混合SNcRrScR烟气脱硝工艺及其应用

　第３０卷第３期华电技术Ｖｏｌ．３０　Ｎｏ．３　　　２００８年３月ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｒ．２００８　　混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝工艺及其应用ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｈｙｂｒｉｄＳＮＣＲ－ＳＣＲｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ李晓芸１，蔡小峰２ＬＩＸｉａｏｙｕｎ１，ＣＡＩＸｉａｏｆｅｎｇ２（１．华北电力大学能源与动力工程学院，北京　１０２２０６；２．北京福泰克环保科技有限公司，北京　１００１０１）（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＴｈｅｒｍａｌＰｏｗｏｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ；２．ＢｅｉｊｉｎｇＦｕｔａｉｋｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ）摘　要：混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝工艺是结合了ＳＣＲ技术高效、ＳＮＣＲ技术投资省的特点而发展起来的一种新型的、成熟的工艺。介绍了混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺的特点，结合台湾某电厂的运行资料将这种工艺与单一的ＳＣＲ工艺和单一的ＳＮＣＲ工艺进行了技术经济比较，实践证明，该工艺在保证高脱硝效率的前提下，省去了氨喷射格栅，减少了催化剂的用量，从而降低了造价和运行费用，是一种值得关注的烟气治理技术。关键词：氮氧化物；混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝工艺；应用中图分类号：Ｘ７０１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０３－００２２－０４Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＨｙｂｒｉｄＳＮＣＲ－ＳＣＲｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｎｅｗａｎｄｍａｔｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＳＣＲａｎｄｔｈｅｌｏｗｅｒｃｏｓｔｏｆＳＮＣＲ．ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｙｂｒｉｄＳＮＣＲ－ＳＣＲｄｅ－ＮＯＸｐｒｏｃｅｓｓ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｓｉｔｗｉｔｈＳＣＲｐｒｏｃｅｓｓａｎｄＳＮＣＲｐｒｏｃｅｓｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｌｙａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙｗａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＩｔｈａｓｂｅｅｎｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅｄｂｙｔｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｔｈａｔｔｈｅｈｙｂｒｉｄＳＮＣＲ－ＳＣＲｄｅ－ＮＯＸｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｋｅｅｐｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｉｔｈｌｏｗｅｒｃｏａｓｔｂｙｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｔｈｅａｍｍｏｎｉａｉｎｊｅｃｔｉｏｎｇｒｉｄ（ＡＩＧ）ａｎｄｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｃａｔａｌｙｔｉｃｖｏｌｕｍｅ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔ＇ｓａｆｌｕｅｇａｓｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｗｈｉｃｈｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｙａｔｔｅｎｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＮＯＸ；ｈｙｂｒｉｄＳＮＣＲ－ＳＣＲｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ收稿日期：２００７－１２－１００　引言混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝技术不是选择性催化还原法（以下简称ＳＣＲ）工艺与选择性非催化还原法（以下简称ＳＮＣＲ）工艺的简单组合，它是结合了ＳＣＲ技术高效、ＳＮＣＲ技术投资省的特点而发展起来的一种新型工艺。ＳＣＲ和ＳＮＣＲ都是通过在烟气中加入氨或尿素溶液等还原剂，在一定温度下，与烟气中的氮氧化物（ＮＯＸ）发生还原反应，生成无害的氮气和水，不同之处是前者有催化剂的参与，而催化剂的参与降低了反应窗温度（由不加催化剂时的１０００℃左右降至３００℃～３８０℃或更低）并提高了反应效率。混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺具有２个反应区，通过布置在锅炉炉墙上的喷射系统，首先将还原剂喷入第１个反应区———炉膛，在高温下，还原剂与烟气中ＮＯＸ在没有催化参与的情况下发生还原反应，实现初步脱氮。然后未反应完的还原剂进入混合工艺的第２个反应区———ＳＣＲ反应器，在有催化参与的情况下进一步脱氮。混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺最主要的改进就是省去了ＳＣＲ工艺设置在烟道里的复杂的氨喷射格栅（ＡｍｍｏｎｉａＩｎｊｅｃｔｉｏｎＧｒｉｄ，简称ＡＩＧ）系统，并大幅度减少了催化剂的用量。１　混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺的优点［１～３］与单一的ＳＣＲ工艺和ＳＮＣＲ工艺相比，混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺具有以下一些优点。１．１　脱硝效率高单一的ＳＮＣＲ工艺脱硝效率低（一般在４０％以　第３期李晓芸，等：混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝工艺及其应用·２３·　下），而混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺可获得与ＳＣＲ工艺一样高的脱硝率（８０％以上）。１．２　催化剂用量小ＳＣＲ工艺由于脱硝催化剂的使用，大大降低了反应温度并提高了脱硝效率，但是，由于催化剂非常昂贵，一般占整个ＳＣＲ工艺总投资的１／３左右，并且由于需要定期更换，运行费用也很高。混合法工艺由于首先采用了ＳＮＣＲ工艺初步脱硝，降低了对催化剂的依赖。与ＳＣＲ工艺相比，混合工艺的催化剂用量可以大大减少，如图１所示。图１　混合法工艺ＳＮＣＲ部分脱硝效率与ＳＣＲ部分催化剂用量的关系曲线由图１可以看出，混合脱硝工艺中，当ＳＮＣＲ阶段脱硝效率为５５％，而要求总脱硝效率为７５％时，混合法工艺与ＳＣＲ工艺相比可节省５０％的催化剂；当要求总脱硝效率为６５％时，ＳＣＲ阶段催化剂的用量可以节省７０％。１．３　ＳＣＲ反应塔体积小，空间适应性强由于混合法工艺催化剂用量少，通过对锅炉烟道、扩展烟道、省煤器或空气预热器等进行改造来布置ＳＣＲ反应器，大大缩短了反应器上游烟道长度。它与单一的ＳＣＲ工艺相比，不需复杂的钢结构，节省了投资且不受场地的限制。１．４　脱硝系统阻力小由于混合法工艺的催化剂用量少，ＳＣＲ反应器体积小，其前部烟道较短，因此，与传统ＳＣＲ工艺相比，系统压降将大大减小，减少了引风机改造的工作量，降低了运行费用。１．５　减少ＳＯ２向ＳＯ３的转化，降低腐蚀危害催化剂的使用虽然有助于提高脱硝效率，但也存在增强ＳＯ２向ＳＯ３转化的副作用，而烟气中ＳＯ３含量的增加，将生成更多的ＮＨ４ＨＳＯ４。ＮＨ４ＨＳＯ４的黏结性很强，在烟气温度较低时，会堵塞催化剂并对下游设备造成腐蚀。混合法由于减少了催化剂的用量，将使这一问题得到一定程度的遏制。１．６　省去ＳＣＲ旁路的建造机组频繁启、停且长期低负荷运行或超负荷运行时，都可能由于排烟温度的不适宜而缩短催化剂的寿命。为此，ＳＣＲ工艺一般需要设置旁路系统，以避免烟温过高或过低对催化剂造成的损害。而旁路的设置又增加了初投资，并对系统控制和场地面积等也提出了更高的要求。混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺由于催化剂用量大大减少，因此，可以不再设置旁路系统，从而降低了控制系统的复杂程度和对场地的要求，减少了初期投资，简化了控制。１．７　催化剂的回收处理量减少脱硝系统目前所用催化剂寿命一般为２～３年。催化剂所用材料中的Ｖ２Ｏ５有剧毒，大量废弃的催化剂会造成二次污染，必须进行无害化处理。混合法工艺催化剂用量小，可大大减少废弃催化剂的处理量。１．８　简化还原剂喷射系统为了获得高效脱硝反应，要求喷入的氨与烟气中的ＮＯＸ有良好的接触并要求在催化反应器前形成分布均匀的流场、浓度场和温度场，为此，单一的ＳＣＲ工艺除必须设置复杂的氨喷射格栅（ＡＩＧ）及其控制系统外，还往往需要在多处安放掺混设施、加长烟道以保证ＡＩＧ与催化剂之间有足够远的距离等措施，以达到上述要求。而混合工艺的还原剂喷射系统布置在锅炉炉墙上，与下游的ＳＣＲ反应器距离很远，因此，无需再加装混合设施，也无需加长烟道，就可以在催化剂反应器入口获得良好还原剂与ＮＯＸ的混合及分布。１．９　加大了炉膛内还原剂的喷入区间，提高了ＳＮＣＲ阶段的脱硝效率单纯的ＳＮＣＲ工艺为了满足对氨逃逸量的限制，要求该工艺还原剂的喷入点必须严格选择在适宜反应的温度区域内。而在混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ技术中，ＳＮＣＲ过程中形成的氨泄漏是作为ＳＣＲ反应的还原剂来设计的，因此，对ＳＮＣＲ阶段氨逃逸的问题的考虑可以大大放宽。相对于独立的ＳＮＣＲ工艺，混合工艺氨喷射系统可布置在适宜的反应温度区域稍前的位置，从而延长还原剂的停留时间。在ＳＮＣＲ过程中未完全反应的氨将在位于下游的ＳＣＲ反应器被进一步利用。混合工艺的这种安排，有助于提高ＳＮＣＲ阶段的脱硝效率。目前，混合工艺的ＳＮＣＲ阶段的脱硝效率已经可以达到５５％以上。１．１０　可以方便地使用尿素作为脱硝还原剂由于液氨在运输和使用过程中存在诸多不安全　·２４·华电技术第３０卷　因素，更多的ＳＣＲ开始寻求其他安全的替代还原剂。尿素制氨系统成为ＳＣＲ工艺一个主要的发展方向，如北京高碑店电厂以及石景山电厂都采用尿素热解制氨系统，然而由于该系统需要复杂和庞大的尿素热解装置，投资费用大。而混合法工艺通过直接将尿素溶液喷入炉膛，直接利用锅炉的高温，将尿素溶液分解为氨，从而省去了热解装置，既方便又安全。１．１１　减少Ｎ２Ｏ的生成Ｎ２Ｏ是一种能破坏臭氧层的物质。ＳＣＲ工艺中，由于催化剂的作用，烟气中的ＮＯ被脱除的同时，烟气中的Ｎ２Ｏ会增加，这是ＳＣＲ工艺无法避免的问题。混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺由于催化剂用量小，因此，可以使生成的Ｎ２Ｏ较ＳＣＲ工艺少。１．１２　降低由于煤种引起的催化剂大量失效的压力目前广泛采用ＳＣＲ工艺的日本及欧洲诸国虽然对煤种质量控制严格，但是在脱硝工艺的运行中，也曾出现由于使用煤种的不当造成的催化剂失效的事故，产生严重的经济损失和社会影响。而采用ＳＮＣＲ－ＳＣＲ混合工艺，由于脱硝任务由２个区域承担且催化剂用量小，煤种的不良影响将被限制在一定范围内。我国部分煤炭质量不稳定，尤其是煤种的灰分普遍较高（动力煤平均为２８％～３０％，日本及欧洲诸国灰分通常为５％～７％）的火电厂，采用混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺，有利于减轻大量更换催化剂的压力。１．１３　有利于达标排放的“分步到位”混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺的２个脱硝区域的设立可以分步实施。在有关排放标准较低的情况下，可先采用单一的ＳＮＣＲ工艺，随着环保标准的提高，再加装催化反应器。混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺的紧缩型ＳＣＲ反应器，占地面积和工程量均小，通过利用其前部ＳＮＣＲ逃逸氨作为脱硝还原剂，可方便地过渡到混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺，将脱硝效率提高到新标准的水平。２　ＳＣＲ工艺与混合工艺综合对比２．１　工艺比较ＳＣＲ工艺与混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺比较见表１。２．２　经济比较混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺其系统建造成本、运行成本都较单一的ＳＣＲ工艺低，以下是台湾兴达电厂＃３，＃４机组分别采用单一的ＳＣＲ工艺和混合工艺时，作者所获得的相关资料：（１）建造成本比较，见表２；（２）运行成本比较，见表３；（３）综合成本比较，见表４。３　混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺在我国的应用前景由于ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺的上述特点，它特别适用于发展中国家的ＮＯＸ排放控制。首先，发展中国家的经济实力相对薄弱，ＳＣＲ工表１　ＳＣＲ工艺与混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺比较项目ＳＣＲ工艺混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ工艺还原剂ＮＨ３或尿素尿素为主反应温度３２０℃～４００℃前段：８５０℃～１１００℃，后段：３２０℃～４００℃催化剂用量催化剂用量很高催化剂用量较少脱硝效率可达８０％以上可达８０％以上还原剂喷射位置多位于省煤器与ＳＣＲ反应器间烟道内炉膛壁面上设置２～３层喷嘴ＳＯ２转化为ＳＯ３转化率较高转化率低ＮＨ３逃逸３×１０－６～５×１０－６５×１０－６～１０×１０－６对空气预热器的影响被堵塞或腐蚀机会较高被堵塞或腐蚀机会较低系统压力损失压力损失高压力损失低燃料的影响催化剂受燃料的影响大因催化剂用量少，影响较ＳＣＲ低受锅炉的影响受省煤器出口烟气温度的影响受炉膛内烟气流速及温度分布的影响催化剂吹灰需布置多层吹灰器最多布置一层投资及运行费用很高较高占地面积较大较小老厂改造复杂中　第３期李晓芸，等：混合ＳＮＣＲ－ＳＣＲ烟气脱硝工艺及其应用·２５·　表２　混合工艺与ＳＣＲ工艺建造成本比较比较条目混合工艺（尿素）ＳＣＲ工艺（液氨）工艺设计＆许可／美元１２０００００工程设计／美元１１０００００ＳＮＣＲ设备／美元３４７５０００溶液制备／美