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脫硝技術簡介
燃燒煙氣中去除氮氧化物的過程，防止環境污染的重要性，已作為世界范圍的問題而被尖銳地提了出來。世界上比較主流的工藝分為：SCR和SNCR。這兩種工藝除了由于SCR使用催化劑導致反應溫度比SNCR低外，其他并無太大區別，但如果從建設成本和運行成本兩個角度來看，SCR的投入至少是SNCR投入的數倍，甚至10倍不止。
為防止鍋爐內煤燃燒后產生過多的NOx污染環境，應對煤進行脫硝處理。分為燃燒前脫硝、燃燒過程脫硝、燃燒后脫硝。
高粉塵布置SCR系統工藝流程圖
選擇性非催化還原脫硝技術(SNCR)工藝流程圖
SCR煙氣脫硝工藝流程圖
SCR煙氣脫硝工藝流程圖
選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硫技術
選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硫技術
脫硝工藝流程圖
水泥工藝脫硝工藝流程圖
臭氧脫硝系統流程圖
高粉塵布置SCR系統工藝流程圖
高粉塵布置SCR系統工藝流程圖
高粉塵布置SCR系統工藝流程圖
SNCR與SCR聯合脫硝工藝流程圖
SCR脫硝技術工藝流程圖
SCR脫硝技術工藝流程圖
1 氮氧化物的的危害有哪些?
答：(1)、NO能使人中樞神經麻痹并導致死亡，NO2會造成哮喘和肺氣腫，破壞人的心、肺，肝、腎及造血組織的功能喪失，其毒性比NO更強。無論是NO、NO2或N2O，在空氣中的最高允許濃度為5mg/m3(以NO2計)。
(2)、NOx與SO2一樣，在大氣中會通過干沉降和濕沉降兩種方式降落到地面，最終的歸宿是硝酸鹽或是硝酸。硝酸型酸雨的危害程度比硫酸型酸雨的更強，因為它在對水體的酸化、對土壤的淋溶貧化、對農作物和森林的灼傷毀壞、對建筑物和文物的腐蝕損傷等方面絲毫不不遜于硫酸型酸雨。所不同的是，它給土壤帶來一定的有益氮分，但這種“利”遠小于“弊”，因為它可能帶來地表水富營養化，并對水生和陸地的生態系統造成破壞。
(3)、大氣中的NOx有一部分進入同溫層對臭氧層造成破壞，使臭氧層減薄甚至形成空洞，對人類生活帶來不利影響;同對NOx中的N2O也是引起全球氣候變暖的因素之一，雖然其數量極少，但其溫室效應的能力是CO2的200-300倍。
2 影響NOx生成的主要因素有哪些?
答：鍋爐煙氣中的NOx主要來自燃料中的氮，從總體上看燃料氮含量越高，則NOx的排放量也就越大。此外還有很多因素都會影響鍋爐煙氣中的NOx含量的多少，有燃料種類的影響，有運行條件的影響，也有鍋爐負荷的影響。
(1)、鍋爐燃料特性影響
煤揮發成分中的各種元素比會影響燃燒過程中的NOx生成量，煤中氧/氮(O/N)比值越大，NOx排放量越高;即使在相同O/N比值條件下，轉化率還與過量空氣系數有關，過量空氣系數大，轉化率高，使NOx排放量增加。此外，煤中硫/氮(S/N)比值也會影響到SO2和NOx的排放水平，S和N氧化時會相互競爭，因此，在鍋爐煙氣中隨SO2排放量的升高，NOx排放量會相應降低。
(2)、鍋爐過量空氣系數影響
當空氣不分級進入爐膛時，降低過量空氣系數，在一定程度上會起到限制反應區內氧濃度的止的，因而對NOx的生成有明顯的控制作用，采用這種方法可使NOx的生成量降低15%-20%。但是CO隨之增加，燃燒效率下降。當空氣分級進入時，可有效降低NOx排放量，隨著一次風量減少，二次風量增，N被氧人的速度降低，NOx的排放量也相應下降。
(3)、鍋爐燃燒溫度影響
燃燒溫度對NOx排放量的影響已取得共識，即隨著爐內燃燒溫度的提高，NOx排放量上升。
(4)、鍋爐負荷率影響
通常情況下，增大負荷率，增加給煤量，燃燒室及尾部受熱面處的煙溫隨之增高，揮發分N生成的NOx隨之增加。
3 控制NOx的措施有那些?
答：有關 NOx的控制方法從燃料的生命周期的三個階段入手，即燃燒前、燃燒中和燃燒后。當前，燃燒前脫硝的研究很少，幾乎所有的研究都集中在燃燒中和燃燒后的 NOx控制。所以在國際上把燃燒中 NOx的所有控制措施統稱為一次措施，把燃燒后的 NOx控制措施稱為二次措施，又稱為煙氣脫硝技術。目前普遍采用的燃燒中 NOx控制技術即為低 NOx燃燒技術，主要有低 NOx燃燒器、空氣分級燃燒和燃料分級燃燒。應用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原技術(SCR)、選擇性非催化還原技術以(SNCR)及 SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術。
4 什么是低氮燃燒技術?
答：對 NOx的形成起決定作用的是燃燒區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。目前常用的低 NOx燃燒技術有如下幾種：
(1)燃燒優化：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。
(2)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，減少煤粉燃燒區域的空氣量(一次風)，提高燃燒區域的煤粉濃度，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，使燃料在富燃料區進行缺氧燃燒，以降低燃料型 NOx的生成。缺氧燃燒產生的煙氣再與二次風混合，使燃料完全燃燒。
(3)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%。
此外，還有燃料分級燃燒、煙氣再循環等技術對 NOx進行控制。近幾年投運的大型機組，特別是超臨界、超超臨界機組基本都采用了低氮燃燒技術，較好的控制了 NOx的排放濃度。而早些年投運的機組，NOx排放濃度相對較高。由于我國對環保的要求越來越高，對氮氧化物排放的限制將越來越嚴格，因此國內一些大型鍋爐廠和一些工程公司等對低氮燃燒技術進行了較多的研究，特別是在已運行的機組上如在一些已運行的電站鍋爐上實施低氮燃燒改造的試驗和工程應用。實施低氮燃燒改造基本上是通過采用空氣分級、高位燃盡風、濃淡燃燒器和空氣濃淡分布技術、降低燃燒器區域熱負荷等技術來實現對 NOx的有效控制。
5 上鍋廠低NOx燃燒技術有什么特點?
答：在燃燒過程中降低NOx的生成的主要手段是采用分級燃燒，降低燃燒區域的氧濃度和降低火焰溫度。上鍋低NOx燃燒技術設計的基本理念是將低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒和特殊設計的低NOx燃燒器相結合，在揮發氮物質形成時、非常關鍵的早期燃燒階段中將O2降低，從而達到它把整個爐膛內分段燃燒和局部性空氣分段燃燒時降低NOx的能力結合起來，在初始的富燃料條件下促使揮發氮物質轉化成N2，因而達到大幅度降低NOx排放的目的。
上鍋低NOx燃燒技術在燃用設計煤種的情況下，機組負荷BMCR工況下鍋爐的NOx排放濃度保證值可達到不超過200 mg/Nm3(O2=6%);機組負荷大于60%BMCR工況下鍋爐的NOx排放濃度保證可達到不超過250 mg/Nm3(O2=6%)。
6 為什么低氮燃燒技術在低負荷時NOx的排放不易控制?
答：一般而言，為了保證汽溫，鍋爐在低負荷運行時通常會適當提高燃燒時的過量空氣系數。過量空氣系數的提高使得燃燒中氧量偏高，分級燃燒效果降低，也就是沒有有效發揮空氣分級的特點以降低NOx的排放，這是鍋爐低負荷時NOx不易控制的主要原因。
另外，當機組在低負荷運行時，即使不參與燃燒配風的二次風門全關時，風門擋板仍留有一定的流通空隙，以保證約10%左右的二次風通過，冷卻該燃燒器噴嘴。但由于鍋爐在低負荷運行時，總的運行風量較小，而燃燒器停運風門全關時流通空隙的結構，冷卻風量占燃燒風量的比例在低負荷時明顯增加，低負荷運行時的主燃燒器區域的低氧量無法保證，分級燃燒效果降低，因此低負荷控制NOx的效果不明顯。
7上鍋廠的低NOx燃燒器有什么特點?
上鍋采用的是特殊的低NOx燃燒器，通過特殊設計的燃燒器結構以及通過改變燃燒器的風煤比例，將前述的空氣分級、燃料分級用于燃燒器本身，以盡可能地降低著火氧的濃度適當降低著火區的溫度達到最大限度地抑制NOx生成的目的。
上鍋特殊的低NOx燃燒器主要包括預置水平偏角的輔助風噴嘴(CFS)設計和強化著火煤粉設計。
8上鍋廠的低NOx空氣分級燃燒技術有什么特點?
答：空氣分級燃燒的基本原理是將燃料的燃燒過程分階段完成。空氣分級燃燒主要有軸向和徑向分級燃燒兩種。軸向分級燃燒指在距燃燒器上方一定位置處開設一層或兩層所謂燃盡風噴口，將助燃空氣沿爐膛軸向(即煙氣流動方向) 分級送入爐內，使燃料的燃燒過程沿爐膛軸向分級分階段進行。徑向分級燃燒指將二次風射流軸線向水冷壁偏轉一定角度，形成一次風煤粉氣流在內，二次風在外的徑向分級燃燒。
空氣分級燃燒這一方法彌補了簡單的低過量空氣燃燒的缺點。在第一級燃燒區內的過量空氣系數越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃燒產物越多，導致燃燒效率降低、引起結渣和腐蝕的可能性越大。因此為保證既能減少NOx的排放，又保證鍋爐燃燒的經濟性和可靠性，必須正確組織空氣分級燃燒過程。
軸向分級燃燒技術的主要通過緊湊燃盡風CCOFA和分離燃盡風SOFA進行控制，而徑向分級燃燒技術則通過預置水平偏角的輔助風噴嘴(CFS)設計來實現，上鍋低NOx燃燒技術能有效地將軸向分級燃燒和徑向分級燃燒進行復合。
9 低NOx燃燒低過量空氣技術有什么優缺點?
答：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。這是一種最簡單的降低NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15～20%。但如爐內氧濃度過低(3%以下)，會造成CO濃度急劇增加，增加化學不完全燃燒熱損失，引起飛灰含碳量增加，燃燒效率下降。因此在鍋爐設計和運行時，應選取最合理的過量空氣系數。
另外當鍋爐設計時按照較低的過量空氣系數時，如果實際運行無法達到設計選取的過量空氣系數(實際運行高于設計值)，會導致通過鍋爐各受熱部件的煙氣流速偏離設計值，因此將無法到達設計的換熱效果和受熱面防磨性的要求。
因此必須將降低NOx和提高燃燒效率相結合，在相應的低過量空氣系數降低NOx排放的同時兼顧鍋爐整體受熱面的設計，優化整體鍋爐的運行性能。
10 什么是SCR煙氣脫硝技術?
答：SCR煙氣脫硝技術即選擇性催化還原技術(Selective Catalytic Reduction，簡稱 SCR)，是向催化劑上游的煙氣中噴入氨氣或其它合適的還原劑，利用催化劑(鐵、釩、鉻、鈷或鉬等堿金屬) 在溫度為200-450℃時將煙氣中的 NOx轉化為氮氣和水。由于NH3具有選擇性，只與NOx發生反應，基本不與O2反應，故稱為選擇性催化還原脫硝。在通常的設計中，使用液態純氨或氨水(氨的水溶液)，無論以何種形式使用氨，首先使氨蒸發，然后氨和稀釋空氣或煙氣混合，最后利用噴氨格柵將其噴入 SCR反應器上游的煙氣中。
11 SCR法的優點有哪些?
答：SCR法是國際上應用最多、技術最成熟的一種煙氣脫硝技術。該法的優點是：由于使用了催化劑，故反應溫度較低;凈化率高，可高達85%以上;工藝設備緊湊，運行可靠;還原后的氮氣放空，無二次污染。
12 SCR法的缺點有哪些?
答：SCR法存在一些明顯的缺點：煙氣成分復雜，某些污染物可使催化劑中毒;高分散度的粉塵微粒可覆蓋催化劑的表面，使其活性下降;系統中存在一些未反應的NH3和煙氣中的SO2作用，生成易腐蝕和堵塞設備的硫酸氨(NH4)2SO4和硫酸氫氨NH4HSO4,同時還會降低氨的利用率;投資與運行費用較高。
13 SCR系統里的NOx是如何被反應的?
在 SCR反應器內，NO通過以下反應被還原：
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2+ 6H2O
6NO + 4NH3 → 5N2+ 6H2O
當煙氣中有氧氣時，反應第一式優先進行，因此，氨消耗量與NO還原量有一對一的關系。
在鍋爐的煙氣中，NO2一般約占總的 NOx濃度的 5% ，NO2參與的反應如下：
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2+ 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2+ 12H2O
上面兩個反應表明還原 NO2比還原 NO 需要更多的氨。在絕大多數鍋爐的煙氣中，NO2僅占 NOx 總量的一小部分，因此 NO2的影響并不顯著。
14 SCR脫硝法的催化劑如何選擇?
答：SCR法中催化劑的選取是關鍵因素，對催化劑的要求是活性高、壽命長、經濟性好不產生二次污染。在以氨為還原劑來還原NOx時，雖然過程容易進行，銅、鐵、鉻、錳等非貴金屬都可起到有效的催化作用，但因煙氣中含有SO2、塵粒和水霧，對催化反應和催化劑均不利，故采用銅、鐵等金屬作為催化劑的SCR法必須首先進行煙氣除塵和脫硫;或者是選用不易受骯臟煙氣污染和腐蝕等影響的，同時要具有一定的活性和耐受一定溫度的催化劑，如二氧化鈦為基體的堿金屬催化劑，其最佳反應溫度為300-400℃。
15 如何保證SCR系統 NOx脫除效率?
答：SCR系統 NOx脫除效率通常很高，噴入到煙氣中的氨幾乎完全和 NOx反應。有一小部分氨不反應而是作為氨逃逸離開了反應器。一般來說，對于新的催化劑，氨逃逸量很低。但是，隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，氨逃逸量就會增加，為了維持需要的 NOx脫除率，就必須增加反應器中 NH3/NOx摩爾比。當不能保證預先設定的脫硝效率和(或)氨逃逸量的性能標準時，就必須在反應器內添加或更換新的催化劑以恢復催化劑的活性和反應器性能。
16 SCR脫硝過程中氨的氧化機理及危害?
答：氨的氧化將一部分氨轉化為其它的氮化合物。可能的反應有：
4NH3 + 5O2 → 4NO+ 6H2O
4NH3 + 3O2 → 2N2+ 6H2O
2NH3 + 2O2 → N2O+ 3H2O
影響氨氧化反應的因素有：催化劑成分、煙氣中各組分和氨的濃度、反應器溫度等。一般認為在釩催化劑上，當溫度超過 399℃時，氨的氧化對脫硝過程才有顯著影響。
其危害：首先，達到給定的 NOx脫除率需要的氨供給率將增加，需要添加額外的還原劑以替換被氧化的氨;第二，氨的氧化減少了催化劑內表面吸附的氨，可能影響 NOx脫除，可能導致催化劑體積不足;此外，由于氨不是被氧化就是與 NOx反應或者作為氨逃逸從反應器中排出，因此氨的氧化使 SCR工藝過程的物料平衡變得復雜。因此， SCR煙氣脫硝系統需要安裝氨逃逸的測量儀器。
17 SCR脫硝過程中SO2氧化的機理及危害?
答：SCR催化劑的氧化特性使燃用含硫煤的鍋爐的脫硝反應器也會將 SO2氧化為 SO3：2SO2 + O2 → 2SO3 。SO2氧化率受煙氣中 SO2濃度、反應器溫度、催化劑質量、催化劑的結構設計及配方的影響。SO3的產生率正比于煙氣中 SO2的濃度。增加反應溫度也會加快 SO2的氧化，當溫度超過 371℃時，氧化速率將迅速增加。SO2氧化速率也與反應器中催化劑的體積成正比，因此，為獲得高的脫硝效率和低的氨逃逸而設計的反應器也會產生更多的 SO3。
SO3與催化劑組分及煙氣組分反應，形成固體顆粒沉積在催化劑表面或內部，縮短催化劑壽命。SCR反應器產生的 SO3增加了煙氣中 SO3的本底濃度。
18 SCR脫硝過程中銨鹽(如硫酸氫銨和硫酸銨)的形成機理及危害。
答：約在 320℃以下，SO3和逃逸的氨反應，形成硫酸氫銨和硫酸銨：
NH3 + SO3 + H2O→ NH4HSO4
2NH3 + SO3 + H2O →(NH4)2SO4
這些物質從煙氣中凝結并沉積，可以使催化劑失活;造成 SCR系統的下游設備沾污和腐蝕，增加空氣預熱器的壓降并降低其傳熱性能;使飛灰及脫硫裝置副產物不適合于特定的用途。降低上述影響是將氨逃逸量維持在低水平以及控制燃用含硫燃料鍋爐 SCR裝置的SO2氧化率。銨鹽沉積開始的溫度是氨和 SO3濃度的函數，為了避免催化劑沾污，在滿負荷條件下，SCR系統運行溫度應該維持在 320℃以上。
19 影響SCR脫硝性能的因素有哪些?
答：影響SCR脫硝性能的幾個關鍵因素有：反應溫度、煙氣速度、催化劑的類型、結構和表面積以及煙氣/氨氣的混合效果。
催化劑是SCR系統中的主要部分，其成分組成、結構、壽命及相關參數直接影響SCR系統的脫硝效率及運行狀況。不同的催化劑適宜的反應溫度也差別各異。反應溫度不僅決定反應物的反應速度，而且決定催化劑的反應活性。如果反應溫度太低，催化劑的活性降低，脫硝效率下降，則達不到脫硝的效果，此外催化劑在低溫下持續運行，還將導致催化劑的永久性損壞;如果反應溫度太高，則NH3容易被氧化，生成NOx的量增加，甚至會引起催化劑材料的相變，導致催化劑的活性退化。在相同的條件下，反應器中的催化劑表面積越大，NO的脫除效率越高，同時氨的逸出量也越少。
NH3輸入量必須既保證SCR系統NOx的脫除效率，又保證較低的氨逃逸率。只有氣流在反應器中速度分布均勻及流動方向調整得當，NOx轉化率、氨逃逸率和催化劑的壽命才能得以保證。采用合理的噴嘴格柵，并為氨和煙氣提供足夠長的混合煙道，是使氨和煙氣均勻混合的有效措施，可以避免由于氨和煙氣的混合不均所引起的一系列問題。
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