低氮氧化物控制技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

1、SNCR低氮氧化物控制技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用發(fā)布日期:2010-11-12SNCR低氮氧化物控制技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用成果概要:本項目成果屬于能源科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,學(xué)科分類為鍋爐、燃燒及節(jié)能減排,所屬行業(yè)為電力、燃氣及水的生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)。本項目開始于2001年,具有顯著的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益,經(jīng)過近10年的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,目前已在國內(nèi)18臺大中小型鍋爐上推廣應(yīng)用,所有改造后鍋爐氮氧化物排放符合國家標準。本項目針對選擇性非催化還原(SNCR低氮氧化物控制技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中的關(guān)鍵科學(xué)問題取得了以下主要的科技創(chuàng)新:霧化效果和混合效果兼具的SNCR噴射方法和裝置;CFD數(shù)值模擬與現(xiàn)場勘察相結(jié)合的噴射點確定方法;先

2、進的SNCR工藝流程和在線控制技術(shù)。成功研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的SNCR 高速噴射的氣液混合相噴射器(被確認為省級工業(yè)新產(chǎn)品、SNCR長槍及其推進裝置(被備案為省級工業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)項目和蒸汽混合加熱式的物料溶解罐等關(guān)鍵設(shè)備;相關(guān)設(shè)備和裝置已取得授權(quán)發(fā)明專利1項,公示發(fā)明專利1項,申請發(fā)明專利1項、實用新型專利1項。該技術(shù)適用于各種大中小型的電站鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐,能高效低成本地實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。1 前言和實施背景1.1 公司簡介浙江百能科技有限公司是一家專業(yè)從事能源與環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)咨詢、工程設(shè)計、設(shè)備制造、成套、施工、安裝、調(diào)試和服務(wù)等業(yè)務(wù)的國家高新技術(shù)企業(yè),在能源與環(huán)境領(lǐng)域站在世

3、界的前沿,為全球客戶提供一流的解決方案。百能科技建有博士后科研工作分站及獨立的省級中小企業(yè)技術(shù)中心浙江百能科技有限公司節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究中心,該中心現(xiàn)有核心人員數(shù)十人,其中中國工程院院士一人、教授五人、副教授三人、博士后一人、博士二人、碩士三人。百能科技在能源與環(huán)境領(lǐng)域與浙江大學(xué)合作的多項技術(shù)都處于世界領(lǐng)先水平,且經(jīng)受了上百家國內(nèi)外客戶的驗證,如低NOx燃燒、水煤漿燃燒、SNCR(選擇性非催化還原脫硝、SCR(選擇性催化還原脫硝、多元優(yōu)化動力配煤、化石燃料高效清潔燃燒等技術(shù)?！八簼{代油潔凈燃燒技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”獲2009年國家科學(xué)技術(shù)進步二等獎。百能科技業(yè)已通過了ISO 9001:2008質(zhì)量

4、管理體系和ISO14001:2004環(huán)境管理體系的認證,是浙江省信息產(chǎn)業(yè)廳認定的軟件企業(yè),并具有進出口企業(yè)資格。能源與環(huán)境是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的重大問題,能源產(chǎn)業(yè)又是我國國民經(jīng)濟發(fā)展中的支柱產(chǎn)業(yè)之一。百能科技誓以科技創(chuàng)新為己任,我們將運用雄厚的技術(shù)實力和良好的開發(fā)平臺服務(wù)于社會,為國家能源與環(huán)保建設(shè)做貢獻!1.2 實施背景進入新世紀以來,中國經(jīng)濟持續(xù)高速增長使得能源消耗量大增,已經(jīng)引起政治、經(jīng)濟以及生態(tài)環(huán)境等一系列問題,以煤為主的能源消費結(jié)構(gòu)造成了大氣環(huán)境質(zhì)量的嚴重惡化。在煤燃燒利用過程中,燃料中和燃燒空氣中的氮被轉(zhuǎn)化成一氧化氮(NO、氧化亞氮(N2O和二氧化氮(NO2等氮氧化物(NOx。我國氮

5、氧化物排放量巨大,已成為僅次于二氧化硫的大氣污染物,對空氣質(zhì)量和地面臭氧濃度的影響越來越大,在大氣污染類型出現(xiàn)由煤煙型向汽車尾氣型逐漸演變過渡的趨勢的同時,氮氧化物已成為空氣中的首要污染物。2010年2月6日由中華人民共和國環(huán)境保護部、中華人民共和國國家統(tǒng)計局、中華人民共和國農(nóng)業(yè)部三部委聯(lián)合發(fā)布的第一次全國污染源普查公報中顯示,全國氮氧化物排放總量達到1797.70萬噸,其中電力熱力行業(yè)排放量約占一半。根據(jù)2004年起開始實施的火電廠大氣污染物排放標準,燃用Vdaf20%以上煤種的2004年以后新建、擴建電廠執(zhí)行450mg/m3的NOx排放標準,且新建燃煤機組均要求配置低NOx燃燒器并預(yù)留脫硝

6、場地。近年來我國新投產(chǎn)的大容量機組鍋爐的燃燒器幾乎都采用了低NOx燃燒器,但效果不太理想,NOx排放仍居高不下。對于2004年以前所建的電廠, NOx排放量非常大,可達1000mg/Nm3以上,滿足不了新標準的要求。2003年7月1日開始執(zhí)行的排污費征收使用管理條例中也規(guī)定,氮氧化物2004年7月1日起按每一污染當(dāng)量0.63元收費,這表明我國開始采用經(jīng)濟杠桿來強化NOx排放的控制治理力度并迫切需要開發(fā)一種大型電站鍋爐的氮氧化物綜合控制技術(shù)來實現(xiàn)NOx排放的低成本控制治理。改革開放30年,浙江經(jīng)濟發(fā)展令人注目,從1978年全國第12位躍升到2009年第4位,已經(jīng)成為一個名副其實的經(jīng)濟大省,但經(jīng)濟

7、發(fā)展的同時所付出的能源和環(huán)境的代價,與以人為本,全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)的科學(xué)發(fā)展觀的要求還有很大差距。截止2005年底,浙江單機6000千瓦以上電廠總裝機容量為2854.78萬千瓦,其中火電占70.5%,計2012.38萬千瓦,預(yù)計到2010年底,浙江單機6000千瓦以上電廠總裝機容量將達到6980萬千瓦左右,其中火電近4886萬千瓦,在火電當(dāng)中,燃氣發(fā)電所占比例微乎其微,絕大部分為煤電。據(jù)統(tǒng)計2007年浙江省火電煤需求量約5000萬噸,到2010年,預(yù)計將達到8000萬噸。在燃燒這些煤發(fā)電時,每年將向大氣排放氮氧化物約35萬噸,形成嚴重的環(huán)境污染,與建設(shè)“綠色浙江”是相違背的,因此氮氧化物的治理

8、已成為我省今后大氣污染治理的重中之重。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前國內(nèi)外控制NOx排放技術(shù)大致分為兩類:一類是低NOx燃燒技術(shù),即通過鍋爐運行方式的優(yōu)化或者對燃燒過程進行控制,抑制燃燒過程中NOx的生成反應(yīng),從而降低NOx的最終排放濃度。另一類是煙氣脫硝技術(shù),即把已生成的NOx還原為N2,從而脫除煙氣中NOx,主要有選擇性非催化還原技術(shù)SNCR和選擇性催化還原技術(shù)SCR。SNCR技術(shù)是在8701,200,將氮還原劑(一般是氨或尿素噴入煙氣中,將NO 還原,生成氮氣和水。它與選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR技術(shù)不同,SCR由于使用了催化劑

9、,因此可以在低得多的溫度下脫除NOx。兩種方法都是利用氮還原劑對NOx還原的選擇性,以有效的避免還原SNCR還原劑與富氧煙氣中過量的氧氣反應(yīng),因此稱之為選擇性還原方法。兩種方法的化學(xué)反應(yīng)原理相同,其差異在于其氮還原劑噴入的場合:SNCR是在高溫的爐膛上部區(qū)域或?qū)α鳠煹绹娙?而SCR則將氮還原劑噴入布置在低溫的催化反應(yīng)塔內(nèi)。最初的SNCR技術(shù)出現(xiàn)在20世紀70年代中期的日本,一些燃油、燃氣電廠開始使用氨氣噴射的SNCR。歐盟國家從80年代末開始,在一些燃煤電廠、燃煤供熱鍋爐、焚燒爐和小型可移動鍋爐上應(yīng)用了SNCR技術(shù)。美國的SNCR技術(shù)應(yīng)用從90年代初開始,發(fā)展迅速,其中不乏一些大容量的600M

10、W電站鍋爐。近年SNCR技術(shù)在捷克、韓國、臺灣等地都有發(fā)展應(yīng)用。由于美國電力行業(yè)的業(yè)主認為,脫硝最佳目標不是得到最低的NOx排放,而是以最低成本符合排放要求。因此近20年來SNCR技術(shù)在美國得到大量推廣應(yīng)用,美國據(jù)美國能源部NETL估計,到2010年,美國還會有208臺鍋爐使用SNCR脫硝技術(shù),總?cè)萘繉⑦_到12.8 GW。而在我國還沒有電站鍋爐應(yīng)用SNCR技術(shù)的示范點。1.4 公司SNCR技術(shù)發(fā)展歷程公司以“誠信和諧、卓越發(fā)展、清潔能源、服務(wù)社會”為質(zhì)量方針,先于國家標準的發(fā)布時間,敏銳地發(fā)現(xiàn)潛在市場,將SNCR低氮氧化物控制技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用作為重要的研究方向,以達到企業(yè)經(jīng)濟效益和節(jié)能減排社會

11、效益的雙贏。SNCR低氮氧化物控制技術(shù)的研究始于2001年,2004年開始應(yīng)用于中電國華電力股份有限公司北京熱電分公司4臺410t/h燃煤鍋爐上,至今已在中電國華電力股份有限公司北京熱電分公司、廣州瑞明電力股份有限公司、南海江南發(fā)電有限公司、珠江啤酒有限公司、海拉爾華能伊敏煤電有限責(zé)任公司海拉爾熱電廠等多家企業(yè)的18臺大中小型鍋爐上推廣應(yīng)用,所有改造后鍋爐氮氧化物排放符合國家標準。在國內(nèi)鍋爐煙氣脫硝行業(yè)占有主導(dǎo)低位。該技術(shù)除了適用于各種大中小型的電站鍋爐,也適用于工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐,能高效低成本地實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。2 成果內(nèi)涵和具體做法2.1 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點SNCR技術(shù)的關(guān)鍵問題在于以下3

12、個部分:(1噴射點溫度窗口和停留時間;(2噴射器霧化混合;(3先進的噴射控制策略;因此主要創(chuàng)新點在于以下4個方面:(1還原劑的高速霧化噴射方法和裝置;(2SNCR技術(shù)的工藝設(shè)計;(3爐內(nèi)燃燒變動對SNCR技術(shù)的影響;(4氨殘余問題的控制;2.2 實施的具體內(nèi)容和技術(shù)路線在SNCR技術(shù)設(shè)計和應(yīng)用中,影響脫硝效果的主要因素有很多,包括:1溫度范圍;2合適的溫度范圍內(nèi)可以停留的時間;3反應(yīng)劑和煙氣混合的程度;4未控制的NOx濃度水平;5噴入的反應(yīng)劑與未控制的NOx的摩爾比-NSR;6氣氛(氧量、一氧化碳濃度的影響;7氮劑類型和狀態(tài);8添加劑的作用;為了最大程度的提高脫硝效率,本項目需要進行以下研究:

13、(1進行SNCR機理研究:研究有效溫度區(qū)間和溫度影響趨勢;研究在合適溫度下的不同還原劑的試驗結(jié)果,尿素與氨的對比效果;研究初始濃度的影響;從化學(xué)反應(yīng)機理角度研究SNCR過程;不同溫度下SNCR反應(yīng)的模擬;在合適的溫度范圍內(nèi)停留的時間,在合適的溫度范圍內(nèi)停留的時間應(yīng)該包括物理混合時間和化學(xué)反應(yīng)時間;進行噴氨水試驗;(2還原劑與煙氣充分混合問題:還原劑噴射方法、噴射器開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計;(3不同燃燒條件下的爐內(nèi)溫度場、流動場特征;(4小流量射流與大流量煙氣的交叉流動混合:噴射器布置格局優(yōu)化、混合效果評價;(5SNCR技術(shù)在線控制理論和優(yōu)化策略;(6氨殘余問題以及氨殘余問題的解決辦法:空預(yù)器因氨鹽沉積引

14、起的腐蝕、流阻增加問題,控制飛灰含氨量、高氨飛灰處理利用方法等;(7SNCR技術(shù)的整體工藝;從實驗室基礎(chǔ)研究,結(jié)合理論計算分析,通過工業(yè)性試驗,最終達到工業(yè)應(yīng)用的目的。先在實驗室借助先進的儀器和建立小型試驗臺架,對上述各項科學(xué)問題和技術(shù)問題進行基礎(chǔ)研究,同時利用數(shù)值計算技術(shù)和建立理論模型,對現(xiàn)實的技術(shù)問題進行理論模擬計算,對爐內(nèi)燃燒和各種還原劑還原NO進行有效聯(lián)合研究,對燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和爐內(nèi)燃燒組織進行優(yōu)化設(shè)計,研究指定優(yōu)化運行策略,完成工業(yè)應(yīng)用示范。具體步驟包括:(1搭建試驗臺1SNCR小型試驗臺:小型沉降爐試驗臺架;內(nèi)徑50mm,長1m;電加熱最高溫度達1450;采用蠕動泵精確均勻進樣(

15、最小控制精度6ul/min;由液化石油氣與氨氣混合燃燒生成所需的模擬煙氣,經(jīng)冷卻后從爐膛上部送入;尾部采用羅斯蒙特CEMS在線煙氣分析儀;2搭建高級再燃實驗裝置;3搭建射流與氣流混合試驗臺。(2進行CFD數(shù)值計算和建立CFD理論模型(3進行基礎(chǔ)理論研究(4進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計SNCR噴射器的研發(fā),研究不同的噴嘴型式、不同噴嘴的霧化細度,經(jīng)過對不同噴嘴型式試驗結(jié)果對比,確定采用哪種型式的噴嘴具有更好的脫硝效果。(5研究控制策略1根據(jù)排煙處NOx濃度、鍋爐負荷、和NH3的濃度(先不考慮空預(yù)器壓降控制噴入尿素溶液流量和尿素溶液濃度,即純尿素的量;2尿素溶液流量和濃度是互相挾制的量,設(shè)計時均有一個最大值和

16、最小值。為保證噴射效果,兩者在一定純尿素的量的情況下自動優(yōu)化(優(yōu)化策略可人工設(shè)置改動;3根據(jù)鍋爐負荷、爐膛出口溫度遠程電動控制噴射層的投運情況;4噴射層的霧化蒸汽和尿素溶液的投運聯(lián)鎖;5溶液配制系統(tǒng)的必要聯(lián)鎖、安全保護等。(6形成技術(shù)方案,最終形成工業(yè)應(yīng)用示范1系統(tǒng)組成;2進行系統(tǒng)的自動化設(shè)計;3確定還原劑種類,采用噴射型式。噴槍配置自動推進裝置,以實現(xiàn)自動投運和退出;4根據(jù)不同用戶要求,形成可以進行簡化以節(jié)約成本的方案,也可以進一步細化以提高效果;(7產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣以示范工程為口碑,積極推薦潛在用戶到示范工程現(xiàn)場視察,介紹技術(shù)特點,工藝流程,現(xiàn)場運行的實際脫硝效果等,最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推廣。

17、以我公司為項目負責(zé)單位,以技術(shù)合作單位浙江大學(xué)熱能工程研究所為技術(shù)負責(zé)單位,雙方分工合作,聯(lián)合開發(fā),技術(shù)成果產(chǎn)權(quán)明晰。2.3 知識產(chǎn)權(quán)(2高速噴射的氣液混合相噴射器,浙江大學(xué),杭州百能科技有限公司,申請?zhí)?00910095347.8。(3燃煤鍋爐SNCR和SCR聯(lián)合脫硝的實現(xiàn)方法,發(fā)明專利,浙江大學(xué)、浙江百能科技有限公司,申請?zhí)?201010305583。公司的“選擇性非催化還原(SNCR氣力霧化噴嘴”被確認為省級工業(yè)新產(chǎn)品。證書編號:20090219。公司的“選擇性非催化還原(SNCR氣力霧化噴嘴”登記為浙江省科學(xué)技術(shù)成果。登記號:09001363。2.4 主要業(yè)績(1中電國華北京熱電分公司

18、4臺HG410/98YM15型410t/h燃煤鍋爐實施SNCR脫硝項目。(2廣州瑞明電廠2臺125MW機組鍋爐實施SNCR脫硝項目。(3南海江南發(fā)電有限公司5臺130 t/h 煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。(4珠江啤酒有限公司2臺 75 t/h 煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。(5海拉爾華能伊敏煤電有限責(zé)任公司海拉爾熱電廠2臺670 t/h煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。(6湖州南太湖環(huán)保能源有限公司2號垃圾焚燒爐(400t/hSNCR脫硝項目。(7亞東石化(上海有限公司(臺資100t/h水煤漿爐SNCR脫硝項目(預(yù)留設(shè)計。3 成果推廣實施的效益3.1 經(jīng)濟效益本項目研發(fā)的技術(shù)應(yīng)用前景廣大,將帶來巨大的直接和間接經(jīng)濟效益。SNCR技術(shù)將像目前的脫硫技術(shù)一樣,形成一個巨大的環(huán)保行業(yè),促進國民經(jīng)濟健康、快速發(fā)展。項目達產(chǎn)后每年約可新增銷售收入1100萬元,年凈利潤210萬元,年繳稅188萬元,投資利潤率達42%。除此之外,本項目的實施符合國家大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的政策,開發(fā)、引進本項目的企業(yè)也必將在資金、技術(shù)等方面得到國家的重點支持,從而實現(xiàn)較快發(fā)展。3.2 社會效益2010年是我國貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、應(yīng)