基于國家新頒布污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣脫硝改造技術(shù)路線

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摘要】由于國家標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，以及原有鍋爐運(yùn)行狀態(tài)和電煤市場供應(yīng)變化，許多燃煤電廠現(xiàn)有鍋爐NO_X排放濃度不能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的限值。為了達(dá)到火電廠NO_X排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，針對燃煤電廠鍋爐自身狀態(tài)和具體運(yùn)行條件提出了脫硝改造技術(shù)路線。

【關(guān)鍵詞】 污染物標(biāo)準(zhǔn)   標(biāo)準(zhǔn)頒布    脫硝改造     技術(shù)路線

0前言

隨著我國對環(huán)境保護(hù)的日益重視，燃煤電廠的污染物排放更受到人們的關(guān)注，國家和地方環(huán)保部門對燃煤電廠污染物的排放和總量有了較嚴(yán)格的控制。由于GB13223－2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布，加強(qiáng)對我國燃煤電廠的污染物減排力度，增加了燃煤電廠污染物減排工作的壓力。

GB13223標(biāo)準(zhǔn)中在規(guī)定時(shí)限內(nèi)燃煤電廠鍋爐NO_X排放濃度限值在100mg/m³（廣西、重慶、四川、貴州執(zhí)行200mg/m³限值）。而目前燃煤鍋爐的NO_X排放濃度基本在300~1100 mg/m³范圍，絕大多數(shù)鍋爐NO_X排放濃度集中在500~700 mg/m³，鍋爐的NO_X排放濃度與鍋爐類型及結(jié)構(gòu)、燃用煤質(zhì)成分、燃燒工況、鍋爐負(fù)荷等因素有關(guān)，相對人為控制及調(diào)整難度比較大，因此大量燃煤電廠鍋爐面臨著降低NO_X排放濃度的改造。

我國正在改善城市空氣環(huán)境質(zhì)量，特別是可吸入顆粒物作為城市大氣污染防治的重點(diǎn)，尤其是空氣中的PM2.5及PM10可吸入顆粒物。其中部分是燃煤電廠排放的NO_X氣體在日光作用下與其它物質(zhì)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧，危害更強(qiáng)，因此減排NO_X濃度迫在眉睫。

現(xiàn)在我國脫硝裝置的設(shè)計(jì)、制造及工藝水平有較大提高，脫硝所使用催化劑已大量國產(chǎn)化。燃煤電廠一般采用SCR、SNCR、SNCR+SCR的脫硝工藝，但主要以采用SCR脫硝工藝為主，任何脫硝技術(shù)均有其應(yīng)用的范圍，其選取是有適應(yīng)條件的，對新建或脫硝改造需進(jìn)行深入的綜合分析，摸清鍋爐的運(yùn)行特征及各類型脫硝技術(shù)的特點(diǎn)，明確脫硝系統(tǒng)改造的技術(shù)路線。

1 現(xiàn)有脫硝裝置的技術(shù)特點(diǎn)

我國燃煤電廠鍋爐降低煙氣NO_X氣體主要采用鍋爐低氮燃燒技術(shù)、SCR、SNCR脫硝工藝為主，根據(jù)電廠鍋爐的實(shí)際情況，利用這些技術(shù)的不同特點(diǎn)，進(jìn)行組合使用，用最低的運(yùn)行成本及投資達(dá)到最佳的效果。目前主要燃煤鍋爐使用的成熟的脫硝技術(shù)主要如下：

1.1低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)就是鍋爐采用分級燃燒技術(shù)，其包括低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和煙氣再循環(huán)等技術(shù)，當(dāng)然還有其它類型的低NOX燃燒器等技術(shù)。

1.2選擇性催化還原技術(shù)（SCR）

選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）是在金屬催化劑作用下，以NH₃作為還原劑，將NOx還原成N₂和H₂O。主要反應(yīng)方程式為：

4NH₃+4NO+O₂─>4N₂+6H₂O                    

8NH₃+6NO₂ ─>7N₂+12H₂O   

催化反應(yīng)溫度為300~420℃的區(qū)域，一般脫硝效率可達(dá)50~90%。

1.3 選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）

選擇性非催化還原技術(shù)（Selective Non-Catalytic Reduction，簡稱SNCR）是用NH₃、尿素等還原劑噴入爐內(nèi)與NOx進(jìn)行選擇性反應(yīng)，在爐膛溫度為850~1100℃的區(qū)域噴入還原劑，在這一狹窄的溫度范圍內(nèi)及無催化劑作用下，NH₃或尿素等氨基還原劑可選擇性地還原煙氣中的NOx，基本上不與煙氣中的O₂作用。在850~1100℃范圍內(nèi)，NH3或尿素還原NOx的主要反應(yīng)為：

4NH₃ + 4NO +O₂ →4N₂ + 6H₂O

NO+CO(NH₂)₂ +1/2O₂ → 2N₂ + CO₂ + H₂O

當(dāng)溫度高于1100℃時(shí)，NH₃則會被氧化為NO，即

4NH₃+ 5O₂ → 4NO + 6H₂O                     

不同還原劑有不同的反應(yīng)溫度范圍，此溫度范圍稱為溫度窗。NH₃的反應(yīng)最佳溫度區(qū)為850～1100℃。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)，由于氨的分解會使NOx還原率降低，另一方面，反應(yīng)溫度過低時(shí)，氨的逃逸增加，也會使NOx還原率降低。NH3是高揮發(fā)性和有毒物質(zhì)，氨的逃逸會造成新的環(huán)境污染。

SNCR脫硝效率約30~50%，脫硝效率不高，氨氮比較高。

1.4 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝其實(shí)是SNCR的衍生技術(shù)，即利用SNCR脫硝工藝的氨逃逸濃度或認(rèn)為增加氨逃逸濃度，通過下游SCR進(jìn)一步脫硝，因利用原有鍋爐爐膛及煙風(fēng)系統(tǒng)，對于尿素在爐膛內(nèi)反應(yīng)溫度及SCR脫硝前的煙氣氣流、NO_X、NH₃均勻分布是比較困難的。目前SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝脫硝效率約40~70%，對于機(jī)組容量小的鍋爐相對脫硝效率比較高。

總之，在新建和改造脫硝工程中根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行多種技術(shù)組合應(yīng)用。對于容量小于200MW的機(jī)組，可根據(jù)鍋爐運(yùn)行所剩年限及控制的NO_X濃度，可選擇低氮燃燒器+SNCR改造或低氮燃燒器+SNCR+SCR改造方式；對于循環(huán)流化床鍋爐可直接采用SNCR脫硝工藝。

原則上燃煤電廠300MW容量以上的機(jī)組，降低煙氣中NO_X濃度以采用低氮燃燒器+SCR脫硝工藝為主。

2  鍋爐脫硝系統(tǒng)（SCR）改造的技術(shù)路線

因現(xiàn)有燃煤電廠鍋爐排放的NO_X濃度絕大多數(shù)大于GB13223-2011標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定NO_X濃度排放限值，同時(shí)鍋爐運(yùn)行情況參差不齊，并且煤電市場供應(yīng)導(dǎo)致煤的成分發(fā)生波動(dòng)，多數(shù)電廠鍋爐燃用煤質(zhì)比設(shè)計(jì)要差，這種情況可能要延續(xù)較長時(shí)間，正是這些因素必須要求原有鍋爐進(jìn)行脫硝改造，確定原則性的脫硝改造技術(shù)路線。

脫硝改造選取的技術(shù)類型并沒有明顯的劃分界限，要根據(jù)電廠鍋爐自身的燃燒類型、煙氣條件、所在地理位置、環(huán)保要求、改造場地、一次性投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等綜合因素確定。

2.1 鍋爐脫硝改造前應(yīng)進(jìn)行的工作

對現(xiàn)有鍋爐脫硝改造前應(yīng)對鍋爐運(yùn)行工況及相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)確認(rèn)，做為脫硝改造的設(shè)計(jì)選型依據(jù)。

2.1.1通過現(xiàn)場試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析，提供具有代表性鍋爐燃用煤質(zhì)和粉塵成分等影響脫硝設(shè)計(jì)選型的參數(shù)：

a）鍋爐煤質(zhì)的工業(yè)分析：水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳等；

b）鍋爐煤質(zhì)的元素分析：碳、氫、硫、氮、氧等；

c）鍋爐煤質(zhì)的微量元素分析：氯、氟、砷、鉛、汞等；

d）鍋爐煤質(zhì)的發(fā)熱量及可磨性指數(shù)：高位發(fā)熱量、低位發(fā)熱量等；

e）灰的成分分析：SiO₂、AlO₃、Fe₂O₃、MgO、CaO、K₂O、Na₂O、P₂O₅、TiO₂、SO₃等；

f）灰熔點(diǎn)溫度：變形溫度、軟化溫度、半球溫度等；

以上數(shù)據(jù)對催化劑的化學(xué)及物理壽命有影響，以上數(shù)據(jù)對選擇催化劑類型、成分配方等提供選型依據(jù)。

2.1.2 提供設(shè)計(jì)反應(yīng)器的入口煙氣參數(shù)（省煤器出口與空預(yù)器前）

a）鍋爐100%、75%、50%不同負(fù)荷下的實(shí)際煙氣量、煙氣溫度和NO_X濃度；

b）省煤器出口煙氣污染物：煙塵濃度、NO_X、HCL、HF、SO₂、SO₃ (標(biāo)態(tài)及濕態(tài)、實(shí)際氧及6％O₂)；

c）省煤器出口煙氣成分：CO₂、O₂、N₂、SO₂、H₂O等。

以上數(shù)據(jù)對催化劑選型和反應(yīng)器的尺寸、吹灰器類型等提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.1.3 對目前鍋爐及煙風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行摸底測試，如在不同負(fù)荷下煙風(fēng)系統(tǒng)的煙道沿程阻力、空預(yù)器漏風(fēng)等進(jìn)行測試，同時(shí)對鍋爐使用等離子或煤油混燒對脫硝裝置影響進(jìn)行評估。

2.1.4對現(xiàn)有鍋爐改造脫硝增加重量涉及的原有基礎(chǔ)及鍋爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，同時(shí)對反應(yīng)器安裝位置的原有鋼結(jié)構(gòu)加固、土建基礎(chǔ)加固、施工拆除、施工工期等進(jìn)行詳細(xì)論證，同時(shí)需要設(shè)計(jì)部門及鍋爐廠家得技術(shù)配合，這方面工作應(yīng)是脫硝改造過程中難度最大的。

2.2  SCR脫硝改造總的技術(shù)路線原則

現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行脫硝改造需確定一個(gè)總的技術(shù)路線原則，以做為脫硝改造的指導(dǎo)依據(jù)，確定脫硝改造的方向及范圍。應(yīng)主要進(jìn)行以下幾方面工作：

2.2.1 鍋爐首先進(jìn)行低NO_X燃燒器改造：現(xiàn)役燃煤機(jī)組氮氧化物排放濃度不達(dá)標(biāo)或不滿足總量控制要求的電廠，應(yīng)遵循“先降后脫”的原則，優(yōu)先考慮低氮燃燒技術(shù)改造，再進(jìn)行煙氣脫硝改造，以降低煙氣脫硝的運(yùn)行成本。低氮燃燒技術(shù)改造應(yīng)以不降低鍋爐效率、鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定、延長鍋爐設(shè)備壽命為前提。

對于近幾年投產(chǎn)運(yùn)行的鍋爐，如果NO_X濃度≤450mg/m³，燃燒器可不進(jìn)行改造。

2.2.2 根據(jù)電廠所處地理位置、國家及地方污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中要求，確定鍋爐排放NO_X濃度是否100mg/m³還是200mg/m³限值。

如果濃度限值為100 mg/m³時(shí)， SCR脫硝工藝采用反應(yīng)器安裝二層催化劑備用一層的方式。如果濃度限值為200 mg/m³時(shí)，采用SCR脫硝工藝采用反應(yīng)器安裝一層催化劑二層備用的方式。

2.2.3 根據(jù)鍋爐類型、鍋爐容量、鍋爐使用年限、改造的空間及所要求的排放限值，進(jìn)行脫硝類型確定。原則上燃煤電廠采用低氮燃燒器+SCR工藝，對于循環(huán)流化床、小容量機(jī)組采用SCNR或SNCR+SCR脫硝工藝。

2.2.4確定還原劑：目前脫硝系統(tǒng)還原劑主要采用液氨、氨水及尿素，選取哪個(gè)還原劑主要是從的它的供應(yīng)價(jià)格、運(yùn)行成本、運(yùn)輸安全、存儲安全、供應(yīng)品質(zhì)是否有保證等進(jìn)行綜合比較。如果采用液氨得到相關(guān)國家或地方安全監(jiān)察部門的審批，應(yīng)優(yōu)先選擇液氨做為還原劑。電廠做為企業(yè)，液氨的使用可降低電廠的運(yùn)行成本及節(jié)約大量能耗。

2.2.5 鍋爐燃燒器改造后要求的NO_X排放濃度數(shù)值基礎(chǔ)上，應(yīng)加50~100 mg/m³的裕度，做為SCR入口NO_X濃度設(shè)計(jì)值。

2.2.6  在滿足出口排放NO_X濃度的前提下，SCR反應(yīng)器原則上單層初裝催化劑脫硝效率設(shè)計(jì)應(yīng)≥50%，初裝二層催化劑設(shè)計(jì)效率應(yīng)≥75%，全部裝滿催化劑設(shè)計(jì)脫硝效率應(yīng)≥80%以上。

2.2.7 反應(yīng)器(包括出入口煙道部分、第三層)設(shè)計(jì)阻力運(yùn)行三年應(yīng)≤1400Pa，氨逃逸濃度≤2.5mg/m³，反應(yīng)器整體漏風(fēng)≤0.4%。

2.2.8 反應(yīng)器出入口煙道上可根據(jù)反應(yīng)器具體布置及粉塵濃度確定是否設(shè)置灰斗，原則上反應(yīng)器入口粉塵濃度≥50g/m³時(shí)，反應(yīng)器入口煙道宜設(shè)計(jì)灰斗，減少高灰對催化劑的磨損或堵塞。

2.2.9 煙氣粉塵濃度≤40 g/m³宜采用蜂窩催化劑，煙氣粉塵濃度≥40 g/m³及＜50 g/m³宜采用蜂窩催化劑及板式催化劑，粉塵濃度≥50 g/m³宜采用板式催化劑。

蜂窩催化劑根據(jù)生產(chǎn)廠家自身配方、工藝水平、煙氣條件進(jìn)行蜂窩式催化劑的體積及孔數(shù)的選取，目前催化劑單元孔數(shù)可達(dá)到15孔，使蜂窩式催化劑更適應(yīng)高粉塵濃度催化劑。

2.2.10 反應(yīng)器截面積及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)適合蜂窩及板式催化劑互換。

2.2.11吹灰器的選型：煙氣粉塵濃度≤40 g/m³宜采用聲波吹灰器，煙氣粉塵濃度＞40 g/m³及高CaO含量的粉塵宜采用聲波及蒸汽的聯(lián)合吹灰方式。

2.3 相應(yīng)其它設(shè)備的改造

在省煤器與空預(yù)器之間進(jìn)行脫硝系統(tǒng)改造同時(shí)需要進(jìn)行其相關(guān)設(shè)備的改造，如脫硝改造要相應(yīng)增加省煤器灰斗飛灰輸送、反應(yīng)器出入口灰斗飛灰輸送、空預(yù)器系統(tǒng)、引風(fēng)機(jī)等系統(tǒng)相應(yīng)改造。

在脫硝系統(tǒng)改造引風(fēng)機(jī)的同時(shí)要兼顧除塵改造、脫硫系統(tǒng)改造的阻力，如果電除塵器改造為袋式除塵器時(shí)可考慮場地不足時(shí)，將電除塵器第一電場空間留出做為脫硝反應(yīng)器安裝位置。

3 結(jié)語

由于GB13223-2011標(biāo)準(zhǔn)要求燃煤電廠煙囪入口的NO_X排放濃度限值為100mg/m³（廣西、重慶、四川、貴州執(zhí)行200mg/m³限值），對原有鍋爐增加了改造布置、設(shè)計(jì)選型難度及復(fù)雜性，由于脫硝改造的設(shè)計(jì)選取沒有嚴(yán)格的界限劃分，脫硝改造應(yīng)具體問題具體分析，對脫硝改造及其各類技術(shù)組合的選取需詳細(xì)論證。