降低煙氣氮氧化物技術(shù)

1、降低煙氣氮氧化物技術(shù)一、 氮氧化物的介紹NOx對環(huán)境的損害作用極大，它既是形成酸雨的主要物質(zhì)之一，也是形成大氣中光化學(xué)煙霧的重要物質(zhì)和消耗O3的一個重要因子。根據(jù)國標(biāo)GB 31573-2015標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了無機(jī)化學(xué)工業(yè)煙氣氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，其中鎳鐵等重金屬行業(yè)氮氧化物最高排放量為200mg/m3,地方可以制定嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)的地方標(biāo)準(zhǔn)。廈門市地方排放標(biāo)準(zhǔn)（DB 35323-2011）其中氮氧化物排放量也是200mg/m3,目前尚不知寧德地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn).一般燃燒形成的氮氧化物主要來自兩個方面：一是燃燒所用空氣（助燃空氣）中氮的氧化，二是燃料中所含氮氧化物在燃燒過程中熱分解氧化，燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃

2、燒溫度，在600800時就會生成燃燒型NOx,它在煤粉燃燒的氮氧化物中占60%80%，其中揮發(fā)分燃燒又占燃燒型氮氧化物的一大部分，燃料揮發(fā)分增加NOx轉(zhuǎn)換量就增大，揮發(fā)分的NOx的轉(zhuǎn)化率又隨氧濃度的平方增加，火焰溫度越高NOx 的轉(zhuǎn)換量就越大。二、 選用洗選煤1、 煤炭洗選可脫除煤中50%80%的灰分、30%40%的全硫（或60%80%的無機(jī)硫），燃用洗選煤可有效減少煙塵、SO2和NOx的排放，入洗1億t動力煤一般可減排6070萬tSO2，去除矸石16Mt。2、 一些研究表明：工業(yè)鍋爐和窯爐燃用洗選煤，熱效率可提高3%8%； 表（1）我廠使用煙煤成分發(fā)熱量70007600（kca/kg）產(chǎn)地貴

3、州全水分0.5（%）灰分13（%）揮發(fā)分15（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途工業(yè)鍋爐用煤發(fā)熱量70007200（kca/kg）產(chǎn)地貴州全水分0.5（%）灰分12（%）揮發(fā)分8（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途工業(yè)用、電泳用、噴涂用、鍋爐用煤發(fā)熱量7000（kca/kg）產(chǎn)地貴州畢節(jié)全水分4（%）灰分12（%）揮發(fā)分6.5（%）全硫0.6（%）種類精煤用途發(fā)熱量68007200（kca/kg）產(chǎn)地貴州全水分0.5（%）灰分12（%）揮發(fā)分8（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途 表（2）市場上幾種洗選煤成分由表（1）可以得知我廠使用煙煤揮發(fā)分平均含量為29.5%左右、灰分平均含量為15

4、.8%左右、平均含硫量0.7%。由表（2）可以得知市場上的洗選煤成分揮發(fā)分平均含量9.37%、灰分平均含量12%、平均含硫量0.52%。洗選煤的揮發(fā)分僅為煙煤的1/3 、灰分含量比煙煤低3.8%、全硫量比煙煤低0.18%。煤的揮發(fā)分就是煤中有機(jī)質(zhì)的可揮發(fā)的熱分解產(chǎn)物。其中除含有氮、氫、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氫等氣體外，還有一些復(fù)雜的有機(jī)化合物。我們知道揮發(fā)分的燃燒占燃料型氮氧化物的大部分，而燃料型氮氧化物又是主要的氮氧化物來源，因此選用洗選煤對減少氮氧化物和硫化物有很大作用。同時通過比較表（1）表（2）可知洗選煤的熱值并不會比煙煤低，相反，而是比煙煤高很多。三、 改進(jìn)燃燒技術(shù)：1. 選

5、用含氮量低的燃料：包括燃料脫氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷剂?. 降低空氣過剩系數(shù)，組織過濃燃燒，來降低燃料周圍的氧濃度。3. 在過?？諝馍俚那闆r下，降低溫度峰值以減少“熱反應(yīng)NO”4. 在氧濃度低的情況下，增加可燃物在火焰前峰和反應(yīng)區(qū)中停留時間。(一) 第一代低氮氧燃燒技術(shù)1. 低過?？諝膺M(jìn)行這是一種優(yōu)化裝置燃燒、降低NOx生成量的簡單方法，它不需對燃燒裝置做結(jié)構(gòu)改造、并有可能在降低NOx排放的同時,提高裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。圖（1）是NOx生成量與運(yùn)行氧量關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見,低過?？諝庀禂?shù)運(yùn)行抑制NOx生成量的幅度與燃料種類、燃燒方式以及排渣方式有關(guān)。需要說明的是,電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行時的過?？諝庀禂?shù)不能做

6、大幅度的調(diào)整。對于燃煤鍋爐而言,限制主要來自于過?？諝庀禂?shù)低時會造成受熱面的粘污結(jié)渣和腐蝕、汽溫特性的變化以及因飛灰可燃物增加而造成經(jīng)濟(jì)性下降。對于燃?xì)?、燃油鍋爐而言主要限制在于CO濃度超標(biāo)。 圖1過?？諝庀禂?shù)對NOx的影響2. 降低助燃空氣預(yù)熱溫度降低助燃空氣預(yù)熱溫度可降低火焰區(qū)的溫度峰值,從而減少熱力型NOx的生成量。這一措施不宜用于燃煤、燃油鍋爐,對于燃?xì)忮仩t,則有降低NOx排放的明顯效果(圖2)。 圖2空氣預(yù)熱系統(tǒng)對燃?xì)忮仩tNOx生成量的影響3. 濃淡燃燒技術(shù) 這種方法是讓一部分燃料在空氣不足的條件下燃燒,即燃料過濃燃燒;另一部分燃料在空氣過剩的條件下燃燒,即燃料過淡燃燒。無論是過濃燃

7、燒還是過淡燃燒,其過?？諝庀刀疾坏扔?。前者<1,后者>1,故又稱為非化學(xué)當(dāng)量燃燒或偏差燃燒。 濃淡燃燒時,燃料過濃部分因氧氣不足,燃燒溫度不高,所以,燃料型NOx和熱力型NOx都會減少。燃料過淡部分因空氣量過大,燃燒溫度低,熱力型NOx生成量也減少?？偟慕Y(jié)果是NOx生成量低于常規(guī)燃燒。這一方法可以用于燃燒器多層布置的電站鍋爐,在保持入爐總風(fēng)量不變的條件下,調(diào)整各層燃燒器的燃料和空氣量分配,便能達(dá)到降低NOx排放的效果。4. 爐膛內(nèi)煙氣再循環(huán) 把煙氣摻入助燃空氣,降低助燃空氣的氧濃度,是一種降低燃煤液態(tài)排渣爐,尤其是燃?xì)?、燃油鍋爐NOx排放的方法,圖3給出的是這種方法的試驗(yàn)結(jié)果。通

8、常的做法是從省煤器出口抽出煙氣,加入二次風(fēng)或一次風(fēng)中。加入二次風(fēng)時,火焰中心不受影響,其唯一作用是降低火焰溫度,有利于減少熱力型NOx的生成。對固態(tài)排渣鍋爐而言,大約80%的NOx是由燃料氮生成的,這種方法的作用就非常有限。 圖3煙氣再循環(huán)技術(shù)對NOx生成量的影響(二) 第二代低氮氧燃燒技術(shù)1. 爐膛內(nèi)整體空氣分級低氮氧直流燃燒技術(shù)這種燃燒器與傳統(tǒng)直流燃燒器不同的是在其頂部增設(shè)了一層或兩層所謂的燃盡風(fēng)噴口(OFAOverfireair),一部分助燃空氣通過這些獨(dú)立的噴口送入爐膛。這樣燃燒器區(qū)處于過?？諝饬枯^低的工況下,抑制了NOx的生成。頂部投入的燃盡風(fēng)用于保證燃料完全燃燒。這種燃燒器的技術(shù)關(guān)

9、鍵有三點(diǎn)：一是要合理確定燃盡風(fēng)噴口與最上層煤粉噴口的距離。距離大,分級效果好,NOx下降幅度大,但飛灰可燃物會增加。合適的距離與爐膛結(jié)構(gòu)、燃料種類有關(guān)。二是燃盡風(fēng)量要恰當(dāng)。風(fēng)量大,分級效果好,但可能引起燃燒器區(qū)域因嚴(yán)重缺氧而出現(xiàn)受熱面結(jié)渣和高溫腐蝕。三是燃盡風(fēng)要有足夠高的流速,以保證與煙氣的良好混合。2. 空氣分級低氮氧旋流燃燒技術(shù)這種燃燒器的特點(diǎn)是在其出口實(shí)現(xiàn)助燃空氣逐漸混入煤粉空氣射流,其難點(diǎn)是要準(zhǔn)確地控制燃燒器區(qū)域燃料與助燃空氣的混合過程,以阻止燃料氮轉(zhuǎn)化為NOx的反應(yīng)和熱力型NOx的生成同時又要保證較高的燃燒效率。其做法是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),控制燃燒器喉部燃料和空氣的動量以及射流的流動

10、方向。圖4可以說明空氣分級燃燒器的基本原理。燃料與空氣混合物(一次風(fēng))和二次風(fēng)形成初始燃燒區(qū)(一次火焰)。由于二次風(fēng)的旋流作用和燃燒器錐口的作用,形成一個內(nèi)回流區(qū),加熱并使一次風(fēng)著火。揮發(fā)分和含氮組分的大部分在此區(qū)中析出,但因處于氧和高CO、CmHn濃度之中,限制了含氮組分向NOx的轉(zhuǎn)換。 圖4 LNB的分級風(fēng)四、 使用低氮燃燒器：1. 階段燃燒器，有空氣分階段和空氣燃料分階段燃燒，通過在燃燒器上合理的氣道布局使得燃料在出口先過濃燃燒產(chǎn)生還原氣氛抑制NOx形成，到火焰外圍與分級風(fēng)低氧緩慢燃盡使燃料燃燒完全。2. 自身再循環(huán)燃燒器，使用燃燒的煙氣抽入燃燒器中作為燃燒空氣使用做到降低燃燒氧含量。3

11、. 濃淡型燃燒器，濃淡燃燒時燃料過濃部分因氧氣不足燃燒溫度不高所以燃料型NO和熱力型NO都會減少。燃料過淡部分因空氣量過大燃燒溫度低熱力型NO生成量也減少?？偟慕Y(jié)果是NO生成量低于常規(guī)燃燒。4. 分割火焰型燃燒器，在燒嘴頭部開設(shè)一個溝槽，可將火焰分割成細(xì)而長的小火焰，降低燃料在火焰高溫區(qū)的停留時間，減少NOx的生成。5. 混合促進(jìn)型燃燒器，煙氣在高溫區(qū)停留時間是影響NOx生成量的主要因素之一，改善燃燒與空氣的混合，能夠使火焰面的厚度減薄，在燃燒負(fù)荷不變的情況下，煙氣在火焰面即高溫區(qū)內(nèi)停留時間縮短，因而使NOx的生成量降低?；旌洗龠M(jìn)型燃燒器就是按照這種原理設(shè)計(jì)的。6. 低NOx預(yù)燃室燃燒器，預(yù)燃

12、室一般由一次風(fēng)（或二次風(fēng)）和燃料噴射系統(tǒng)等組成，燃料和一次風(fēng)快速混合，在預(yù)燃室內(nèi)一次燃燒區(qū)形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料進(jìn)行燃燒，燃料在貧氧和火焰溫度較低的一次火焰區(qū)內(nèi)析出揮發(fā)分，因此減少了NOx的生成。五、 HP型燃燒器除氮效果我們廠所使用的燃燒器為合肥水泥研究設(shè)計(jì)院的HP強(qiáng)渦流型燃燒器，與老式燃燒器相比風(fēng)量降低了近一半，NOx排放可減少30%以上。由于燃燒器的噴射效應(yīng)，僅以46%的凈風(fēng)就可以獲得足夠的燃燒推力，因此一次風(fēng)量減少，加之煤粉燃燒充分，系統(tǒng)熱耗降低（最高可降150KJ/KG）(一) 四通道燃燒器的環(huán)保設(shè)計(jì)四通道除了保證火焰長度外，燃燒器還應(yīng)保持火焰具有合適的氣體流場，以

13、降低焰峰溫度?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的燃燒過程是受擴(kuò)散控制的，在燃燒著火溫度較高的燃料時，火焰的氣體流暢是非常重要的，也是降低NOx的保證。故要求設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮燃燒器出口部分的流場，可采用大速差及穩(wěn)燃腔的結(jié)構(gòu)。對于揮發(fā)分低的煤和無煙煤，在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)燃燒時，著火點(diǎn)高，溫度低且最大熱量區(qū)靠后，可有效降低NOx生成。為使其揮發(fā)分快速揮發(fā)燃燒，增加燃燒溫度并加快碳粒燃燒，提高火焰溫度，縮短最大熱流距窯頭的位置，保證效率，必須有較強(qiáng)的旋流強(qiáng)度。所以，應(yīng)增設(shè)可調(diào)旋流裝置，形成旋流風(fēng)。故，在燃燒器設(shè)計(jì)時，中心空氣采用圓形噴口平行射流，最外層的軸向空氣采用環(huán)形射流或圓形噴口平行射流，這兩種射流均能產(chǎn)生氣流回流，因而

14、在火焰的中間形成一個內(nèi)回流，在火焰外部也形成一個大的回流，這兩種回流有利于煤粉中揮發(fā)分均衡揮發(fā)，減緩峰值陡峭溫度，燃料在內(nèi)部過濃燃燒，NOx生成量降低，外圍圈卷入外風(fēng)形成燃盡區(qū)，火焰溫度低也降低了NOx生成，同時也穩(wěn)定了火焰。氮化物的生成量隨溫度增高而增加，在燃燒過程中，氧含量愈高，產(chǎn)生的NOx也愈高。采取措施，通過降低火焰的峰值溫度和促使燃燒在局部還原氣氛內(nèi)進(jìn)行，可實(shí)現(xiàn)降低NOx排放。(二) 四通道燃燒器效能（1）一次風(fēng)比例低，僅為5%-7%，節(jié)能降耗顯著，與傳統(tǒng)燃燒器相比節(jié)煤10%以上。（2）噴頭部分采用耐高溫、抗高溫氧化的特殊耐熱鋼鑄件機(jī)加工制成，提高了頭部的抗高溫變形能力。（3）易磨損

15、部位，采用獨(dú)有的防磨技術(shù)處理，耐磨性能優(yōu)異，且易于更換。（4）火焰形狀規(guī)整適宜，活潑有力溫度高，窯內(nèi)溫度分布合理。（5）熱力集中穩(wěn)定，卷吸二次風(fēng)能力強(qiáng)，提高冷卻機(jī)熱效率。（6）火焰調(diào)節(jié)靈活，簡單方便，可調(diào)范圍大，可達(dá)1：10。（7）熱工制度合理，可提高臺時產(chǎn)量5%-10%，水泥熟料早期強(qiáng)度提高3-5MPa。（8）低NOx排放量，降幅達(dá)20%-30%。（9）使用壽命長，對煤質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，可燒劣質(zhì)煤、低揮發(fā)分煤、無煙煤和煙煤。（10）適用范圍廣，可用于各種窯型的回轉(zhuǎn)窯。六、 氮氧化物監(jiān)測可以在回轉(zhuǎn)窯尾端或者靜電除塵器尾端安裝氮氧化物監(jiān)測裝置來實(shí)時監(jiān)測生成氮氧化物含量以便對生產(chǎn)進(jìn)行 圖6 固定式氮氧化

16、物監(jiān)測器調(diào)整氮氧化物監(jiān)測需要煙氣溫度低，煙塵小的環(huán)境使用，因此煙氣氮氧化物使用可以安裝靜電除塵后，尾排風(fēng)機(jī)前。 圖7 帶報(bào)警的固定式氮氧化物監(jiān)測器七、 尾部脫硝技術(shù) (一) SCR法原理簡介以滿足日趨嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)，是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。SCR的發(fā)明權(quán)屬于美國，而日本率先于20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用，目前該技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。日本有93%以上的廢氣脫硝采用SCR，運(yùn)行裝置超過300套。德國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)該技術(shù)，并規(guī)定發(fā)電量50 MW以上的電廠都得配備SCR裝置。臺灣有100套以上的SCR裝置在運(yùn)行，它沒有副產(chǎn)物，不形成二次污染，裝置結(jié)構(gòu)

17、簡單，并且脫除效率高（可達(dá)90%以上），運(yùn)行可靠，便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。SCR 技術(shù)原理為：在催化劑作用下，向溫度約280420 的煙氣中噴入氨，將NOX還原成N2和H2O。 其主要反應(yīng)如下： 4NO+4NH3+O24N2+6H2O 6NO+4NH35N2+6H2O 6NO2+8NH37NO2+12H2O 2NO2+4NH3+O23N2+6H2O如下圖8反應(yīng)示意圖圖（8） 煙氣脫硝技術(shù)反應(yīng)原理(二) 工藝流程SCR裝置的工藝流程如圖（9）、圖（10）所示，主要由氨氣供應(yīng)儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、煙氣均布裝置、SCR反應(yīng)器、吹灰器和煙氣檔板等組成。液氨由槽車運(yùn)送到液氨儲罐，液氨儲槽輸出的液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為

18、氨氣，并將氨氣加熱到常溫后，送到氨氣緩沖罐備用。氨氣緩沖罐的氨氣經(jīng)調(diào)壓閥減壓后，通過噴氨格柵的噴嘴噴入煙氣中與煙氣混合，再經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)達(dá)到反應(yīng)溫度且與氨氣充分混合的煙氣流經(jīng)SCR反應(yīng)器的催化層時，氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原為無害的N2和H2O。 圖（9） 脫硝原理圖 圖（10）脫硝流程圖NH3與煙氣均勻混合后一起通過一個填充了催化劑(如V2O5-TiO2)的反應(yīng)器，NOx與NH3在其中發(fā)生還原反應(yīng)，生成N2和H2O。反應(yīng)器中的催化劑分上下多層(一般為34層)有序放置。該方法存在以下問題：催化劑的時效和煙氣中殘留的氨。為了增加催化劑的活性，應(yīng)在SC

19、R前加高校除塵器。殘留的氨與SO2反應(yīng)生成(NH4)2SO4, NH4HSO4 很容易對空氣預(yù)熱器進(jìn)行粘污，對空氣預(yù)熱器影響很大。在布置SCR的位置是我們應(yīng)多反面考慮該問題。 圖（11）SCR工藝反應(yīng)器示意圖(三) 催化劑介紹 催化劑是SCR技術(shù)的核心，其形狀一般為板式或蜂窩式。由于蜂窩式催化劑優(yōu)良的耐久性、耐腐性、高可靠性，高反復(fù)利用率、低壓降，故使用的較廣泛。常用的催化劑主要成分為V2O5/TiO2。蜂窩式催化劑的斷面尺寸一般為：150 mm×150 mm；長度400 mm1000 mm。 圖（12）SCR催化劑SCR裝置的運(yùn)行成本在很大程度上取決于催化劑的壽命。其使用壽命又取決

20、于催化劑活性的衰減速度。催化劑的失活分為物理失活和化學(xué)失活。典型的SCR催化劑化學(xué)失活主要是堿金屬（如Na、K、Ca等）和重金屬（如As、Pt、Pb等）引起的催化劑中毒。堿金屬吸附在催化劑的毛細(xì)孔表面，金屬氧化物（如MgO、KaO等）中和催化劑表面的SO3生成硫化物而造成催化劑中毒。砷中毒是廢氣中的三氧化二砷與催化劑結(jié)合引起的。催化劑物理失活主要是指高溫?zé)Y(jié)、磨損和固體顆粒沉積堵塞而引起催化劑活性破壞。SCR系統(tǒng)所出現(xiàn)的磨損和堵塞可以通過反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)（設(shè)置自動的導(dǎo)流葉片裝置，倒轉(zhuǎn)氨的噴射方向使之與流動方向相反）加以緩解。如果廢氣中有粉塵，為了保證催化劑表面的潔凈，在反應(yīng)器中安裝吹灰器是很有必要的。如果廢氣中含有能使催化劑中毒的固體顆粒物，則廢氣需進(jìn)行預(yù)處理，比如采用靜電除塵、加入脫砷劑等，去除催化劑毒物級固體顆粒物，避免催化劑中毒。不同的催化劑具有不同的適用溫度范圍。當(dāng)反應(yīng)溫度低于催化劑的適用溫度范圍下限時，在催化劑上會發(fā)生副反應(yīng)， NH3與SO3和H2O反應(yīng)生成（NH4）2SO4或NH4HSO4