德国燃煤电厂氮氧化物的控制技术

第13卷　第4期环　境　科　学　研　究

ResearchofEnvironmentalSciences　　

Vol.13,No.4,2000

德国燃煤电厂氮氧化物的控制技术

李玉江1,3,吴　涛2,3

(11山东工业大学化学工程系,山东济南　250061;21山东大学胶化所,山东济南　250100;

31教育部胶体与界面化学重点实验室,山东济南　250100)

摘要:欧洲控制氮氧化物的排放以德国较为典型。笔者介绍了德国燃煤电厂为控制NOx排放所采取的脱氮技术及其原理和特点,包括低

NOx燃烧器的开发利用和各类烟气脱氮装置的运行及其影响因素。

关键词:燃煤电厂;低NOx燃烧器;脱氮装置

中图分类号:X38　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6929(2000)04-0047-03

TechnologyonDenitrogenationinCoalPowerPlantsofGermany

LIYu2jiang1,3,WUTao2,3

(1.DepartmentofChemicalEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Jinan　250061,China;

2.InstituteofColloidChemistry,ShandongUniversity,Jinan　250100,China;

3.KeyLaboratoryforColloidandInterfaceChemistryofEducationMinistry,Jinan　250100,China)

Abstract:GermanyistypicalinEuropeincontrollingNOxemission.TheauthoroutlinesthetechnologyondenitrogenationandtheirprinciplesandcharacteristicsincoalpowerplantsofGermany,thedevelopmentandapplicationoflowNOxburners,andtheoperationofvarioustypesofdenitrogenationequipmentanditsinfluencefactors.Keywords:coalpowerplant;lowNOxburner;denitrogenationequipment

　　随着氮氧化物(NOx)对环境影响的日益严重,控制燃煤电厂NOx的排放越来越受到人们的重视。1984年原联邦德国在“大型燃烧设备规定”中制定出严格的气体污染物排放限值,其中300MW以上燃煤燃烧器的烟气中NOx浓度控制在200mg/m3以下。随之德国大型燃煤电厂控制NOx排放的技术水平日新月异,不断提高。

降低NOx排放措施分为一级脱氮技术和二级脱氮技术。一级脱氮技术主要是采用低NOx燃烧器以及通过燃烧优化调整,有效控制NOx的产生;二级脱氮技术则是利用各种措施,尽可能减少已生成NOx的排放。

如今,德国的燃煤电厂,不仅陆续开发采用了一系列低

NOx燃烧系统,全面安装了烟气脱氮装置。而且对老式锅炉

的运行使NOx的排放浓度降为1200～1500mg/m3左右。为适应日益严格的环保要求,有效降低NOx的排放量,德国陆续开发研制了一系列低NOx燃烧器。

影响NOx生成的因素主要有:火焰温度、燃烧区段氧浓度、燃烧产物在高温区的停留时间、燃料含氮量以及煤中的燃料比等。尤其是燃烧温度对NOx的生成影响很大。有效控制上述因素是控制NOx生成量的直接手段。

111　四角布置切圆燃烧系统

直流燃烧器四角布置,切圆燃烧是德国比较传统的低

NOx燃烧方式。这种燃烧方式下,在炉膛内形成一个比较强

烈旋转的整体燃烧火焰,能够使气流稳定着火,强化后期混合,保证燃料完全燃烧。由于四角燃烧时,炉内火焰比较充盈,四周水管冷壁的吸热量和热负荷分布比较均匀,燃烧中心的火焰峰值温度和最大热流密度较低,因而有利于降低

NOx的产生。

112　炉膛内整体空气分级燃烧器

不断进行技术改造和燃烧优化调整。

1　一级脱氮技术———低NOx燃烧系统的

应用

60年代中期以前,德国的燃煤电厂基本采用湿式燃烧

器,当时NOx的排放浓度在2000mg/m3以上。干式燃烧器

炉膛内整体空气分级燃烧器,是在传统角置直流燃烧器的基础上发展起来的,70年代后期开始得到广泛应用。它最显著的特点是每个燃烧器的顶部设有燃烬风喷口,开机运行时,炉膛总风量15%左右的助燃空气由此喷口送入。由于下部主燃区氧气浓度远低于传统燃烧方式,因而火焰峰值温度

收稿日期:1999-05-10

作者简介:李玉江(1964-),男,山东章丘人,副教授.

48

环　境　科　学　研　究第13卷

较低,既能够有效减少热力型NOx的生成,也可以抑制燃料型的NOx产生,从而在总体上降低NOx的排放。燃烬风的吹入并与燃烧产物迅速混合进一步燃烧,保证了燃料的充分燃烧,避免了CO外排。

Scholven电厂740MWF机组的实际运行[2]表明:该种

除上述燃烧系统外,德国还针对不同燃料类型设计了一些特殊的低NOx燃烧系统,如普通双调风旋流燃烧系统,燃用劣质煤的双调风燃烧系统等。对于老式燃烧器,德国则不断进行设备改进,并采用优化燃烧调整等措施[4],有效降低

NOx的产生。

燃烧器不仅具有燃烧效率高,低负荷性能好,可实现低氧燃烧,而且NOx排放量低。燃烧优化调整后,NOx排放浓度在

750mg/m左右,比燃用同煤种的传统燃烧器低约200mg/m。

113　同轴双切圆燃烧系统

3

3

2　二级脱氮技术———烟气脱氮装置的应用

除少数现代化的褐煤发电厂外,单纯通过采用低NOx

燃烧器难以使烟气中的NOx达到排放限值,因而德国的燃煤电厂普遍采用称为二级脱氮技术的烟气脱氮装置,以降低烟气中已生成NOx的排放。这些装置分为选择性催化还原脱氮、选择性非催化还原脱氮和同步脱氮等类型。

211　选择性催化还原脱氮

同轴双切圆燃烧系统开发于80年代,其出发点完全是为了降低NOx的排放量。80年代中期以后德国投入运行的新机组大多采用这种燃烧系统。

11311　带同向偏置二次风的同轴燃烧系统

德国绝大多数燃煤电厂,采用以氨气为还原剂的选择性催化还原法进行烟气脱氮[5]。其基本过程是:还原剂NH3均匀分布到320～400℃的烟气中并与烟气一道通过一个由催化剂填充的脱氮反应器,反应器中的催化剂分上下多层有序放置。在催化剂作用下,NOx和NH3发生如下反应:

4NO+4NH3+O26NO2+8NH34N2+6H2O7N2+12H2O

该燃烧器的二次风射流轴线向右偏转25°,在锅炉内形成一次风在内,二次风在外的同向同轴双切圆。二次风射流偏转后,推迟了二次风与一次风风煤混合物的混合,由此降低了着火段的供氧量,避免了过高的峰值温度,有效降低了

NOx的产生。另外,该燃烧器采用了性能独特的一次风煤粉

喷口。这种宽调节域煤粉喷口由90°弯头、带水平导流板的喷嘴体和带波纹钝体的喷嘴组成。一次风煤粉气流经此喷头喷射,煤粉可分为上浓下淡的两股,而空气却相对均分,从而形成浓淡偏差燃烧。偏差燃烧时,由于浓侧煤粉气流空气量少,因而抑制了燃料型NOx的生成;淡侧煤粉气流空气量多,燃料型NOx的生成量略升,但因燃烧温度低,热力型NOx减少,总体上NOx的生成量仍处于较低水平。

Scholven电厂138MW机组多年的实际运行

3

[2]

反应产物N2和H2O对大气没有多大影响。经过最后一层催化剂后,烟气中的NOx控制在排放限值以下。

脱氮反应器安装位置有多种可能。可以在空气预热器之前,即在电除尘器之前。这种方式的优点在于烟气不必加热就能满足适宜的反应温度。但由于此时烟气未经除尘,烟尘容易堵塞催化剂微孔,特别是烟气中的砷易使催化剂中毒,容易导致催化剂的失活。脱氮反应器也可以安装在电除尘器之后。它虽然限制了前者的缺陷,但烟气经电除尘后必须重新加热升温,导致能量的损失。究竟采用那一种安装方式,应视燃料的种类、燃烧方式以及烟气中的烟尘量而定。

选择性催化还原脱氮法在实际运行中,下列因素特别值得重视。

21111　脱氮催化剂

表明:该

种燃烧器不仅具有很好的低负荷性能。而且满负荷运行时,

NOx的生成浓度约在650mg/m的较低水平上。11312　同轴反切圆低NOx燃烧系统

同轴反切圆低NOx燃烧器的二次风射流轴线向左偏转一定角度,在锅炉内形成一次风在内,二次风在外的逆向同轴双切圆。这种开发于80年代中期的燃烧系统,其最大特点是有效提高了一次风煤粉气流在炉膛的穿透能力并远离炉壁,故可以减轻炉内积灰与结焦。由于一、二次风同轴反切,使得煤粉与空气强烈混合,因而增加了煤粉离开炉膛的燃烬程度。

该系统的顶部燃气风实现炉内沿高度方向的空气分级,宽调节域煤粉喷口能够形成炉内浓淡燃烧,二次风偏置以及二次风冲击下的气煤强烈混合得以实现低氧燃烧。这一切都有效抑制了NOx的产生,使这一系统成为卓有成效的低

NOx燃烧系统。

脱氮反应器的核心是脱氮催化剂。它分为蜂窝式和板式2种结构类型,其比表面积为500～1000m2/m3,在它的内表面上分布着由TiO2,WO3或V2O5等组成的活性中心。随着脱氮装置的运行,催化剂会逐渐老化。引起老化的原因主要有:活性中心中毒,活性中心中和,活性成分晶型的改变,以及催化剂通道与微孔的堵塞、腐蚀等[6]。因而,必须要定时检测每层催化剂前后烟气中NOx的浓度和氨氮比

(NH3/NOx),确定各层催化剂的活性与老化程度,以确保脱

氮装置的正常运行。

21112　反应温度

该种燃烧器在运行中NOx的排放浓度一般低于550

mg/m3。Schkopau电厂450MW褐煤发电机组采用该燃烧

选择性催化还原脱氮的反应温度应控制在320～400℃。当反应温度低于300℃,在催化剂上将产生无益的副反应。氨分子很少与NOx反应,而是与SO3和H2O反应生成

(NH4)2SO4或NH4HSO4,它们以液体形式附着在催化剂表

系统[3],NOx的排放浓度始终在140mg/m3左右。因而该电厂仅用一级脱氮技术就使烟气中的NOx低于排放标准。

114　其他

面,引起污染积灰并堵塞催化剂的通道与微孔,从而降低催

第4期李玉江,等:德国燃煤电厂氮氧化物的控制技术49

化剂的活性。只有通过长时间的高温运行才能清除催化剂的污染及通道与微孔的堵塞。

脱氮催化剂不允许烟气温度高于450℃,只能短时间高于410℃运行。对脱氮催化剂的结构检测发现,高温下催化剂的结构会发生变化,导致催化剂通道与微孔的减少。当操作温度高于450℃,催化剂损坏失活,且温度越高催化剂失活速度越快。

21113　氨的流出量

NH3与NOx反应生成N2和H2O。而SO2则被活性炭吸收,

进而反应成盐。该法的最佳操作温度为80～160℃。

3　结语

通过开发利用一系列低NOx燃烧系统,全面安装烟气脱氮装置,并对老式锅炉进行技术改造和燃烧优化调整等技术措施,德国的燃煤电厂有效控制了NOx的排放。1984～

1995年,NOx排放量减少了70%以上[7]。欧洲减少NOx排

放量的工作,以德国收效最为显著。

目前,我国正处在电力工业高速发展时期,火电机组装机容量逐年增加。尽快解决因燃煤造成的环境污染是我国电力工业面临的主要问题之一。1996年我国颁布的《火电厂

(GB13223-96),对烟尘和二氧化硫的大气污染排放标准》

由于烟气中的NOx绝大多数为NO,从选择性催化还原脱氮的反应式来看,NH3和NOx应等量反应。但在实际运行中,等量NH3的输入虽然使NOx的排放水平较低,但脱氮装置出口的烟气中总有较高的NH3流出量。烟气经过空气预热器温度迅速下降,NH3会与烟气中的SO2和SO3等反应形成铵盐,导致烟道积灰与腐蚀。另外,NH3吸附在烟气飞尘中,会影响电除尘器所获粉煤灰的再利用价值。故氨的流出量控制在50mg/m以下。因而,NH3的输入量必须既能保证NOx排放浓度达标,又能保证较低的氨流出量。

由此看出:保证催化剂活性,控制适宜的操作温度,以及适当的氨气输入量是脱氮装置有效运行的保证。Scholven电厂6套燃煤机组,全部采用安装在电除尘器之前的选择性催化还原脱氮方式

[2]3

排放作出了更为严格的规定,并首次提出了新建火力电厂的氮氧化物排放限值。因此,了解和借鉴国外的环保技术对我国电力工业的持续健康发展具有现实意义。

笔者得到指导老师德国VKRAG(费巴鲁尔电力公司)Klaus

Diteiech博士工程师和Scholven电厂厂长GerhardSeibel先生的指

导,在此深表谢意。参考文献:[1]　BrandensteinJ.BertriebvonDenox2AnlagenausSichtder

Chemie2FachseminarderAus2undFortbildungvonVKR[M].Gelsenkirchen:VKRAG,1991.[2]　Schmidt

H.

VKR2Kraftwerke

und

ihre

Umwelt

[M].

Gelsenkirchen:VebaKraftwerkeRuhrAG,1997.7～18.[3]　PotthastU.Schkopaupowerplant2planning,constructionandfirst

operationexperence[J].PowerTech,1998,78(1):21～26.[4]　KaulitzJ.OptimierungvonDampferzeugerundRauchgas2

reinigungsanlagen[J].VGB2Kraftwerkstechnik,1990,80(10):862～868.

[5]　DiekmannA,GutberletH,SchalertB.Aktivitaetbestimmungvon

Denox2Katalysator[J].VGB2Kraftwerkstechnik,1987,67(12):1204～1213.

[6]　SchalertB,GutberletH.UntersuchungvonDenox2Katalysatoren

miteinemKatalysatorpruefstandfuerganzeElemente[R].Es2sen:VBG2TagungChemieimKraftwerk,1990.74～79.[7]　KappleA.DerUmweltshutz2TatsachenueberDeutschland[M].

Frankfurt/Main:Societaets2Verlag,1996.294～304.

,运行8～12a以来,NOx排放量一直稳3

定控制在120～160mg/m。

212　选择性非催化还原脱氮德国的部分燃煤电厂,特别是功率较小的发电机组采用选择性非催化还原法进行烟气脱氮。该法同样是利用NH3

(或类似产品,如尿素等)作为还原剂,将NOx转化为N2和H2O。只是不采用催化剂,而是将操作温度850～1000℃作

为反应条件。NH3由喷嘴喷入燃烧室,根据锅炉的操作负荷,要不断调整NH3的喷入量和喷入位置,以保证在最佳温度下喷入NH3。因而对该法而言,运行经验是很重要的。

Marl热电厂75MW机组以该法脱氮[2],NOx排放浓度同样

达到了低于200mg/m3的标准。

213　活性炭同步脱硫脱氮

在德国少数燃煤电厂采用活性炭同步法进行烟气脱氮。该法的特点是脱硫脱氮同时进行。其过程为NH3与除尘后烟气一起通过活性炭填料层,借助于活性炭的催化作用,