【導讀】大唐安陽發(fā)電有限責任公司#9、10. 大唐安陽發(fā)電有限責任公司#9、10機組脫硝改造可行性研究報告

　　

【正文】 的主要途徑。研究燃料型 NOx的生成和破壞機理，對于控制燃燒過程中 NOx的生成和排放，具有重要的意義。 大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 22 — 燃料型 NOx 的生成和破壞過程不僅和煤種特性、燃料中的氮化合物受熱分解后在揮發(fā)份和焦炭中的比例、成分和分布有關，而且其反應過程還和燃燒條件（如溫度和氧）及各種成分的濃度等密切相關。研究它的生成機理，大約有以下規(guī)律： 在燃料進入爐膛被加熱后，燃料中的氮有機化合 物首先被熱分解成氰（ HCN）、氨（ NH4）和 CN 等中間產(chǎn)物，它們隨揮發(fā)份一起從燃料中析出，被稱為揮發(fā)份 N。揮發(fā)份 N 析出后仍殘留在燃料中的氮化合物，被稱為焦炭 N。隨著爐膛溫度的升高及煤粉細度的減小（煤粉變細），揮發(fā)份 N 的比例增大，焦炭 N 的比例減小。揮發(fā)份 N 中的主要氮化合物是 HCN 和 NH3，它們遇到氧后， HCN 首先氧化成 NCO， NCO 在氧化性環(huán)境中會進一步氧化成 NO，如在還原性環(huán)境中， NCO 則會生成 NH， NH 在氧化性環(huán)境中進一步氧化成 NO，同時又能與生成的 NO 進行還原反應，使 NO 還原成 N2，成為 NO的還原劑。主 要反應式如下： 在氧化性環(huán)境中， HCN 直接氧化成 NO： HCN+O←→NCO+H NCO+O←→NO+CO NCO+OH←→NO+CO+H 在還原性環(huán)境中， NCO 生成 NH： NCO+H←→NH+CO 如 NH 在還原性環(huán)境中： NH+H←→N+H 2 NH+NO←→N 2+OH 如 NH 在氧化性環(huán)境中： NH+O2←→NO+OH NH+OH←→NO+H 2 NH3 氧化生成 NO： NH3+OH←→NH 2+H2O NH3+O←→NH 2+OH NH2+O←→NO+H 2 以上反應生成的 NOx燃燒過程中如遇到烴（ CHm）或 碳（ C）時， NO 將會被還原成氮分子 N2，這一過程被稱為 NO 的再燃燒或燃料分級燃燒。根據(jù)這一原理，將進入鍋爐爐膛的煤粉分層分級引入燃燒的技術，可以有效的控制 NOx的生成排放。 在一般情況下，燃料型 NOx的主要來源是揮發(fā)份 N，其占總量的 60%~80%，其余為焦炭 N 所形成。在氧化性環(huán)境中生成的 NOx 遇到還原性氣氛時，會還原成 N2，因此，大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 23 — 鍋爐燃燒最初形成的 NOx，并不等于其排放濃度，而隨著燃燒條件的改變，生成的 NOx可能被還原，或稱被破壞。煤中的 N 在燃燒過程中轉化為 NOx 的量與煤的揮發(fā)份及燃燒過量空氣系數(shù)有關，在過 量空氣系數(shù)大于 1 的氧化性氣氛中，煤的揮發(fā)份越高， NOx的生成量越多，若過量空氣系數(shù)小于 1，高揮發(fā)份燃煤的 NOx生成量較低，其主要原因是高揮發(fā)份燃料迅速燃燒，使燃燒區(qū)域氧量降低，不利于 NOx的生成。 這三種類型的 NOx，其各自的生成量和煤的燃燒溫度有關，在電廠鍋爐中燃料型NOx是最主要的，其占 NOx總量的 75%～ 90%，熱力型其次，快速型最少。 氮氧化物的脫除方法 目前控制 NOx排放的措施大致分為三類，一類是低 NOx燃燒技術，通過各種技術手段，抑制或還原燃燒過程中生成的 NOx，來降低 NOx 排放；另 一類是爐膛噴射脫硝技術；第三類是煙氣脫硝技術。煙氣脫硝技術包括濕法脫硝技術和干法脫硝技術。 低 NOx燃燒技術 根據(jù) NOx的形成條件可知，對 NOx的形成起決定作用的是燃燒區(qū)域的溫度和過量空氣量。因此，低 NOx 燃燒技術就是通過控制燃燒區(qū)域的溫度和空氣量，以達到阻止NOx生成及降低其排放的目的。對低 NOx燃燒技術的要求是，在降低 NOx的同時，使鍋爐燃燒穩(wěn)定，且飛灰含碳量不能超標。目前常用的低 NOx燃燒技術有如下幾種： （ 1）燃燒優(yōu)化 燃燒優(yōu)化是通過調整鍋爐燃燒配風，控制 NOx 排放的一種實用方法。它采 取的措施是通過控制燃燒空氣量、保持每只燃燒器的風粉（煤粉）比相對平衡及進行燃燒調整，使燃料型 NOx的生成降到最低，從而達到控制 NOx排放的目的。 煤種不同，燃燒所需的理論空氣量亦不同。因此，在運行調整中，必須根據(jù)煤種的變化，隨時進行燃燒配風調整，控制一次風粉比。調整各燃燒器的配風，保證各燃燒器下粉的均勻性，其偏差不大于 5%～ 10%。二次風的配給須與各燃燒器的燃料量相匹配，對停運的燃燒器，在不燒火嘴的情況下，盡量關小該燃燒器的各次配風，使燃料處于低氧燃燒，以降低 NOx的生成量。 （ 2）空氣分級燃燒技術 空氣分 級燃燒技術是目前應用較為廣泛的低 NOx 燃燒技術，它的主要原理是將燃料的燃燒過程分段進行。該技術是將燃燒用風分為一、二次風，減少煤粉燃燒區(qū)域的空氣量 (一次風 )，提高燃燒區(qū)域的煤粉濃度，推遲一、二次風混合時間，這樣煤粉進入爐膛時就形成了一個富燃料區(qū)，使燃料在富燃料區(qū)進行缺氧燃燒，以降低燃料型 NOx 的大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 24 — 生成。缺氧燃燒產(chǎn)生的煙氣再與二次風混合，使燃料完全燃燒。 該技術主要是通過減少燃燒高溫區(qū)域的空氣量，以降低 NOx 的生成技術。它的關鍵是風的分配，一般情況下，一次風占總風量的 25%～ 35%。對于部分鍋爐，風量分配不當， 會增加鍋爐的燃燒損失，同時造成受熱面的結渣腐蝕。因此，該技術較多應用于新鍋爐的設計及燃燒器的改造中。 （ 3）燃料分級燃燒技術 該技術是將鍋爐的燃燒分為兩個區(qū)域進行，將 85%左右的燃料送入第一級燃燒區(qū)進行富氧燃燒，生成大量的 NOx，在第二級燃燒區(qū)送入 15%的燃料，進行缺氧燃燒，將第一區(qū)生成的 NOx進行還原，同時抑制 NOx的生成，可降低 NOx的排放。 （ 4）煙氣再循環(huán)技術 該技術是將鍋爐尾部的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，降低了燃燒區(qū)域的溫度，同時降低了燃燒區(qū)域的氧的濃度，所以降低了 NOx 的生成量。該技術的關鍵是煙氣再循環(huán)率的選擇和煤種的變化。 （ 5）低 NOx燃燒器 將前述的空氣分級及燃料分級的原理應用于燃燒器的設計，盡可能的降低著火區(qū)的氧濃度和溫度，從而達到控制 NOx 生成量的目的，這類特殊設計的燃燒器就是低 NOx燃燒器，一般可以降低 NOx排放濃度的 30%～ 60%。 NOx燃燒器 設計原則類似于爐膛空氣分級燃燒，使燃燒器噴口附近著火區(qū)形成過量空氣系數(shù)小于 1 的富燃料區(qū)，設計要點在于燃燒器二次風與一次風粉氣流的混合位置，使噴口附近最早的煤粉著火區(qū)形成強烈的還原性氣氛，以大幅度降 低 NOx的生成量。 其代表性的燃燒器型式有：德國 Steinmuller 公司的 SM 型、美國 Bamp。W 公司的 DRB型雙調風型、 BabcockHitachi 公司的 HTNR 型、美國 Foster Wheeler 公司的 CFSF 型、美國 Riley Stocker 公司的 CCV 型、日本三菱公司的 PM 型等等。 NOx燃燒器 該燃燒器基于燃料分級原理，旨在提高著火過程穩(wěn)定性和進一步降低 NOx 濃度，由德國 Steinmuller 公司開發(fā)而成，型號為 MSM 型。 NOx燃燒器 其原理是再循環(huán)煙氣不經(jīng)過 混合直接引入到一次風外面的區(qū)域，用以降低火焰溫度峰值和沖淡火焰中心的氧濃度，以抑制熱力和燃料型 NOx 的生成。煙氣區(qū)外的內二次大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 25 — 風起著控制空氣和燃料的混合以及調節(jié)火焰的形狀及 NOx濃度的作用。 其代表性的燃燒器型式有： BabcockHitachi 公司的 DBR 型；日本三菱公司的 SGR型等等。 除上述三類低 NOx燃燒器外，還有清華大學開發(fā)的 WQ 型煤粉預燃室低 NOx燃燒器和火焰穩(wěn)定船式低 NOx燃燒器等等。 爐膛噴射脫硝技術 爐膛噴射脫硝實際上是在爐膛上部噴射某種物質，使其在一定的溫度條件下還原以生成的 NOx，以降低 NOx 的排放量。它包括噴水、噴二次燃料和噴氨等。但噴水和二次燃料的方法，尚存在著如何將 NO 氧化為 NO2 和解決非選擇性反應的問題，因此，目前還不成熟。下面著重介紹噴氨（或尿素）法即選擇性非催化脫硝法（ SNCR）。它是利用注入的 NH3 與 NO 反應生成 N2 和 H2O，該反應必需在高溫下進行，反應式如下： 4NH3+4NO+O2→6H 2O+4N2 （ 1） 4NH3+5O2→6H 2O+4NO （ 2） 反應式（ 1）發(fā)生的反應溫度為 900℃ ～ 1100℃ ，反應式（ 2）發(fā)生的反應溫度為 1100℃以 上，因此 SNCR 法的反應溫度必須控制在 900℃ ～ 1100℃ 之間。 采用該方法要解決好兩個問題：一是氨的噴射點選擇，要保證在鍋爐負荷變動的情況下，噴入的氨均能在 900℃ ～ 1100℃ 范圍內與煙氣反應。因此，一般在爐墻上開設多層氨噴射口。二是噴氨量的選擇要適當，少則無法達到預期的脫除 NOx 的效果，但氨量過大，將在尾部產(chǎn)生硫酸銨，從而堵塞并腐蝕空氣預熱器，因此要求尾部煙氣中允許的氨的泄露量應小于 5ppm，在這一條件限制下，非催化煙氣噴氨脫硝法的 NOx降低率為 30%～ 70%。 非催化煙氣噴氨脫硝法投資少，運行費用也低 ，但反應溫度范圍狹窄，目前在歐洲和美國的 300MW 燃煤電站鍋爐上已有采用該法運行經(jīng)驗，但市場占有率非常低。 煙氣脫硝技術 由于低 NOx 燃燒技術降低 NOx 的排放是比較低的（一般在 50%以下），因此，當NOx 的排放標準要求比較嚴格時，就要考慮采用燃燒后的煙氣處理技術來降低 NOx 的排放量。煙氣脫硝技術又分為干法、濕法。 （ 1）干法煙氣脫硝技術 干法煙氣脫硝技術包括選擇性催化脫硝法（ SCR）、電子束照射法和電暈放電等離子體同時脫硫脫硝法。 大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 26 — （ a）選擇性催化脫硝法（ SCR） 采用該法脫硝的反應溫度取決于 催化劑的種類，因此，催化劑室應布置在尾部煙道中相應的位置。該方法能達到 80%～ 90%的 NOx 降低率，因此，對于環(huán)保要求日益嚴格的地區(qū)，有相當好的應用前景。選擇性催化劑脫硝法的系統(tǒng)主要由催化劑反應器、催化劑和氨儲存和噴射系統(tǒng)所組成。催化劑反應器在鍋爐煙道中的布置主要有二種可能方案： ① 鍋爐省煤器后、空氣預熱器前溫度約為 350℃ 左右的位置（以下簡稱高灰段布置） 優(yōu)點：溫度范圍適合于大多數(shù)催化劑的工作溫度。 缺點：催化劑易中毒，催化劑反應器易受飛灰磨損，反應器蜂窩狀通道易堵塞，催化劑 易燒結，不適合于高活性催化劑。 ② 布置在 FGD 之后（以下簡稱尾段布置） 當鍋爐尾部煙道裝有濕法脫硫裝置（ FGD）時，可將催化劑反應器裝于 FGD 之后，使催化劑工作在無塵、無 SO2 的煙氣中，故可采用高活性催化劑，并使反應器布置緊湊，但由于煙氣溫度低（ 50℃ ～ 60℃ ），難以達到催化劑的工作溫度，因此，須在煙道內加裝燃油或燃氣的燃燒器，或蒸汽加熱器來加熱煙氣，從而增加了能源消耗和運行費用。 目前采用最多的布置方式是高灰段布置。 （ b）電子束照射同時脫硫脫硝技術 當除塵后的煙氣，主要含 SO NOx、 N H2O。它 們在電子束加速器產(chǎn)生的電子束流輻照下，經(jīng)電離、激發(fā)、分解等作用，可生成活性很強的離子、激發(fā)態(tài)分子。再經(jīng)化學反應，可生成一系列新物質。 H2O→H+OH O2→2O OH+NO→HNO 2 O+NO→NO 2 OH+NO2→HNO 3 SO2+O→SO 3 為提高脫除率，更好地回收和利用生成物，加入氨、石灰水等添加劑，生成固體化學肥料硫酸氨和硝酸氨。電子束輻照處理煙氣技術的優(yōu)點有：能同時脫硫脫氮，處理過程中不用觸媒，不受塵埃影響，沒有老化、結集、阻塞、清洗等問題，因是干式處理法，不影響原系統(tǒng)的熱效率，煙氣可不必在加熱 即從煙囪排放。添加氨時，生成物可作肥料使用；脫除率高，達 80%以上，設備占地面積小，建造費與運行費比常規(guī)法處理系統(tǒng)簡大唐安陽發(fā)電有限責任公司 10（ 2 320MW）機組脫硝改造 可行性研究報告 — 27 — 單，維修保養(yǎng)容易。該技術尚不成熟，國內僅有一個示范工程且已拆除，無有效的使用業(yè)績，在大型鍋爐上應用上有一定的困難。 （ c）電暈放電等離子體同時脫硫脫硝技術 電暈放電過程中產(chǎn)生的活化電子（ 5Ev～ 20Ev）在與氣體分子碰撞的過程中會產(chǎn)生OH、 O2H、 N、 O 等自由基和 O3。這些活性物種引發(fā)的化學反應首先把氣態(tài)的 SO2 和NOx轉變?yōu)楦邇r氧化物，然后形成 HNO3 和 H2SO4。在有氨注入的情況下，進一步 生成硫酸氨和硝酸氨等細顆粒氣溶膠。產(chǎn)物用常規(guī)方法（ ESP 或布袋）收集，完成從氣相中的分離。 鍋爐排放的煙氣首先經(jīng)過一級除塵，去掉 80%左右的粉塵之后將煙氣降溫到