中国火电厂烟气脱硝技术战略研究

北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0011第一章概述燃烧矿物燃料是人类利用能源的主要途径。在燃料燃烧产生能量给人类社会进步提供巨大推动力的同时，又伴随着大量污染物的排放，向大气排放的氮氧化物(NOx)就是其中之一。1.1我国的能源状况和大气污染的特点在我国的能源结构中，煤炭占主要地位，我国的煤炭蕴藏量大，产量高——储量居世界第三位，产量居世界第一位。在煤炭、石油、水力、核能、风能等能源品种中，煤炭是我国国民经济和人民生活最主要的能量来源。在今后相当长的时期内，中国能源不会改变以煤炭发电为主的发展特点。“以电力为中心，以煤炭为基础”的能源政策是中国能源发展的必然选择。这种能源状况决定了我国的大气污染属于煤烟型污染。在煤炭燃烧向大气排放的多种污染物中，酸性气体的排放是现阶段防治的重点。有关资料显示，由于大气中的酸性气体超标(主要是SOx和NOx)，我国降水pH值小于5.6的区域已占国土面积的40%，而且都在我国经济发达地区。此外燃煤还向大气排放温室气体和破坏臭氧层的气体，研究表明大气污染对经济造成的损失是十分巨大的。由于大气污染问题而造成的对水陆生态环境的破坏，对工业及民用设施的破坏，以及对人体健康的危害，其严重后果更是难以估计的。总之，大气污染已对我国经济建设和社会发展构成了严重的威胁。1.2我国电力工业发展及所面临的环境问题的挑战电力工业是国民经济的基础产业，对国民经济的可持续发展起着重要的支撑作用。我国改革开放以来，火电厂发电装机容量和发电量分别从1949年的168.5万千瓦和43亿千瓦·时，达到2000年初的装机容量2.368亿千瓦，发电量达到11079亿千瓦·时，分别增加161.5倍和286.8倍，目前中国发电装机容量和发电量均居世界第二位。未来五年电力工业预计保持5%左右的增长，到“十五”末期，全国发电装机容量将达到3.9亿千瓦，其中水电9500万千瓦占24.36%，火电28600万千瓦占73.33%，电力工业是燃煤大户，我国北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0012目前电力生产耗煤量约站全国耗煤总量的30%，预计2003年电煤总耗约为6亿吨。就氮氧化物的排放而言，人类活动产生的氮氧化物80%以上来自燃烧源排放，一吨煤燃烧大约产生8~9公斤氮氧化物。而燃烧产生的氮氧化物又有50%来自固定燃烧源（主要是电站锅炉和工业锅炉）。这种状况增加了电力发展对环境产生的巨大压力。表1是我国火电机组（八五）期间氮氧化物排放调查结果。表1我国火电机组（八五）期间氮氧化物的排放调查结果年度发电量/亿KW·h发电标准煤耗/g·(KW·h)-1亿千瓦时NOX排放量/tNOX总排放量/万t1991年5526.49390350193.421992年6247.23387345215.531993年6856.86384340233.131994年7470.49381335250.261995年8051.20378330265.05表2是对我国火电机组21世纪初氮氧化物的排放预测结果(西安热工所做)。表221世纪初的电站锅炉NOX排放量预测年度火力发电量/亿KW·h发电标准煤耗/g·(KW·h)-1亿千瓦时的NOX排放量/tNOX总排放量/万t200011700328306358.02200517200314284488.48201022700300262594.74根据国家有关部门的预计，今后我国GDP年均增长7%左右，随着我国经济继续保持持续稳定增长，国民经济和社会发展对电力的需求也将相应增长。而我国以燃煤为主的电力生产所造成的环境污染又是电力工业发展的一个制约因素。电力工业必须解决和环境的协调发展问题，才能真正促进经济的繁荣，造福于人类。北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0013在火电机组排放的多种大气污染物中，氮氧化物是最近三十多年中受到世界极大关注的一种污染物。氮氧化物的排放在酸雨的形成和对臭氧层的破坏中所起的作用已经得到了科学的证明。世界上一些工业发达国家对氮氧化物的排放制定了越来越严格的限制。随着今后电力工业的发展，NOx排放量将越来越大。如果不加强控制，NOx对我国大气环境污染所造成的严重后果将不堪设想。电力行业加强对其控制的研究已迫在眉睫。第二章国内外烟气脱硝技术的发展历史、现状和趋势一般意义上的氮氧化物(NOx)包括N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等,但对大气造成污染的主要是NO、NO2和N2O。燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和NO2。在绝大多数燃烧方式中，产生的NO占90%以上，其余为NO2。这两种氮氧化物由于其危害之严重和治理难度之大而长期受到特别关注。所以在大气污染治理领域里，NOx主要指的是NO和NO2，而烟气脱硝（FluegasdeNOx）也就是从烟气中祛除NO和NO2。上个世纪40年代在英国、50年代在美国以及60年代在德国都有关于NOx的危害性的报导，60年代氮氧化物被国际社会确认为大气的主要污染物之一。随后在对NOx的形成与危害机理进行深入研究的基础上，开发了多种脱硝的实用技术，从70年代后期烟气脱硝技术就在一些工业发达国家付诸工业应用。下面就先将国际上有关NOx控制的研究与应用情况做一简单介绍。2.1NOx的形成与危害2.1.1NOx的形成在化石燃料的燃烧过程中，NOx的生成通过三种机理：(1)燃料本身所含的氮的有机物诸如喹啉(C5H5N)、吡啶(C9H7N)等,在高温下释放出氮和氧化合生成的NOx，称作燃料型NOx（FuelNOx）；北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0014(2)燃烧时空气中的Ｎ2在高温下氧化生成的NOx，称作温度型或热力型NOx（ThermalNOx）；(3)碳氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的NOx，称作快速型（或速度型）NOx（PromptNOx）——对于大多数的矿物燃料，这类NOx含量较小。燃烧过程中影响NOx生成量的因素主要有：·温度·氧浓度·燃料含氮量·反应时间在以上四个因素中，温度影响是所有因素中最强的。根据Zelkowski（1986）的研究结果，在煤粉燃烧装置常规氧量运行条件下，NOx生成量与温度之间的关系存在一个“边界温度”，高于该“边界温度”时，NOx生成量将随温度的升高以指数规律增加，这个“边界温度”大约为1300℃。下图就是Zelkowski给出的NOx的生成量与温度的关系曲线。2.1.2NOx的危害图1NOx生成量随着燃烧温度的变化北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0015NOx是几种量大面广的大气污染物之一，NOx的排放给自然环境和人类生产生活带来的危害主要包括：(1)NOx对人体的致毒作用；(2)NOx对植物的损害作用；(3)NOx在大气中的积累，造成环境酸化，是形成酸雨、酸雾的主要原因之一；(4)NOx与碳氢化合物形成光化学烟雾，造成二次污染；(5)N2O主要是造成高层大气的污染，参与臭氧层的破坏。因此，世界各国都相继制定了含NOx废气排放指标，对NOx的排放量进行限制，同时投入资金和人力开发高效率、低成本的控制NOx的技术工艺，并取得了一定的成果。2.2NOx的控制方法2.2.1NOx的控制方法分类见诸于文献资料上有关NOx的治理方法有几十种之多，归纳起来，这些方法不外乎从燃料的生命周期的三个阶段入手，即燃烧前、燃烧中和燃烧后。当前有关燃烧前脱硝的研究很少，几乎所有的研究都集中在燃烧中脱硝和燃烧后的烟气脱硝。所以在国际上把燃烧中脱硝或把NOx的生成前的所有措施统称为一级污染预防(primarypollutionprevention)，把燃烧后的处理称为二级污染预防(secondarypollutionprevention)。(1)燃烧前脱硝燃烧前脱硝是指从燃料中将氮脱除，从而达到减少NOx生成量的目的。(2)燃烧中脱硝控制燃烧中控制是通过改进燃烧方式减少NOx的生成量，基于NOx的形成受温度的影响极大这一规律，可以通过改进燃烧方式避开使NOx大量生成的温度区间，从而实现NOx的减排。主要有以下几种途径：·低氧燃烧或低过量空气系数（LEA）；·烟气再循环（FGR）；·降低空气预热器温度（RAP）；北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0016·分段燃烧，两段燃烧式、三段燃烧式。三段燃烧是在两段燃烧的基础上增加再燃烧——“reburning”,也称为补燃；·上部燃尽风(OFA)；·燃料分级等。燃烧方式的改进通常是一种相对简便易行的减少NOx排放的措施，但这种措施会带来燃烧效率的降低，不完全燃烧损失增加，而且NOx的脱除率也不够高，因此随着环保要求的不断提高，燃烧的后处理越来越成为必然。(3)燃烧的后处理燃烧的后处理就是对燃烧后产生的含NOx的烟气(尾气)进行处理，即烟气脱硝（FluegasdeNOx）或废气脱硝（WastegasdeNOx）。2.2.2烟气脱硝工艺分类烟气脱硝工艺可以分为两大类——湿法和干法(1)湿法(Wetprocess)是指反应剂为液态的工艺方法；(2)干法(Dryprocess)是指反应剂为气态的工艺方法。无论是干法还是湿法，依据脱硝反应的化学机理，又可以分为还原(Reduction)法、分解（Decomposition）法、吸附(Absorption)法、等离子体活化（Plasmaactivation）法和生化(Biochemical)法等。目前世界上较多使用的湿法有气相氧化液相吸收法和液相氧化吸收法，较多使用的干法有选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法等(SNCR)。2.2.3NOx的综合治理方法本着既要保护环境又要降低治污费用的原则，对氮氧化物的治理越来越倾向于采取综合措施。比如，对于一个火力发电厂而言，NOx的排放量和锅炉设计、运行状况、燃料的品质、燃烧器的配置、以及热力系统设计都有关系，因此，为了通过经济有效的途径减少NOx的排放，综合考虑各种相关因素采取措施是当今国际上的共识。这些相关措施包括：(1)炉型和设计参数的选择：低NOx炉型有循环流化床锅炉北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-0017（CFBC）和增压循环流化床锅炉（PFBC）；锅炉设计因素包括锅炉容量或最大连续蒸发量、炉膛断面热负荷、容积热负荷等因素。进入90年代以后,世界上主要的锅炉制造商其锅炉设计都是不仅要提高锅炉效率，减少未燃烬碳损失，同时要考虑在锅炉的燃烧系统和炉膛设计中尽量降低NOx的生成量。(2)运行状况：运行状况包括锅炉负荷、过剩空气量或氧量、直流燃烧器摆角及旋流燃烧器旋流叶片角度设置等因素；比如采用低过量空气系数是公认的减少NOx生成的运行方式。(3)煤质特性：包括煤中挥发分含量、氮含量、燃料比(固定碳/挥发分)及碳/氢比等。(4)燃烧器的配置与燃烧方式：燃烧器的配置包括燃烧器结构与型式的选择、安装布置以及与煤种的协调等；燃烧方式有前墙、对冲、切向燃烧等。比如，德国巴布科克公司已经断言，DS燃烧器将被用来替代W火焰燃烧而成为无烟煤燃烧技术的发展方向，在设计更为理想的炉膛尺寸、制粉系统和更合适的单台燃烧器热功率条件下，以DS燃烧器来实现低挥发分煤的低NOx燃烧,其前景将是十分乐观的。(5)热力系统设计：热力系统设计包括建立更加高效的能量利用系统，比如蒸汽燃气联合循环系统等，通过减少燃料的消耗，从总体上减少NOx的排放量。下面的框图综括了当前世界上为控制NOx排放所涉及的各方面技术措施。北京三阁益电机工程咨询有限公司中国火电厂烟气脱硝技术战略研究SGY-BG-2003-00182.3国外NOx的控制2.3.1工业发达国家NOx控制法规标准的发展历史与现状控制NOx的排放是大气污染防治的一项主要内容。绝大多数工业发达国家和地区都制定了较严格的限制NOx排放的法规和标准。但最初大