基本信息
- 項目名稱：
- 火電廠NOX排放調(diào)查與脫硝技術(shù)應用分析
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 本論文通過對河南的超臨界燃煤機組的NOX排放量和控制狀況進行調(diào)研，分析當前燃煤火電廠氮氧化物的排放和控制形勢，探討采用煙氣脫硝技術(shù)的必要性，調(diào)研了當前NOX的控制措施，探討常見的氮氧化物的控制和處理對策，同時分析煙氣脫硝技術(shù)—SCR技術(shù)在燃煤火電廠的應用情況。
- 詳細介紹：
- 火電廠NOX排放調(diào)查與脫硝技術(shù)應用分析 摘要：本論文通過調(diào)研，分析當前燃煤火電廠氮氧化物的排放情況，探討常見的氮氧化物的控制和處理對策，同時分析煙氣脫硝技術(shù)在燃煤火電廠的應用情況。 關(guān)鍵詞：電廠 NOX 脫硝 控制 催化劑 SCR技術(shù) 1.前言 改革開放以來，我國經(jīng)濟保持了較快的增長速度，但同時又是以巨大的能源消耗為代價的，由此造成的環(huán)境污染是目前我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要問題。我國是世界第一大煤炭生產(chǎn)國和第二大能源消費國，電力生產(chǎn)以燃煤為主，火電廠燃煤量占全國煤炭消耗總量50%左右。據(jù)統(tǒng)計，到2007年底，我國火電廠NOX年排放量為838.3萬噸，占全國總排放量的36%，居各行業(yè)第一，2010年火電廠NOX年排放量達到1000萬噸左右。按照目前的發(fā)展速度， 2015年將達1150萬噸左右。按照火電行業(yè)環(huán)境保護規(guī)劃的要求， 2015年需要削減480萬噸左右，減排壓力巨大。隨著環(huán)境標準的日趨嚴格，在發(fā)達國家和地區(qū)，均采用燃燒控制與SCR技術(shù)相結(jié)合的方法進行煙氣脫硝。我國燃煤來源復雜，煤種質(zhì)量普遍偏低，考慮到我國燃煤鍋爐的現(xiàn)狀及在SCR技術(shù)催化劑研究方面所取得的新突破，采用改進燃煤鍋爐和改進的燃燒技術(shù)，輔之以煙道氣選擇性催化還原脫硝技術(shù)，可為我國火電廠煙道氣脫硝提供最為現(xiàn)實可行的選擇。 2 NOX的控制技術(shù) 火力發(fā)電是耗煤大戶，燃煤帶來粉塵、硫氧化物和氮氧化物的大氣污染，目前燃煤發(fā)電廠對于粉塵、硫氧化物的治理已卓有成效，而對于氮氧化物排放控制方面起步相對較晚，而氮氧化物的污染也日益加劇，進行脫硝迫在眉睫，煙氣脫硝技術(shù)也是當前的一項電力新技術(shù)。 根據(jù)燃煤電站產(chǎn)生的NOX可分為兩類，一是燃料型NOX，它是由于燃料中的有機氮在燃燒過程中離子析出與含氧物質(zhì)反應而形成NOX ，二是熱力型NOX，它是在高溫燃燒時，空氣中的N2和O2發(fā)生化學反應形成的NOX 。目前，控制NOX排放的技術(shù)主要有兩類，一是控制燃燒過程中NOX的生成，即采用低NOX燃燒技術(shù)，二是在燃燒后對煙氣進行脫NOX技術(shù)，將已經(jīng)生成的NOX轉(zhuǎn)化為N2。 2.1 低NOX燃燒技術(shù) 最常用的低NOX燃燒技術(shù)是分級燃燒技術(shù)，它包含了低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和煙氣再循環(huán)等技術(shù)。分級燃燒就是把燃燒分階段完成，通過調(diào)整燃燒工況來達到低NOX生成量的一種爐內(nèi)控制技術(shù)。該技術(shù)的基本思路是：形成缺氧富燃區(qū)并設法降低局部高溫區(qū)的燃燒溫度以抑制NOX的生成，并使溫度和氧濃度的高點值不同時存在；減少燃料周圍的氧濃度，形成還原性氣氛并加入還原劑，使已經(jīng)生成的NOX被還原。 2.1.1 空氣分級燃燒 根據(jù)NOX的生成機理，燃燒區(qū)的氧濃度對各種類型的NOX的生成濃度均影響很大。當過量空氣系數(shù)a＜1，燃燒區(qū)處于“貧氧燃燒” 狀態(tài)時，對于抑制在該區(qū)NOX的生成量有明顯的效果。根據(jù)這一原理，把供給燃燒區(qū)空氣量的減少到全部燃燒所需用空氣量的70％左右，使燃燒在“貧氧燃燒”條件下進行，從而既降低了燃燒區(qū)的氧濃度也降低了燃燒區(qū)的溫度水平。因此，第一級燃燒區(qū)的主要作用就是抑制NOX的生成并將燃燒過程推遲。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風專門噴口送入爐膛與第一級“貧氧燃燒”所產(chǎn)生的煙氣混和，完成整個燃燒過程，此時第二級的燃盡過程是在a＞1的條件下進行的，故分級燃燒法。 2.1.2 燃料分級燃燒 該技術(shù)的目的是將主燃燒器供入的一次燃料在一級燃燒區(qū)形成的NOX在二次燃料的再燃區(qū)重新還原為氮氣。以此其技術(shù)關(guān)鍵是在主燃燒器形成的初始燃燒區(qū)的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區(qū)，NOX進入本區(qū)便被還原脫氧生成氮氣。為了保證在再燃區(qū)的不完全燃燒產(chǎn)物的燃盡，在再燃區(qū)的上面還需布置燃盡風專門噴入，以保證二次燃料的完全燃燒。試驗證實，改變再燃區(qū)的燃料與空氣之比是控制NOX排放量的關(guān)鍵因素。 2.1.3 煙氣再循環(huán) 該技術(shù)是在鍋爐空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐膛或與一、二次風混合后送入爐膛，既降低了燃燒區(qū)域的溫度，又降低了燃燒區(qū)域的氧濃度，可抑制NOX的生成。該技術(shù)的NOX降低率隨煙氣再循環(huán)率的增加而增加，爐內(nèi)燃燒溫度越高，煙氣再循環(huán)率越高，對NOX降低率的影響越大。但是，隨著再循環(huán)煙氣量的增加，燃燒會趨于不穩(wěn)定，不完全燃燒損失也會增加。因此，電站鍋爐的煙氣再循環(huán)率一般控制在10％～20％。 2.1.4 濃淡偏差燃燒技術(shù) 濃淡偏差燃燒技術(shù)的原理是依據(jù)NOX對過量空氣系數(shù)a的依賴關(guān)系，使部分燃料在空氣不足條件下燃燒，即燃料過濃燃燒；另一部分燃料在空氣過剩下燃燒，即燃料過淡燃燒。無論是過濃燃燒還是過淡燃燒，燃燒時過量空氣系數(shù)a都不等于1，前者a＜1，后者a＞1，因此該方法又稱為化學計量數(shù)配比燃燒或者偏差燃燒。燃料過濃部分因氧氣不足，燃燒溫度不高，所以燃料型NOX和熱力型NOX都很低。燃料過淡部分，因空氣量很大，燃燒溫度降低，使熱力型NOX降低。這一方法可以用于燃燒器多層布置的電站鍋爐，在保持總空氣量不變的條件下，調(diào)整各層燃燒器噴口的燃料與空氣的比例，然后保證濃淡兩部分燃氣充分混合好并燃盡。該方法比較簡單，NOX排放能明顯降低。 2.1.5 煙氣循環(huán)流化床脫硫脫硝技術(shù) Lurgi GmbH首先研究了煙氣循環(huán)流化床（CFB）聯(lián)合脫硫脫硝技術(shù)，該方法用消石灰作為脫硫的吸收劑，氨作為脫硝的還原劑，F(xiàn)eSO4?7H2O作為脫硝的催化劑。利用流化床內(nèi)強烈的湍流效應和較高的循環(huán)倍率加強固體顆粒間的碰撞以及固體顆粒與煙氣的接觸，靠摩擦不斷地從吸附劑表面去除反應產(chǎn)物，以暴露出新鮮的反應表面積，從而提高吸附劑的利用率。該系統(tǒng)已在德國投入運行，結(jié)果表明在Ca∕S比為1.2～1.5、NH3∕NOX比為0.7～1.03時，脫硫率為97％，脫硝率為88％。 2.2 煙氣脫硝技術(shù) 煙氣脫硝工藝可以分為兩大類：濕法和干法。 目前，世界上較多使用的濕法有氣相氧化液相吸收法和液相氧化吸收法，較多使用的干法有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）等。 2.2.1 非催化法脫硝技術(shù) 非催化法脫硝技術(shù)包括以下幾種： (1)吸附法 吸附法是利用吸附劑（分子篩、活性炭、硅膠和泥煤等）比表面積大的特點，對NOX進行選擇性吸附，在吸附劑上添加催化劑對NOX進行表面催化還原，進一步處理吸附的NOX (2)吸收法 吸收法是利用水、堿性溶液、碳酸鹽、硫酸、有機溶液等能夠吸收NOX的特點，將NOX從煙氣中脫除。按吸收劑的種類可分為氧化吸收法、還原吸收法、絡合吸收法等。 (3)等離子體法 等離子體法是20世紀80年代發(fā)展起來的一種干法脫硫脫硝技術(shù)，其特點是利用高能電子和高能電子此生的活性基團，將NO氧化為NO2，然后與NH3反應生成硝酸銨而得以脫除。根據(jù)高能電子的來源，該法可分為兩大類：電子束法（EBDC）和脈沖電暈法（PPCP）。 (4)選擇性非催化還原法（SNCR） 選擇性非催化還原過程中，尿素和氨類化合物作為還原劑將NOX轉(zhuǎn)化為N2反應通常發(fā)生在較高的溫度（930～1090℃）下，通過高溫達到反應所需的活化能，從而避免使用催化劑。 2.2.2 催化法脫硝技術(shù) 為解決直接分解法催化劑表面吸附氧對催化劑活性抑制的問題，誕生了催化還原法（SCR），它是較易實現(xiàn)工業(yè)化的脫除NOX的方法。選擇性催化還原(SCR)的原理是通過還原劑（例如NH3）在適當?shù)臏囟炔⒂写呋瘎┑臈l件下，把NOX轉(zhuǎn)化為空氣中天然含有的氮氣（N2）和水（H2O）。 綜合比較，SCR法由于還原反應溫度要求低，可安裝在鍋爐尾部，具有對爐膛影響小，脫硝效率高（用于電站鍋爐是脫硝效率可達85％以上），氨逃逸率低，運行安全可靠，其脫硝產(chǎn)物可以直接排向大氣，不會對大氣造成二次污染等優(yōu)點是一種比較理想的煙氣脫硝技術(shù)，SCR技術(shù)也是目前唯一能在氧化氣氛下脫除NOX的實用方法。隨著運行經(jīng)驗的增加、操作條件的優(yōu)化、催化劑及其載體的改進，SCR技術(shù)日趨成熟并開始受到普遍的歡迎，具有廣闊的發(fā)展前景。 3 SCR方法概述 3.1.1 SCR反應的基本化學原理 氮的氧化物（NOX）選擇還原SCR反應過程是在催化劑的作用下，通過加還原劑可以把NOX 轉(zhuǎn)化為空氣中天然含有的氮氣（N2）和水（H2O）。用于燃煤電站SCR煙氣脫硝的還原劑一般有3種：液氨、氨水及尿素，三種還原劑各有特點，目前以氨作主要的還原劑。主要的化學方程式為： 上述反應的催化劑可以是金屬的，也可以是碳基的，此反應所需的NH3/NOX摩爾比接近1，最佳反應溫度為320～400℃之間。 目前工程中常用的SCR催化劑主要成分是V2O5-WO3/TiO2系列，反應步驟如下： 1. 煙氣中的NH3傳輸?shù)酱呋瘎┍砻娌⑽皆诖呋瘎┥稀? 2. 煙氣中的NO或NO2擴散，與吸附在催化劑表面上的NH3反應，生成氣態(tài)的氮氣與水蒸氣再擴散到煙氣中。 3. 煙氣中的氧氣擴散到催化劑，令催化劑的活性中心再生。 在SCR工藝中，催化劑安放在一個像固體反應器的箱體內(nèi)，煙氣穿過反應器流過催化劑表面。催化劑單元通常垂直布置，煙氣由上向下流動。有時也采用水平布置。 3.1.2 SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程 SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程如圖3-1所示。 圖3-1 SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程 按工藝劃分，脫硝系統(tǒng)主要分為：煙氣系統(tǒng)、SCR反應器本體、氨噴射系統(tǒng)、聲波吹灰系統(tǒng)、液氨卸料和儲存系統(tǒng)、氨氣制備系統(tǒng)、氨氣稀釋系統(tǒng)、廢氣收集和廢液排放系統(tǒng)、氮氣吹掃系統(tǒng)、蒸汽和壓縮空氣供給系統(tǒng)等系統(tǒng)。其中煙氣系統(tǒng)的流程為：省煤器出口→催化反應器進口煙道→氨氣噴射格柵→煙氣/氨氣混合器→催化反應器→催化反應器出口煙道→空氣預熱器 按區(qū)域劃分，脫硝系統(tǒng)主要分為SCR反應區(qū)和氨區(qū)兩大區(qū)域，其中氨區(qū)系統(tǒng)主要包括下面這些設備：卸料壓縮機、液氨儲罐、液氨輸送泵、液氨蒸發(fā)器、氨緩沖罐、氨稀釋罐、廢水泵、廢水池。SCR反應區(qū)主要包括下面這些設備：稀釋風機、氨空氣混合器、采樣風機、噴氨格柵、導流板、整流裝置、儲氣罐、聲波吹灰器、催化劑層、煙氣進口擋板、煙氣出口擋板、煙氣旁路擋板。 4 SCR脫硝系統(tǒng)的應用分析 4.1.1國際上的SCR應用現(xiàn)狀 早在2005年，美國就已經(jīng)成為世界的領先者，擁有超過1000MW的SCR裝置，目前在歐洲已有120多臺大型裝置的成功應用經(jīng)驗,其NOx 的脫除率可達到80% ～90%。日本有170多套裝置,接近1000MW容量的電廠安裝了這種設備。美國政府也將SCR技術(shù)作為電廠控制NOx 主要的技術(shù)。隨著世界各國的經(jīng)濟發(fā)展及日益增長的環(huán)保要求，SCR 脫硝技術(shù)的應用得到了廣泛的應用。特別是在亞洲的飛速發(fā)展倍受世界注目，為世界的節(jié)能減排做出了積極的貢獻。SCR脫硝技術(shù)已成為目前國內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。 4.1.2 中國的SCR應用現(xiàn)狀 SCR脫硝技術(shù)具有高的脫硝率，NH3的逃逸率低，運行穩(wěn)定，維護方便，已成為目前國內(nèi)外電站脫硝比較成熟的主流技術(shù)。中國大型火電機組幾乎都采用SCR脫硝技術(shù)。我國電力系統(tǒng)目前最大最早的煙氣脫硝裝置—福建后石電廠600MW機組配套煙氣脫硝系統(tǒng)采用的就是PM型低NOx燃燒器加分級燃燒結(jié)合SCR裝置的工藝。廣東國華臺山電廠5＃600MW機組，浙江大唐烏沙山發(fā)電廠一期4＃600MW機組等一系列的燃煤電廠都采用的是SCR脫硝系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)投運后，效率都可以穩(wěn)定在85％以上。浙江國華寧海電廠二期擴建工程2×1000MW脫硝正在進行招標，建成后將成為我國最大脫硝系統(tǒng) 目前，環(huán)評已批、待批項目脫硝機組總規(guī)模約為3500萬千瓦，大部分集中在沿江火電密集地區(qū)。中國燃煤鍋爐NOx排放標準與歐美要求之間的差距并不大，但目前NOx排放收費標準遠低于美國?？梢灶A見，中國NOx排放與收費控制將日趨嚴厲?！皣谰奈廴拘蝿荨保胺煞ㄒ?guī)、產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)政策”將形成了一個龐大的脫硝市場。而SCR作為一種高效脫硝方法，必將得到更為廣泛的應用。 5 我省NOX的排放與控制技術(shù)調(diào)查 近年來，河南省新建600MW等級超臨界火力發(fā)電機組已有20余臺投入運行，超臨界火力發(fā)電機組已成為河南省發(fā)電的主力機組。這批機組均為引進技術(shù)、國內(nèi)生產(chǎn)，在同樣發(fā)電量下，發(fā)電煤耗比亞臨界機組低，排放的污染物比較少，為了充分了解當前的氮氧化物的排放和治理情況，客觀地了解企業(yè)的實際情況，加強火電廠的污染防治和環(huán)境管理，我們對河南省超臨界火力發(fā)電機組的煙氣中氮氧化物的排放情況進行了調(diào)查。本次調(diào)查電廠氮氧化物排放濃度結(jié)果如下表1所示: 表4-1 氮氧化物排放濃度調(diào)查結(jié)果 序號 廠家 排煙處（mg/Nm3） 01 民權(quán)電廠 265 02 鶴壁電廠 500 03 沁北電廠 500 04 首陽山電廠 450 05 信陽華豫電廠 450 06 開封電廠 334 07 三門峽電廠 450 08 新鄉(xiāng)電廠 451 09 姚孟電廠 450 10 禹州電廠 457 11 鴨河口電廠 300 從結(jié)果來看，各電廠氮氧化物排放量基本符合國家環(huán)保要求，但和先進水平相差較遠。 河南省超臨界機組鍋爐均采用在燃燒過程中對NOX的控制技術(shù)，主要依靠先進的低NOX燃燒器和爐膛內(nèi)分級送風燃燒技術(shù)來控制NOX的生成，這種方法NOX的排放量同煤種有直接的關(guān)系，難燃煤種NOX的排放量會增加很多。另外這種方法NOX的排放量在鍋爐低負荷運行時也會明顯增加。因此，通過分級燃燒技術(shù)可保證在鍋爐正常運行時NOX的排放量滿足排放要求，在鍋爐低負荷運行時控制NOX效果較差，排放量將可能超出國家環(huán)保要求。隨著環(huán)保要求的提高，電廠加裝脫硝裝置已成為趨勢。目前我省只有許昌禹州電廠加裝煙氣脫硝裝置，正常投運后可控制NOX含量不大于 130 mg/Nm3，可達到超臨界機組先進水平。 6 結(jié)束語 2009年6月3日，在第十一屆國際環(huán)保產(chǎn)業(yè)展覽會暨環(huán)保產(chǎn)業(yè)報告會上，國家發(fā)改委環(huán)資司環(huán)保處處長趙鵬高透露，發(fā)改委正在研究煙氣脫硝的經(jīng)濟政策和電價政策，將于最近開展試點。 由于脫硫電價政策的激勵作用，電力行業(yè)二氧化硫減排效果顯著。鑒于此，國家發(fā)改委和環(huán)保部考慮通過相應的經(jīng)濟杠桿繼續(xù)推進電力行業(yè)“脫硝”。 氮氧化物是酸雨的主要成分，燃煤火電廠是二氧化硫、氮氧化物的主要排放體。通過對電廠廢氣排放進行脫硫和脫硝治理是減少二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)排放的主要措施。 現(xiàn)在，氮氧化物成為電廠的主要排放物，到了需要防控的地步。據(jù)統(tǒng)計，2007年電力行業(yè)氮氧化物排放是840萬噸，比2003年增加了40%。 “十二五”期間，氮氧化物將納入總量控制范疇。國家發(fā)改委正在積極研究煙氣脫硝的經(jīng)濟政策和電價政策。因此我省超臨界機組鍋爐氮氧化物控制還需早做準備，進一步降低排放量。 通過分級燃燒技術(shù)可保證在鍋爐正常運行時NOX的排放量滿足排放要求，在鍋爐低負荷運行時控制NOX效果較差。低NOX的燃燒技術(shù)雖然減少了NOX排放，但和先進水平相差很遠，相信不久電廠加裝脫硝裝置會成為強制要求。隨著環(huán)保要求的提高，電廠加裝脫硝裝置已成為趨勢。 參考文獻 [1]朱法華，王勝，火電NOx排放現(xiàn)狀與預測及控制對策[J]．能源環(huán)境保護，2O04，18(1)： [2]鐘秦，燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例[M]．北京：化學工業(yè)出版社， 劉[3] 賈雙燕,路濤,李曉蕓,寧獻武;選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)及其在我國的應用研究[J];電力環(huán)境保護;2004年01期 [4]王斌;SCR脫硝技術(shù)及其在燃煤電廠中的應用[J];電力科學與工程;2003年03期
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 當前NOX的控制在起步階段，本課題的目的和基本思路主要是調(diào)查我省NOX的排放和控制情況，探討NOX的控制技術(shù)。
科學性、先進性及獨特之處
- 目前在我國火電廠煙氣脫硝技術(shù)還處在發(fā)展階段，對現(xiàn)有排放NOX情況進行調(diào)查，對各種脫硝工藝和運行脫硝工藝進行調(diào)研，進行火電廠煙氣脫硝技術(shù)應用分析，有利于推廣火電廠煙氣脫硝技術(shù)，同時為火電廠煙氣脫硝技術(shù)的選擇提供一定的學術(shù)價值。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本項目的研究,在火電廠環(huán)保技術(shù)領域上有所創(chuàng)新，學術(shù)成果或技術(shù)水平在國內(nèi)應具有先進水平，對我省經(jīng)濟發(fā)展和社會進步有一定的促進作用。
學術(shù)論文摘要
- 本論文通過調(diào)研，分析當前燃煤火電廠氮氧化物的排放情況，探討常見的氮氧化物的控制和處理對策，同時分析煙氣脫硝技術(shù)在燃煤火電廠的應用情況。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻
- 1]朱法華，王勝，火電NOx排放現(xiàn)狀與預測及控制對策[J]．能源環(huán)境保護，2O04，18(1)： [2]鐘秦，燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例[M]．北京：化學工業(yè)出版社， 劉[3] 賈雙燕,路濤,李曉蕓,寧獻武;選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)及其在我國的應用研究[J];電力環(huán)境保護;2004年01期 [4]王斌;SCR脫硝技術(shù)及其在燃煤電廠中的應用[J];電力科學與工程;2003年03期
同類課題研究水平概述
- 目前，脫硫技術(shù)已經(jīng)在全國范圍內(nèi)得到推廣，相比之下，硫化物的危害已經(jīng)大大減小。而與脫硝技術(shù)還處于一個初步發(fā)展階段，而NOx排放對大氣有很大的危害，是酸雨的主要形成原因。 因此，當前我們應該把更多的精力放在脫硝技術(shù)的推廣。因此，本類報告已經(jīng)得到學術(shù)屆的重視。 同類學術(shù)報告相比較，本報告在脫硝催化劑方面有重要說明，而國內(nèi)脫硝技術(shù)的限制主要在催化劑方面，所以，同類作品比較，該報告有明顯優(yōu)勢。
