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大力發展燃煤脫硫和脫硝技術是整治環境污染、改善空氣質量的重要舉措。按照GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的規定,自2014年7月1日起火力發電鍋爐對于氮氧化物(NOx)的排放將全面執行低于100mg/m3的新標準。
研究了大量脫硝技術的特點,指出作為脫硝主流技術的SCR工藝研究將集中在優化工藝流程、研發高性能SCR催化劑、SCR催化劑壽命延長和再生技術;基于不同脫硝機理的不同脫硝工藝的結合或聯用是脫硝技術的一個重要發展方向;加大研發聯合脫硝和脫硫的工藝;創新脫硝機理、多級或多段復合脫硝工藝以及可再生循環使用的新型脫硝催化劑和吸附劑將成為研究熱點。
2014年11月23日,《煤電節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NOx的超低排放,我國的火電廠現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、優化運行調整等手段實現NOx超低排放。
實踐證明:“循環流化床(CFB)鍋爐+低氮燃燒+SNCR脫硝+摻混低揮發分煤種”、“循環流化床(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,我國燃煤脫硝技術成本居高不下的重要原因是核心技術和裝備沒有實現自主知識產權。
筆者介紹了脫硝技術的現狀,比較了各種脫硝技術的優點和缺點,特別是研究了大量國內外脫硝專利技術的特點,在此基礎上,預測了未來脫硝技術的發展趨勢和可能實現的技術突破,并針對某些特殊的技術問題提出見解,以對我國脫硝技術的發展和實現自主知識產權起到拋磚引玉的作用。
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]發明了一種基于煤粉低氧燃燒技術的中溫低氧含量熱風爐,采用了乏氣代替空氣,實現煤粉的低氧氛圍燃燒,分級供給乏氣,通過在爐膛煙道區設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%)引入爐膛主燃燒區上部,減少主燃區的氧含量。主燃區風量只有原來的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,將NOx還原,在燃燒裝置末端第2次通空氣,使第1階段不完全燃燒產物CO和HC完全燃盡(貧燃料富氧條件)。楊秋東等[3]發明了一種大空間空氣分級燃燒鍋爐,采取了“設置分風管及設定主風管與分風管間距”的關鍵技術。
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境下燃燒并生成NH3和CO等還原劑,與NO發生還原反應生成N2,由此抑制NOx生成。此方法可實現約50%的NOx減排效率。龔光輝[4]等發明了一種燃料分級燃燒低NOx燃燒器,實現燃料分級和多點分散燃燒。
煙氣再循環是將鍋爐尾部(或空預器前抽取)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,降低了燃燒區域的溫度和氧濃度,由此降低NOx的生成量。當煙氣再燃循環率為15%~20%時,可降低NOx生成量25%左右,電廠煙氣再循環率可控制在10%~20%,NOx脫除率小于20%。
王歡等[5]發明了一種帶有煙氣再循環的特殊循環流化床鍋爐,將引風機的出口由煙氣再循環管與爐膛底部連通。低NOx燃燒器是根據燃燒過程中降低NOx生成的原理而設計的新型燃燒器。
例如,根據分級燃燒原理設計的分段燃燒器;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。
1脫硝燃燒控制技術
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]。脫硝燃燒控制技術的原理就是設法建立缺氧富燃料的燃燒區域、設法降低局部高溫區溫度、使燃燒區氧濃度適當降低等。
在燃燒過程中可通過改變燃燒條件和燃燒器結構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[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%。
