摘要：濟(jì)寧是國家重要的能源基地，煤炭消耗量、發(fā)電企業(yè)密度及裝機(jī)容量均居全國同類城市前列，因此節(jié)能減排工作非常重要。文章介紹了濟(jì)寧市燃煤火電廠氮氧化物的排放情況，對氮氧化物的形成機(jī)理、脫硝原理以及脫硝技術(shù)進(jìn)行了分析，最后闡述了煙氣脫硝技術(shù)在完成濟(jì)寧市減排任務(wù)過程中發(fā)揮的重要作用。

我國長期以來對火電廠產(chǎn)生大氣污染物的控制主要集中在二氧化硫(SO2)上，“十二五”初期，國家規(guī)劃才將氮氧化物(NOx)增設(shè)為大氣污染物約束性指標(biāo)，并提出了2015年全國氮氧化物排放量比2010年削減10%的減排目標(biāo)，山東省的減排目標(biāo)為16.1%。與此同時，山東省政府下達(dá)給濟(jì)寧市氮氧化物的減排目標(biāo)是比2010年削減19%，減排目標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家和山東省的目標(biāo)，減排量居全省首位。

濟(jì)寧市是國家重要的能源基地，11187平方公里內(nèi)擁有33家現(xiàn)役燃煤發(fā)電廠，共計(jì)92臺機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)10000兆瓦，煤炭消耗量、發(fā)電企業(yè)密度及裝機(jī)容量均居全國同類城市前列。僅濟(jì)寧城區(qū)周邊就分布著10家燃煤電廠，對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境空氣質(zhì)量影響很大。據(jù)環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，燃煤電廠氮氧化物排放量在所有行業(yè)中的占比穩(wěn)居榜首。在濟(jì)寧市這個煤炭消耗大市，“十二五”初期，大部分火電廠還未實(shí)施脫硝計(jì)劃，氮氧化物排放量占全市氮氧化物排放總量的68%。

面對如此大的減排壓力，濟(jì)寧市積極應(yīng)對，出臺了一系列的文件。文件要求一般控制區(qū)單機(jī)容量20萬千瓦及以上、投運(yùn)年限20年內(nèi)的現(xiàn)役燃煤機(jī)組全部配套脫硝設(shè)施，綜合脫硝效率達(dá)到70%以上，自2013年9月1日起執(zhí)行《山東省火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，現(xiàn)有火電鍋爐二氧化氮排放濃度應(yīng)低于100mg/m3，比國家出臺的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施日期早9個月。為使氮氧化物排放濃度達(dá)標(biāo)，濟(jì)寧市各個電廠也逐步開始配套相應(yīng)的脫硝設(shè)施以降低排放濃度。以下主要針對火電廠氮氧化物控制技術(shù)做進(jìn)一步探討。

1 NOx生成機(jī)理

燃料煤中氮的含量一般在0.52%～1.41%，主要以有機(jī)氮的形式存在，經(jīng)熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN、NHI等中間產(chǎn)物基團(tuán)，最終經(jīng)過氧化反應(yīng)生成NOx。火電廠煙氣中的NOx是指NO、N2O、NO2、N2O4等的混合物，其中最主要的氮氧化物為90%～95%的NO和5%～10%的NO2，其產(chǎn)生機(jī)理主要有三種：燃料型、熱力型和快速型。

1.1 燃料型氮氧化物

由燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解又接著氧化而成，在600℃～800℃時就會產(chǎn)生，可占到NOx總量的60%～80%以上，甚至可高達(dá)90%。

1.2 熱力型氮氧化物

當(dāng)爐膛溫度在1350℃以上時，空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸?，在溫度足夠高時，可占到NOx總量的20%以上。當(dāng)溫度低于1350℃時幾乎無熱力型NOx生成。

1.3 快速型氮氧化物

由燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等在反應(yīng)區(qū)附近快速反應(yīng)生成，生成量很少，一般小于5%，可忽略不計(jì)。

2 脫硝原理

廢氣中主要產(chǎn)物NO難溶于水，被氧化后生成的高價(jià)態(tài)NO2可溶于水，生成的酸易被堿吸收。根據(jù)此原理從而可達(dá)到脫硝的目的降低氮氧化物排放量。其反應(yīng)方程式如下：

2NO+O2=2NO2

2NO2+H2O=HNO3+HNO2

HNO2不穩(wěn)定，會分解為HNO3、NO和H2O：

3HNO2=HNO3+2NO+H2O

3 脫硝技術(shù)簡介

目前，我國對于燃燒產(chǎn)生的NOx控制方法主要分為燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制。

3.1 燃燒前控制

燃燒前控制是指通過改進(jìn)燃料，即選用低氮燃料，但由于成本過高，因此未得到廣泛的應(yīng)用。

3.2 燃燒中控制

在燃燒過程中通過改變?nèi)紵龡l件的方法來降低NOx的濃度，統(tǒng)稱為低氮燃燒技術(shù)(Low Nox Burner，LNB)，主要包括降低燃燒區(qū)域的氧氣濃度和燃燒溫度。以濟(jì)寧市20萬千瓦及以上現(xiàn)役燃煤機(jī)組為例，通過LNB技術(shù)可將NOx濃度由700mg/m3左右降低至400mg/m3以內(nèi)，脫硝效率能達(dá)41%。但目前國家污染物總量減排核算時認(rèn)定的LNB的最高脫硝效率僅為35%。雖然該方法裝置簡單、投資較少、運(yùn)行費(fèi)用低，但是其脫硝效果存在很大的局限性，僅使用爐內(nèi)LNB技術(shù)脫硝不能滿足大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須再對燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硝處理。

3.3 燃燒后控制

在煙道尾部加裝脫硝裝置，使得煙氣中的NOx在一定溫度下生成無毒無害的N2和H2O。按照反應(yīng)環(huán)境可分為濕法、干法和半干法。目前世界上使用較廣泛的是干法，主要包括選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)和選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)。

3.3.1 SNCR脫硝技術(shù)。

SNCR技術(shù)是指把還原劑(尿素、氨水等)噴入爐膛溫度為850℃～1100℃范圍內(nèi)的區(qū)域，在無催化劑的作用下將NOx選擇性的還原為N2和H2O，從而達(dá)到降低氮氧化物排放濃度的目的。但是當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時，850℃～1100℃在爐膛內(nèi)的位置也會發(fā)生變化，因此常在爐墻上開設(shè)多層噴氨射口，以使得噴入爐內(nèi)的氨均能混入溫度為850℃～1100℃的煙氣內(nèi)。以尿素做還原劑為例，其反應(yīng)方程式如下：

(NH2)2CO=NH3+HNCO

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

2NO+2HNCO+1/2O2=2N2+2CO2+H2O

由于NO的化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，很容易被氧化成NO2，因此NOx濃度通常以NO2計(jì)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是成本價(jià)格低、投資少、裝置結(jié)構(gòu)簡單、改造方便、便于操作，脫硝效率高于50%，濟(jì)寧市多數(shù)電廠都采用了SNCR脫硝技術(shù)或LNB-SNCR技術(shù)相結(jié)合，脫硝效果良好。

3.3.2 SCR脫硝技術(shù)。

SCR技術(shù)是指還原劑(NH3、尿素、CO、H2、甲烷、乙烯、丙烷、丙稀等)在金屬催化劑(如V2O5)作用下，選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O。由于SCR技術(shù)采用了催化劑，催化作用使分解反應(yīng)的活化降低，反應(yīng)可在300℃～420℃之間進(jìn)行，但如果反應(yīng)溫度低于300℃，脫硝設(shè)施會退出運(yùn)行。主要反應(yīng)方程式如下：

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

4NO+O2+4NH3=4N2+6H2O

2NO2+O2+4NH3=3N2+6H2O

6NO+4NH3=5N2+6H2O

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

SCR技術(shù)是目前國際上應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，在日本、美國等國家的大多數(shù)電廠中基本都采用此技術(shù)，由于該方法技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠、脫硝效率可高達(dá)90%，能將NOx的濃度降至100mg/m3以內(nèi)，因此SCR脫硝技術(shù)也必然會成為我國煙氣脫硝的主流技術(shù)，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。但SCR技術(shù)投資和運(yùn)行維護(hù)成本較高、占地較大，需要使用價(jià)格昂貴的金屬催化劑，且催化劑易被堵塞和中毒。就濟(jì)寧市而言，目前僅20萬千瓦及以上燃煤機(jī)組采用了SCR脫硝技術(shù)。

4 結(jié)語

截至2015年底，濟(jì)寧市火電廠氮氧化物減排總量為78267噸，排放量大幅減少，氮氧化物排放量僅占到全市氮氧化物排放總量的38%。由圖2分析可見，在發(fā)電量和燃煤量基本持平的情況下，濟(jì)寧市氮氧化物的排放總量除了2011年略升之外，均呈逐年遞減的趨勢，尤其是2012年政府給電廠施壓，使得電廠逐步實(shí)施脫硝改造，NOx減排成效顯著。

“十二五”期間，濟(jì)寧市突出重點(diǎn)強(qiáng)力推進(jìn)污染物減排，全面完成了“十二五”總量減排硬指標(biāo)。氮氧化物排放量比2010年減少25.21%，完成省下達(dá)“十二五”任務(wù)的132.69%。下一步的工作重點(diǎn)就是要確保脫硝設(shè)施穩(wěn)定正常運(yùn)行，鞏固來之不易的減排成果。