摘 要：河北省燃煤電力行業(yè)啟動(dòng)深度減排，氮氧化物排放需控制在30mg/Nm3以內(nèi)，現(xiàn)有常規(guī)的煙氣脫硝技術(shù)已達(dá)到設(shè)計(jì)極限出力，急需開發(fā)高效的脫硝技術(shù)與其進(jìn)行耦合脫硝。本文主要介紹了臭氧脫硝技術(shù)原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、系統(tǒng)設(shè)備等內(nèi)容，并將該技術(shù)首次應(yīng)用到330MW大型燃煤電廠。試驗(yàn)證明：臭氧脫硝技術(shù)不受鍋爐負(fù)荷的影響，且間接解決氨逃逸超標(biāo)帶來(lái)的空預(yù)器堵塞，另外在超低排放的前提下，臭氧脫硝的設(shè)計(jì)效率宜小于等于50%，以達(dá)到最優(yōu)的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。總之臭氧脫硝技術(shù)不僅設(shè)備成熟、施工周期短，而且擴(kuò)容性好，為后續(xù)NOx的近零排放做鋪墊。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；臭氧脫硝；NOx；深度減排

0 引言

我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)決定了煤電仍將長(zhǎng)期是我國(guó)電力生產(chǎn)的主力軍和電網(wǎng)調(diào)峰的基礎(chǔ)性電源[1]。而煤炭在燃燒的過(guò)程中會(huì)釋放出大量的污染物（如NOx、SO2、顆粒物及重金屬等），嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境，進(jìn)而危害人類健康。這些年我國(guó)加大力度推進(jìn)煤電的超低排放，現(xiàn)在達(dá)到超低排放水平的煤電機(jī)組已經(jīng)達(dá)到8.1億千瓦，這是全世界最大的超低排放清潔能源煤電系統(tǒng)。

近年由于京津冀地區(qū)霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重，河北省實(shí)施了更加嚴(yán)格的深度減排攻堅(jiān)方案，其中要求電廠燃煤鍋爐（除層燃爐、拋煤機(jī)爐外）在基準(zhǔn)氧含量6%的條件下，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別參照不高于5mg/Nm3、25mg/Nm3、30mg/Nm3。這對(duì)燃煤機(jī)組的脫硝工作提出了更高的要求。

目前國(guó)內(nèi)流行的NOx減排措施主要有低氮燃燒技術(shù)、選擇性非催化還原技術(shù)（Selective Non-catalytic Reduction, SNCR）[2]和選擇性催化脫硝法（Selective Catalytic Reduction, SCR）[3]，其中低氮燃燒改造基本完成；SNCR投資相對(duì)較低，但反應(yīng)溫度窗口窄、脫硝效率只有30~50%，更適用于流化床鍋爐；SCR投資較高，脫硝效率可達(dá)到90~93%，但反應(yīng)溫度窗口更窄，改造空間不足[4]。若實(shí)現(xiàn)深度脫硝的目標(biāo)，脫硝效率超過(guò)設(shè)計(jì)值，氨逃逸將進(jìn)一步提高，更易造成空預(yù)器堵塞，影響機(jī)組的運(yùn)行安全性[5]。

臭氧脫硝技術(shù)聯(lián)合濕法脫硫塔已經(jīng)在石油煉化廠、化工廠、鋼鐵廠、生物質(zhì)電廠和小型燃煤電廠鍋爐煙氣治理中得到應(yīng)用[6-8]。它不僅能實(shí)現(xiàn)高效脫硝，還能脫汞、脫VOCS(Volatile Organic Compounds)、治理SCR氨逃逸，實(shí)現(xiàn)多種污染物一體化協(xié)同脫除[4,9]。

2 臭氧脫硝原理

臭氧脫硝主要是利用臭氧的強(qiáng)氧化性，將不可溶的低價(jià)態(tài)氮氧化物氧化為可溶的高價(jià)態(tài)氮氧化物，然后在脫硫塔內(nèi)氮氧化物被洗滌、吸收，達(dá)到脫除的目的。臭氧對(duì)一氧化氮(煙氣中氮氧化物的主要成分)進(jìn)行氧化是本技術(shù)的核心反應(yīng)原理。一氧化氮被氧化的公式為：

2NO+3O3=N2O5+3O2(1)

2NO2+O3=N2O5+O2(2)

NO+O3=NO2+O2(3)

經(jīng)過(guò)氧化反應(yīng)后，絕大部分臭氧被消耗，剩余的少量臭氧在脫硫塔中進(jìn)行分解。臭氧脫硝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

1）高靈活性。由于臭氧脫硝對(duì)溫度的要求不高（80~200℃），臭氧噴射裝置布置在爐后尾部煙道的脫硫塔入口前端，該處的煙氣溫度滿足臭氧脫硝的要求?，F(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)的煙道布置情況，靈活調(diào)整安裝位置，噴射噴嘴與煙道格柵的總壓損不超過(guò)100Pa，對(duì)鍋爐運(yùn)行影響非常小。

2）施工便捷。臭氧發(fā)生器屬于成型設(shè)備，安裝工程量?。会槍?duì)噴射系統(tǒng)而言，只需對(duì)一段煙道進(jìn)行改造，施工工程量小，施工便捷。

3）易于維護(hù)、操作管理簡(jiǎn)單。整個(gè)工藝涉及的核心設(shè)備是臭氧發(fā)生器，設(shè)備少，且屬于自動(dòng)化控制。臭氧發(fā)生器的維護(hù)主要是臭氧發(fā)生單元的維護(hù)，需要根據(jù)運(yùn)行情況定期維護(hù)。

4）可以隨鍋爐負(fù)荷及NOx排放的變化調(diào)整臭氧產(chǎn)量，降低能耗。

5）系統(tǒng)調(diào)試簡(jiǎn)單、啟動(dòng)時(shí)間短。

在SCR脫硝效率達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況下，采用臭氧脫硝技術(shù)與現(xiàn)有的SCR系統(tǒng)配合使用，降低NOx排放濃度的同時(shí)緩解現(xiàn)有SCR設(shè)備的運(yùn)行壓力，并實(shí)現(xiàn)氨逃逸的良好控制。它是傳統(tǒng)脫硝技術(shù)的一個(gè)高效補(bǔ)充技術(shù)[10]。

3 臭氧脫硝系統(tǒng)設(shè)備

臭氧脫硝系統(tǒng)主要由制氧分系統(tǒng)、臭氧發(fā)生系統(tǒng)、臭氧噴射系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)和DCS控制系統(tǒng)(Distributed Control System)組成。

其中制氧采用加壓吸附真空解吸法（Vacuum pressure Swing Adsorption, VPSA）進(jìn)行制得，該系統(tǒng)主要由真空泵、鼓風(fēng)機(jī)、吸附塔、氧壓機(jī)、電氣儀表控制系統(tǒng)以及緩沖罐、平衡罐等組成。變壓吸附制氧裝置，是在常溫條件下，利用分子篩選擇性吸附空氣中的氮?dú)?，降低吸附塔壓力以脫附吸附于分子篩中的氮?dú)?，從而?shí)現(xiàn)吸附—脫附循環(huán)操作，連續(xù)制取純度90~95%，露點(diǎn)小于-60℃的氧氣。

臭氧發(fā)生系統(tǒng)主要由臭氧發(fā)生器、冷卻內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)、儀器儀表控制系統(tǒng)等組成。臭氧發(fā)生器采用微間隙介質(zhì)阻擋放電設(shè)計(jì)，不僅大大提高了運(yùn)行的效率，而且增加了系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的安全可靠性。臭氧發(fā)生器放電單元所采用的模塊化設(shè)計(jì)方法，使設(shè)備的安裝，檢修和維護(hù)工作更加容易。有90%左右的電能不是用來(lái)生成臭氧而是轉(zhuǎn)變成熱量，這部分熱量必須由冷卻內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)攜帶至電廠外循環(huán)冷卻系統(tǒng)。當(dāng)冷卻水溫度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度或水量不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并降低臭氧發(fā)生器功率。

臭氧噴射系統(tǒng)主要由稀釋風(fēng)機(jī)、混合器、噴嘴和格柵等組成的。臭氧噴射系統(tǒng)是影響臭氧脫硝效率的核心部件，其中稀釋風(fēng)機(jī)的選型、混合器距吸收塔的距離、噴嘴的方向以及格柵的設(shè)計(jì)都會(huì)影響到臭氧脫硝的效率。

某330MW燃煤電廠為了落實(shí)河北省深度減排攻堅(jiān)方案，經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和技術(shù)比選，決定采用臭氧脫硝技術(shù)進(jìn)行改造。表1和表2分別為該發(fā)電廠鍋爐、SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，表3則為本次臭氧脫硝改造的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4臭氧脫硝改造效果

某330MW燃煤電廠采用臭氧脫硝技術(shù)順利通過(guò)168試運(yùn)，該項(xiàng)目采用VPSA現(xiàn)場(chǎng)制氧，配置60kg/h臭氧發(fā)生器，DCS全自動(dòng)控制，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好。經(jīng)環(huán)保監(jiān)測(cè)，煙囪出口NOx濃度小于25mg/Nm3、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1.5%、總排口出未檢測(cè)到臭氧逃逸、SCR出口氨逃逸率小于2.28mg/Nm3。各項(xiàng)目性能指標(biāo)完全滿足技術(shù)協(xié)議要求，取得了圓滿成功。具體的性能試驗(yàn)結(jié)果參見表4。

在不同鍋爐蒸發(fā)量（985t/h、845t/h和700t/h）和SCR出口NOx折算濃度為40mg/Nm3的前提下，向煙道內(nèi)噴射60kg/h的臭氧，考察總排口處NOx的變化規(guī)律。圖1為主蒸汽流量為985t/h條件下，SCR出口和總排口處NOx折算濃度在24個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化規(guī)律。在臭氧投放量固定時(shí)，總排口處NOx折算濃度的變化規(guī)律與SCR出口NOx折算濃度相一致，其中SCR出口和總排口處NOx折算濃度的平均值分別為：40.06mg/Nm3和24.91mg/Nm3，臭氧脫硝系統(tǒng)能脫除15.15mg/Nm3的NOx。

圖2為主蒸汽流量為845t/h條件下，SCR出口和總排口處NOx折算濃度在24個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化規(guī)律。在臭氧投放量固定時(shí)，總排口處NOx折算濃度的變化規(guī)律與SCR出口NOx折算濃度相一致，其中SCR出口和總排口處NOx折算濃度的平均值分別為：40.43mg/Nm3和20.01mg/Nm3，臭氧脫硝系統(tǒng)能脫除20.42mg/Nm3的NOx。

圖3為主蒸汽流量為700t/h條件下，SCR出口和總排口處NOx折算濃度在24個(gè)小時(shí)內(nèi)的變化規(guī)律。在臭氧投放量固定時(shí)，總排口處NOx折算濃度的變化規(guī)律與SCR出口NOx折算濃度相一致，其中SCR出口和總排口處NOx折算濃度的平均值分別為：39.59mg/Nm3和14.65mg/Nm3，臭氧脫硝系統(tǒng)能脫除24.94mg/Nm3的NOx。

圖4為不同O3/NOx摩爾比對(duì)臭氧脫硝效率的影響作用，從圖中可以看出：隨著O3/NOx摩爾比的增加，臭氧脫硝效率逐漸增加。當(dāng)O3/NOx摩爾比分別為：1.28、1.49和1.80時(shí)，臭氧系統(tǒng)的脫硝效率分別為：37.83%、50.53%和63.00%。

相關(guān)研究表明[10]：NOx脫硝效率隨著臭氧投加量的增加而增大的速率變緩，臭氧脫硝效率越高，投資成本就越高，性價(jià)比越差。而在大型燃煤電廠基本上能達(dá)到超低排放的前提下，完成河北省深度減排的要求，即NOx濃度都能控制在30mg/Nm3以內(nèi)，臭氧脫硝的設(shè)計(jì)效率宜小于等于50%。

5結(jié)論

為了完成河北省深度減排的要求，同時(shí)考慮到氨逃逸超標(biāo)對(duì)空預(yù)器的影響，將臭氧脫硝技術(shù)首次應(yīng)用到330MW大型燃煤電廠。

本次臭氧脫硝技術(shù)的應(yīng)用成功，為大型燃煤電廠深度減排提供了一項(xiàng)可靠的脫硝技術(shù)路線，它是現(xiàn)有SCR脫硝或SNCR技術(shù)的一個(gè)高效補(bǔ)充，不受鍋爐負(fù)荷的影響，同時(shí)能間接解決氨逃逸超標(biāo)帶來(lái)的空預(yù)器堵塞這一頑疾。

在超低排放的前提下，臭氧脫硝的設(shè)計(jì)效率宜不小于等于50%，以達(dá)到最優(yōu)的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。另外臭氧脫硝技術(shù)不僅設(shè)備成熟、施工周期短，而且擴(kuò)容性好，為后續(xù)NOx的近零排放做鋪墊。