我国火电厂烟气脱硝现状研究

我国火电厂烟气脱硝现状研究

周俊强，陶韡，杨晓伟

（北京交通大学土木建筑工程学院市环系 北京 100044）

摘 要:我国人口众多，工业、民用耗电量巨大，在我国总发电量中火电厂发电比例高达75%，其每年排放的氮氧化物占到了38%。为了我国的可持续发展与保护环境的迫切需求，烟气脱硝已成为亟待解决的问题。由于SCR技术脱硝效率高，可操作性和可实现商业化，因此国际国内主要使用SCR技术来达到烟气脱硝的目的。催化剂是SCR法烟气脱硝系统中最核心的部件，其性能的好坏直接影响着SCR脱硝系统的整体脱硝效果。其失活机理的研究与控制防止变得极为重要。

关键词：火电厂、SCR、脱硝、催化剂

Study on present situation of the flue gas denitration of heat-engine plant in China

Zhou Junqiang, Tao Wei, Yang Xiaowei

Beijing,Haidian District, 3rd wounded village, Beijing, 100,044 Summary: China's large population, industrial and civilian take great power consumption.In the total electricity generation in the thermal power plants in China as much as 75%,and its annual emissions of nitrogen oxides is up to the 38%. There is an urgent need to protect the environment and sustainable development in China,so NOx has become an urgent problem. Because of the high efficiency NOx SCR technology, operable and available commercially, so international and domestic major to use SCR technology to achieve the goal of flue gas denitrification. Catalyst is the central part of the SCR flue gas de-NOx system, it directly impacts on the performance of the overall NOx SCR de-NOx system effects. Study on the deactivation mechanism of prevent and control has become extremely important.

Keywords:Power plants, SCR , NOx, and Catalysts

引言：

随着“十一五”工作的结束，以及《“十二五”节能减排综合性工作方案》和《火电厂大气污染物排放标准》的落实与颁布，火电行业从高耗能、粗放型发展模式向低碳化、精细化的发展方式转变已是当务之急。目前我国电力装机中火电占75%，火电厂消耗的原煤占全国煤炭消费总量的50%以上，排放的二氧化碳占全国排放量的45%左右，二氧化硫占30%以上，氮氧化物占到了38%左右。

1火电厂烟气排放现状

总体来说，火电企业的节能减排指标主要包括煤耗水平、二氧化硫排放量、氮氧化物排放量三方面。根据中国环境规划研究院的研究，我国的环境容量二氧化硫1200—1800吨，氮氧化物为1200吨。而从2009年的排放数据来看，仅电力行业就已经排放了近2000吨二氧化硫和1400吨氮氧化物，排放量早已超过国家环境容量上限。然而可喜的是 \十一五\期间，二氧化硫排放总量下降14.29％，

超额完成10％的减排任务，全国累计建成运行5.32亿千瓦燃煤电厂脱硫设施。\十二五\期间要求再减排8％，与2005年相比，减排比例超过20％。\十一五\期间，，到\十一五\末，全国火电脱硫机组装机容量达到5.78亿千瓦，比例从2005年的12％提高到82.6％。所以说脱硫是火电厂“十一五”的主要任务，“十

[1]

二五”期间的工作重点则是脱硝 。

1．1 火电行业氮氧化物排放现状

“十一五”期间，煤电装机总量由2005年的3.7亿千瓦总装机增长到2010年末的6.5亿千瓦，煤电氮氧化物排放相应急剧增加。据中国电力企业联合会预测，在“十二五”煤电装机将继续增长到9.33亿千瓦。

国家环保局测算，根据新排放标准，到2015年时，全国需要进行去除氮氧化物改造的现有机组和新增的机组容量约为8.17亿千瓦，估计需投资1950亿元，年运行费用约612亿元;除尘和脱硫设施的改造和新建投资费用约需650亿元。

据《中国火电厂氮氧化物排放控制技术方案研究报告》统计,2009 年火电厂排放的NOx总量已增至860万t，比2003年的597.3万吨增加了43．9%，约占全国NOx排放量的35% ～40% [2] 。NOx排放量的增加速率明显小于装机容量、发电量和煤耗量的增长速度。其主要原因是大容量高效机组增速较大，单位发电煤耗有所降低；其次，新增的这些机组大多采用了低氮燃烧技术，使单位发电量的氮氧化物排放水平呈下降趋势；另外，关停小火电机组、在役机组的低氮燃烧技术改造和新增机组部分烟气脱硝装置的建成并投入运行，对降低氮氧化物排放水平也起到了一定作用。进一步控制火电行业氮氧化物的排放提供了良好基础。[3] 1.2 氮氧化物控制法规

根据《“十二五”节能减排综合性工作方案》到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准煤（按2005年价格计算），比2010年的1.034 吨标准煤下降16%，比2005年的1.276吨标准煤下降32%；“十二五”期间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。2015年，二氧化硫排放总量控制在2086.4万吨，比2010年的2267.8万吨分别下降8%；全国氮氧化物排放总量控制在2046.2万吨，比2010年的2273.6万吨分别下降10%。由表1可知“十二五”各地区氮氧化物排放总量控制计划。

表1“十二五”各地区氮氧化物排放总量控制计划 单位：万吨 地区 北京 天津 河北 山西

2015年比

2010年排放2015年

2010年地区

量 控制量

（%） 19.8 34.0 171.3 124.1

17.4 28.8 147.5 106.9 123.8 88.0 54.2

-12.3 -15.2 -13.9 -13.9 -5.8 -13.7 -6.9

山东 河南 湖北 湖南 广东 广西 海南

2015年比

2010年2015年

2010年

排放量 控制量 （%） 174.0 146.0 -16.1 159.0 135.6 -14.7 63.1 60.4

58.6 55.0

-7.2 -9.0

内蒙古 131.4 辽宁 吉林

102.0 58.2

132.3 109.9 -16.9 45.1 8.0

41.1 9.8

-8.8 22.3

黑龙江 75.3 上海 江苏 浙江 安徽 福建 宁夏

44.3 147.2 85.3 90.9 44.8 41.8

73.0 36.5 121.4 69.9 82.0 40.9 39.8 8.8

-3.1 -17.5 -17.5 -18.0 -9.8 -8.6 -4.9 0

重庆 四川 贵州 云南 西藏 陕西 甘肃 新疆

38.2 62.0 49.3 52.0 3.8 76.6 42.0 58.8

35.6 57.7 44.5 49.0 3.8 69.0 40.7 58.8

-6.9 -6.9 -9.8 -5.8 0 -9.9 -3.1 0

新疆生

产建设8.8 兵团 合计 2273.6 2021.6 -11.1

备注：全国氮氧化物排放量削减10%的总量控制目标为2046.2万吨，实际分配给各地区2021.6万吨，国家预留24.6万吨，用于氮氧化物排污权有偿分配和交易试点工作。

而2012 年1 月1 日开始实施的由国家环境保护部发布了比欧盟相关规定要求更高的《火电厂大气污染物排放标准》中更是规定，要求所有新建火电机组NOx排放量达到100 mg /m3。从2014 年1 月1 日开始，要求重点地区所有火电投运机组NOx排放量达到100 mg /m3，而非重点地区2003 年以前投产的机组达到200 mg /m3。氮氧化物的控制已成为国家经济可持续发展和环境保护的紧迫客观要求。[4]

2 SCR脱硝工艺技术

烟气脱氮方法可分成千法和湿法两类，干法有选择性催化还原(SCR，Selective Catalytic Reduction)，选择性非催化还原(SNCR)、非选择性催化还原(NSCR)、分子筛、活性炭吸附法、等离子梯法及联合脱硫脱氮方法等；湿法有分别采用水、酸、碱液吸收法，氧化吸收法和吸收还原法等。在这些方法中主流技术是选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)法，选择性非催化还原(SNCR)法的主要优点是技术含量低和运行费用低；缺点是对温度依赖性强，脱硝率只有30%-50%。实际工程中应用最多的是选择性催化还原(SCR)法。SCR 催化剂按照活性组分的不同，可分为以下几类：贵金属催化剂、金属氧化物催化剂、分子筛催化剂、碳基催化剂等。另外，一些新型催化剂，如复合型催化剂、储存-还原催化剂等，由于具有较好的热稳定性、较宽的活性温度区间和优良的抗水抗硫性能，已经引起越来越多研究者的关注。对于各类SCR 催化剂，它的活性组分种类及负载量、载体的种类、它的制备条件，如制备方法、焙烧时间和温度等，都会对SCR 催化剂的性能产生明显的影响。此外，空速、催化剂的种类、形态及用量、反应温度、还原剂种类及用量、水蒸气及SO2 含量等都是影响SCR 脱氮工艺的重要因素。

2.1工艺系统结构

每套选择性催化还原(SCR)装置处理烟气量为每台锅炉BMCR工况下100％的

烟气量，SCR系统主要由以下子系统组成：氨的储存和处理系统；SCR反应器和辅助系统。[6]

2.1.2 SCR反应原理

在SCR脱硝工艺中，氮氧化物在催化剂作用下被氨还原为无害的氮气和水，不产生任何二次污染。其主化学反应如下：

4NO+4NH3+02→4N2+6H20 4NH3+2N02+02→3N2+6H20 N02+NO+2NH3→2N2+3H20

同时在催化剂作用下发生副反应： S02+1/2 02→S03 NH3+S03+H20→NH4HS04

副反应要通过选择合适的催化剂和反应条件尽量避免。

上述化学反应在不使用催化剂时也可在900-1100℃的均匀气相下进行，而在SCR脱硝工艺中，因使用了催化剂，反应通常可在温度300-450℃下进行。

2.1.3 SCR脱硝工艺及系统的基本构成

SCR脱硝工艺装置的主要组成部分包括一个装催化剂的反应器、一个储罐及一个还原剂注入系统如图1所示[7]。还原剂即可是带压的无水液氨，也可是常压下的氨水溶液(通常重量浓度为25％)。此外还可能是尿素水溶液(通常重量浓度为40％)。当采用氨水或尿素溶液时，通常将其通过位于导管或滑流的雾化喷嘴直接注入到烟气通道中。无水液氨的储存压力取决于储罐的温度(例如20℃时压力为10bar)。液氨通过蒸发器中的蒸汽、热水或电被减压并蒸发。然后，蒸发的氨气经空气稀释，通过注入系统被注入到烟气中[7]。

注入系统有许多注射喷嘴组成，使氨和烟气的均匀分布。另一方面，在喷嘴数量较少的情况下，可以结合一个静态的混合器一起使用。氨气在烟气内的均匀分布对于实现NOx的有效还原、较低的氨逸出量以及由此达到催化剂的有效利用都十分重要。在NOx还原程度很高时，气流均匀分布相当重要。

在反应器入口的气体分布系统能使得通过反应器的气体形成较好的分布，以有效地利用催化剂。通常，借助位于反应器顶部的导流叶片可达到良好的气体分布。对于高粉尘SCR反应器，导流叶片一般还配一个使粉尘粒子向同一方向流动的整流器以减少灰尘的腐蚀和在催化剂上的沉积而导致催化剂孔堵塞[8]。

SCR DeNOx反应器一般是一个矩形的容器，通常包括放置在合适的支撑架上的两个或多个独立的催化剂模块。反应器通常还为备用催化剂层留有空间以减少催化剂消耗和将来进一步脱除NOx浓度。由于SCR在高粉尘的环境中运行，根据

烟气中的含尘量，为防止粉尘沉积，在每层催化剂上安装蒸汽吹灰器或声波吹灰器，吹灰器是标准配备设备。每天进行一次或两次的吹扫就能足以保持催化剂干净[6]。

2.2应用研究现状 2.2.1国内现状

目前国内锅炉采用的低NOx