脫硝技術(shù)的現(xiàn)狀及未來

環(huán)保窯爐

為了總結(jié)脫硝技術(shù)的研究成果,找出脫硝技術(shù)的發(fā)展趨勢,創(chuàng)建我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脫硝技術(shù)體系,分析了國內(nèi)外脫硝技術(shù)的現(xiàn)狀,介紹了干法和濕法煙氣脫硝技術(shù)的各種工藝,指出現(xiàn)階段技術(shù)最成熟的脫硝工藝是選擇性催化還原(SCR),但選擇性非催化還原(SNCR)、等離子體、氧化和吸收等工藝也具有非常好的前景。

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     研究了大量脫硝技術(shù)的特點,指出作為脫硝主流技術(shù)的SCR工藝研究將集中在優(yōu)化工藝流程、研發(fā)高性能SCR催化劑、SCR催化劑壽命延長和再生技術(shù);基于不同脫硝機理的不同脫硝工藝的結(jié)合或聯(lián)用是脫硝技術(shù)的一個重要發(fā)展方向;加大研發(fā)聯(lián)合脫硝和脫硫的工藝;創(chuàng)新脫硝機理、多級或多段復(fù)合脫硝工藝以及可再生循環(huán)使用的新型脫硝催化劑和吸附劑將成為研究熱點。

    大力發(fā)展燃煤脫硫和脫硝技術(shù)是整治環(huán)境污染、改善空氣質(zhì)量的重要舉措。按照GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的規(guī)定,自2014年7月1日起火力發(fā)電鍋爐對于氮氧化物(NOx)的排放將全面執(zhí)行低于100mg/m3的新標準。
    2014年11月23日,《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》對燃煤機組提出新要求:NOx排放量要小于50mg/m3。目前火電機組NOx排放標準達到50mg/m3以下方可享受超低排放電價補貼。為了實現(xiàn)NOx的超低排放,我國的火電廠現(xiàn)在大多通過鍋爐升級改造、低氮燃燒器改造、選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)改造、選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝工藝改造、鍋爐配煤摻燒、優(yōu)化運行調(diào)整等手段實現(xiàn)NOx超低排放。
實踐證明:“循環(huán)流化床(CFB)鍋爐+低氮燃燒+SNCR脫硝+摻混低揮發(fā)分煤種”、“循環(huán)流化床(CFB)鍋爐+分級燃燒+SNCR脫硝”和“低氮燃燒+SCR脫硝”等綜合脫硝措施均可將燃煤發(fā)電機組NOx排放量控制在小于50mg/m3,達到超低排放標準。目前,我國燃煤脫硝技術(shù)成本居高不下的重要原因是核心技術(shù)和裝備沒有實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)。
    筆者介紹了脫硝技術(shù)的現(xiàn)狀,比較了各種脫硝技術(shù)的優(yōu)點和缺點,特別是研究了大量國內(nèi)外脫硝專利技術(shù)的特點,在此基礎(chǔ)上,預(yù)測了未來脫硝技術(shù)的發(fā)展趨勢和可能實現(xiàn)的技術(shù)突破,并針對某些特殊的技術(shù)問題提出見解,以對我國脫硝技術(shù)的發(fā)展和實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)起到拋磚引玉的作用。
1脫硝燃燒控制技術(shù)
1.1脫硝燃燒控制原理
   燃燒過程中生成NOx的機理通常包括熱力型、燃料型和瞬時型3種。熱力型NOx生成的決定因素是溫度,一般認為溫度<1500K時,NOx生成量很小[1]。脫硝燃燒控制技術(shù)的原理就是設(shè)法建立缺氧富燃料的燃燒區(qū)域、設(shè)法降低局部高溫區(qū)溫度、使燃燒區(qū)氧濃度適當降低等。
在燃燒過程中可通過改變?nèi)紵龡l件和燃燒器結(jié)構(gòu)以達到上述目的來降低NOx的排放,包括低氧燃燒[2]、空氣分級燃燒[3]、燃料分級燃燒[4]、煙氣再循環(huán)[5]、低NOx燃燒器[6-7]等方法。這些方法可使煙氣中NOx降低20%~60%。
1.2脫硝燃燒控制工藝
    低氧燃燒是使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行,隨著煙氣中過量氧的減少,可以抑制NOx的生成,可降低NOx排放15%~20%。張旭等[2]發(fā)明了一種基于煤粉低氧燃燒技術(shù)的中溫低氧含量熱風爐,采用了乏氣代替空氣,實現(xiàn)煤粉的低氧氛圍燃燒,分級供給乏氣,通過在爐膛煙道區(qū)設(shè)置混氣器將高溫煙氣與乏氣混合,生成中溫低氧含量熱風,與現(xiàn)有熱風爐相比NOx的排放量可降低20%。
    空氣分級燃燒是將二次風中的部分風(10%~20%)引入爐膛主燃燒區(qū)上部,減少主燃區(qū)的氧含量。主燃區(qū)風量只有原來的80%~90%,燃料在缺氧富燃條件下燃燒,燃燒溫度降低,同時生成大量CO等還原物質(zhì),將NOx還原,在燃燒裝置末端第2次通空氣,使第1階段不完全燃燒產(chǎn)物CO和HC完全燃盡(貧燃料富氧條件)。楊秋東等[3]發(fā)明了一種大空間空氣分級燃燒鍋爐,采取了“設(shè)置分風管及設(shè)定主風管與分風管間距”的關(guān)鍵技術(shù)。
    燃料分級燃燒是首先只送入部分燃料,使燃料在富氧條件下燃燒;之后再將剩余燃料送入爐膛,使其在富燃料缺氧環(huán)境下燃燒并生成NH3和CO等還原劑,與NO發(fā)生還原反應(yīng)生成N2,由此抑制NOx生成。此方法可實現(xiàn)約50%的NOx減排效率。龔光輝[4]等發(fā)明了一種燃料分級燃燒低NOx燃燒器,實現(xiàn)燃料分級和多點分散燃燒。
   煙氣再循環(huán)是將鍋爐尾部(或空預(yù)器前抽取)部分低溫煙氣直接送入爐膛或與一次風、二次風混合后送入爐內(nèi),降低了燃燒區(qū)域的溫度和氧濃度,由此降低NOx的生成量。當煙氣再燃循環(huán)率為15%~20%時,可降低NOx生成量25%左右,電廠煙氣再循環(huán)率可控制在10%~20%,NOx脫除率小于20%。
   王歡等發(fā)明了一種帶有煙氣再循環(huán)的特殊循環(huán)流化床鍋爐,將引風機的出口由煙氣再循環(huán)管與爐膛底部連通。低NOx燃燒器是根據(jù)燃燒過程中降低NOx生成的原理而設(shè)計的新型燃燒器。
    例如,根據(jù)分級燃燒原理設(shè)計的分段燃燒器;利用助燃空氣的壓頭、把部分燃燒煙氣吸進燃燒器中與空氣混合燃燒的自身再循環(huán)燃燒器;使一部分燃料作過濃燃燒,另一部分燃料作過淡燃燒,但整體上空氣量保持不變,即兩部分都在偏離化學當量比下燃燒的濃淡型燃燒器。