繁，应用也不广泛； 1.1.2．1烟气脱硝技术比较。
脱硝技术一般比较（表1、）
烟气脱硝技术比较（表2）
1.1.3 SCR法脱硝技术特点
1、在脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。
2、介质（液氨）为有毒有害、易燃易爆危险化学品，危险性大，对设备质量、施工质量、装置可靠性要求高，调试与运行操作要求严格。 3、设备少，设备质量要求高。
4、NOx 经还原后成为无毒的N2和O2，脱硝的副产品便于处理。 1.1.3.1 原理及流程
SCR技术是还原剂(NH3、尿素)在催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2
所氧化，故称为“选择性”。主要反应如下：
或
4NO4NH3O24N26H2O 6NO28NH37N212H2O
(1) (2)
2NO24NH3O23N26H2O
(3)
SCR系统包括催化剂反应室、氨储运系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统。SCR工艺的核心装置是脱硝反应器，有水平和垂直气流两种布置方式，如图1所示。在燃煤锅炉中，烟气中的含尘量很高，一般采用垂直气流方式。
(a) 垂直气流 (b) 水平气流
图1、反应器布置方式
按照催化剂反应器在烟气除尘器之前或之后安装，可分为“高飞灰”或“低飞灰”脱硝，如图2所示。采用高尘布置时，SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间。优点是烟气温度高，满足了催化剂反应要求。缺点是烟气中飞灰含量高，对催化剂防磨损、堵塞及钝化性能要求更高。对于低尘布置，SCR布置在烟气脱硫系统和烟囱之间。烟气中的飞灰含量大幅降低，但为了满足温度要求，需要安装烟气加热系统，
系统复杂，运行费用增加，故一般选择高尘布置方式。
(a) 高尘布置 (b) 低尘布置
图2、SCR布置方式
1.1.3.2 主要影响因素
在 SCR 系统设计中，最重要的运行参数是烟气温度、烟气流速、水蒸气浓度、氨逃逸等。烟气温度
是选择催化剂的重要运行参数，催化反应只能在一定的温度范围内进行，同时存在催化的最佳温度，这是每种催化剂特有的性质，因此烟气温度直接影响反应的进程；而烟气流速直接影响 NH3与 NOx的混合程度，需要设计合理的流速以保证 NH3与 NOx充分混合使反应充分进行。
氨逃逸是影响SCR系统运行的另一个重要参数，实际生产中通常是多于理论量的氨被喷射进入系统，反应后在烟气下游多余的氨称为氨逃逸，NOx脱除效率随着氨逃逸量的增加而增加，在某一个氨逃逸量后达到一个渐进值。
另外水蒸气浓度的增加使催化剂性能下降，催化剂钝化失效也不利于 SCR系统的正常运行，必须加以有效控制。
1.1.3.3 催化剂的选择
SCR 系统中的重要组成部分是催化剂，当前流行的成熟催化剂有蜂窝式、波纹状和平板式等。平板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材负载上含有活性成份的载体压制而成；蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹状催化剂是丹麦HALDOR TOPSOE A/S公司研发的催化剂，外形如起伏的波纹，从而形成小孔。加工工艺是先制作玻璃纤维加固的TiO2基板，再把基板放到催化活性溶液中浸泡，以使活性成份能均匀吸附在基板上。各种催化剂活性成分均为WO3和V2O5。表3为各种催化剂性能比较。
表3、不同催化剂性能比较
1.1.3.4 还原剂的选择
对于
SCR工艺，选择的还原剂有尿素、氨水和纯氨。尿素法是先将尿素固体颗粒在容器中完全溶解，
然后将溶液泵送到水解槽中，通过热交换器将溶液加热至反应温度后与水反应生成氨气；氨水法，是将25％的含氨水溶液通过加热装置使其蒸发，形成氨气和水蒸汽；纯氨法是将液氨在蒸发槽中加热成氨气，然后与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5％的混合气体后送入烟气系统。
表4、不同还原剂比较
1.2 CFD 模型
为了更好了解烟道及反应器内的烟气流场分布，以便于能够优化的设计烟道及AIG系统，利用CFD数学模拟烟道及反应器内的流场，并按照烟道及反应器的实际布置情况，依照一定比例(外高桥为1:15)制作模型，来研究烟气的流场分布情况。并根据模拟的结果，通过优化设计，达到最优的烟气流动分布、最优的氨/烟气混合性能及最低的压降。
通过流体模型的试验及优化设计，达到如下目的： 1． 测量AIG上游烟道内烟气的轴流速度分布情况；
2． 测量进入反应器，在第一层催化剂前0.5m处的轴流速度分布情况； 3． 催化剂前的温度变化小于；
4． 通过AIG加入跟踪气体，测量反应器进口跟踪气体的浓度分布情况来检验混合的效果； 5． 检验烟道中可能的积灰情况；
6． 测量整个系统和单个部件的压力损失； 7． 通过增加导流板，使压力损失最小化。