降低烟气氮氧化物技术教案资料.doc

降低烟气氮氧化物技术一、 氮氧化物的介绍NOx对环境的损害作用极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗O3的一个重要因子。根据国标GB 31573-2015标准规定了无机化学工业烟气氮氧化物排放标准，其中镍铁等重金属行业氮氧化物最高排放量为200mg/m3,地方可以制定严于国家标准的地方标准。厦门市地方排放标准（DB 35323-2011）其中氮氧化物排放量也是200mg/m3,目前尚不知宁德地区的标准.一般燃烧形成的氮氧化物主要来自两个方面：一是燃烧所用空气（助燃空气）中氮的氧化，二是燃料中所含氮氧化物在燃烧过程中热分解氧化，燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600800时就会生成燃烧型NOx,它在煤粉燃烧的氮氧化物中占60%80%，其中挥发分燃烧又占燃烧型氮氧化物的一大部分，燃料挥发分增加NOx转换量就增大，挥发分的NOx的转化率又随氧浓度的平方增加，火焰温度越高NOx 的转换量就越大。二、 选用洗选煤1、 煤炭洗选可脱除煤中50%80%的灰分、30%40%的全硫（或60%80%的无机硫），燃用洗选煤可有效减少烟尘、SO2和NOx的排放，入洗1亿t动力煤一般可减排6070万tSO2，去除矸石16Mt。2、 一些研究表明：工业锅炉和窑炉燃用洗选煤，热效率可提高3%8%； 表（1）我厂使用烟煤成分发热量70007600（kca/kg）产地贵州全水分0.5（%）灰分13（%）挥发分15（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途工业锅炉用煤发热量70007200（kca/kg）产地贵州全水分0.5（%）灰分12（%）挥发分8（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途工业用、电泳用、喷涂用、锅炉用煤发热量7000（kca/kg）产地贵州毕节全水分4（%）灰分12（%）挥发分6.5（%）全硫0.6（%）种类精煤用途发热量68007200（kca/kg）产地贵州全水分0.5（%）灰分12（%）挥发分8（%）全硫0.5（%）CAS0.2用途 表（2）市场上几种洗选煤成分由表（1）可以得知我厂使用烟煤挥发分平均含量为29.5%左右、灰分平均含量为15.8%左右、平均含硫量0.7%。由表（2）可以得知市场上的洗选煤成分挥发分平均含量9.37%、灰分平均含量12%、平均含硫量0.52%。洗选煤的挥发分仅为烟煤的1/3 、灰分含量比烟煤低3.8%、全硫量比烟煤低0.18%。煤的挥发分就是煤中有机质的可挥发的热分解产物。其中除含有氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等气体外，还有一些复杂的有机化合物。我们知道挥发分的燃烧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来源，因此选用洗选煤对减少氮氧化物和硫化物有很大作用。同时通过比较表（1）表（2）可知洗选煤的热值并不会比烟煤低，相反，而是比烟煤高很多。三、 改进燃烧技术：1. 选用含氮量低的燃料：包括燃料脱氮转变为低氮燃料2. 降低空气过剩系数，组织过浓燃烧，来降低燃料周围的氧浓度。3. 在过剩空气少的情况下，降低温度峰值以减少“热反应NO”4. 在氧浓度低的情况下，增加可燃物在火焰前峰和反应区中停留时间。(一) 第一代低氮氧燃烧技术1. 低过剩空气进行这是一种优化装置燃烧、降低NOx生成量的简单方法，它不需对燃烧装置做结构改造、并有可能在降低NOx排放的同时,提高装置运行的经济性。图（1）是NOx生成量与运行氧量关系的试验结果。由图可见,低过剩空气系数运行抑制NOx生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式以及排渣方式有关。需要说明的是,电站锅炉实际运行时的过剩空气系数不能做大幅度的调整。对于燃煤锅炉而言,限制主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温特性的变化以及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言主要限制在于CO浓度超标。 图1过剩空气系数对NOx的影响2. 降低助燃空气预热温度降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值,从而减少热力型NOx的生成量。这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉,对于燃气锅炉,则有降低NOx排放的明显效果(图2)。 图2空气预热系统对燃气锅炉NOx生成量的影响3. 浓淡燃烧技术 这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧,即燃料过浓燃烧;另一部分燃料在空气过剩的条件下燃烧,即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧,其过剩空气系都不等于1。前者1,故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。 浓淡燃烧时,燃料过浓部分因氧气不足,燃烧温度不高,所以,燃料型NOx和热力型NOx都会减少。燃料过淡部分因空气量过大,燃烧温度低,热力型NOx生成量也减少。总的结果是NOx生成量低于常规燃烧。这一方法可以用于燃烧器多层布置的电站锅炉,在保持入炉总风量不变的条件下,调整各层燃烧器的燃料和空气量分配,便能达到降低NOx排放的效果。4. 炉膛内烟气再循环 把烟气掺入助燃空气,降低助燃空气的氧浓度,是一种降低燃煤液态排渣炉,尤其是燃气、燃油锅炉NOx排放的方法,图3给出的是这种方法的试验结果。通常的做法是从省煤器出口抽出烟气,加入二次风或一次风中。加入二次风时,火焰中心不受影响,其唯一作用是降低火焰温度,有利于减少热力型NOx的生成。对固态排渣锅炉而言,大约80%的NOx是由燃料氮生成的,这种方法的作用就非常有限。 图3烟气再循环技术对NOx生成量的影响(二) 第二代低氮氧燃烧技术1. 炉膛内整体空气分级低氮氧直流燃烧技术这种燃烧器与传统直流燃烧器不同的是在其顶部增设了一层或两层所谓的燃尽风喷口(OFAOverfireair),一部分助燃空气通过这些独立的喷口送入炉膛。这样燃烧器区处于过剩空气量较低的工况下,抑制了NOx的生成。顶部投入的燃尽风用于保证燃料完全燃烧。这种燃烧器的技术关键有三点：一是要合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离。距离大,分级效果好,NOx下降幅度大,但飞灰可燃物会增加。合适的距离与炉膛结构、燃料种类有关。二是燃尽风量要恰当。风量大,分级效果好,但可能引起燃烧器区域因严重缺氧而出现受热面结渣和高温腐蚀。三是燃尽风要有足够高的流速,以保证与烟气的良好混合。2. 空气分级低氮氧旋流燃烧技术这种燃烧器的特点是在其出口实现助燃空气逐渐混入煤粉空气射流,其难点是要准确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混合过程,以阻止燃料氮转化为NOx的反应和热力型NOx的生成同时又要保证较高的燃烧效率。其做法是通过合理的结构设计,控制燃烧器喉部燃料和空气的动量以及射流的流动方向。图4可以说明空气分级燃烧器的基本原理。燃料与空气混合物(一次风)和二次风形成初始燃烧区(一次火焰)。由于二次风的旋流作用和燃烧器锥口的作用,形成一个内回流区,加热并使一次风着火。挥发分和含氮组分的大部分在此区中析出,但因处于氧和高CO、CmHn浓度之中,限制了含氮组分向NOx的转换。 图4 LNB的分级风四、 使用低氮燃烧器：1. 阶段燃烧器，有空气分阶段和空气燃料分阶段燃烧，通过在燃烧器上合理的气道布局使得燃料在出口先过浓燃烧产生还原气氛抑制NOx形成，到火焰外围与分级风低氧缓慢燃尽使燃料燃烧完全。2. 自身再循环燃烧器，使用燃烧的烟气抽入燃烧器中作为燃烧空气使用做到降低燃烧氧含量。3. 浓淡型燃烧器，浓淡燃烧时燃料过浓部分因氧气不足燃烧温度不高所以燃料型NO和热力型NO都会减少。燃料过淡部分因空气量过大燃烧温度低热力型NO生成量也减少。总的结果是NO生成量低于常规燃烧。4. 分割火焰型燃烧器，在烧嘴头部开设一个沟槽，可将火焰分割成细而长的小火焰，降低燃料在火焰高温区的停留时间，减少NOx的生成。5. 混合促进型燃烧器，烟气在高温区停留时间是影响NOx生成量的主要因素之一，改善燃烧与空气的混合，能够使火焰面的厚度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短，因而使NOx的生成量降低。混合促进型燃烧器就是按照这种原理设计的。6. 低NOx预燃室燃烧器，预燃室一般由一次风（或二次风）和燃料喷射系统等组成，燃料和一次风快速混合，在预燃室内一次燃烧区形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料进行燃烧，燃料在贫氧和火焰温度较低的一次火焰区内析出挥发分，因此减少了NOx的生成。五、 HP型燃烧器除氮效果我们厂所使用的燃烧器为合肥水泥研究设计院的HP强涡流型燃烧器，与老式燃烧器相比风量降低了近一半，NOx排放可减少30%以上。由于燃烧器的喷射效应，仅以46%的净风就可以获得足够的燃烧推力，因此一次风量减少，加之煤粉燃烧充分，系统热耗降低（最高可降150KJ/KG）(一) 四通道燃烧器的环保设计四通道除了保证火焰长度外，燃烧器还应保持火焰具有合适的气体流场，以降低焰峰温度。回转窑内的燃烧过程是受扩散控制的，在燃烧着火温度较高的燃料时，火焰的气体流畅是非常重要的，也是降低NOx的保证。故要求设计上应设计上应充分考虑燃烧器出口部分的流场，可采用大速差及稳燃腔的结构。对于挥发分低的煤和无烟煤，在回转窑内燃烧时，着火点高，温度低且最大热量区靠后，可有效降低NOx生成。为使其挥发分快速挥发燃烧，增加燃烧温度并加快碳粒燃烧，提高火焰温度，缩短最大热流距窑头的位置，保证效率，必须有较强的旋流强度。所以，应增设可调旋流装置，形成旋流风。故，在燃烧器设计时，中心空气采用圆形喷口平行射流，最外层的轴向空气采用环形射流或圆形喷口平行射流，这两种射流均能产生气流回流，因而在火焰的中间形成一个内回流，在火焰外部也形成一个大的回流，这两种回流有利于煤粉中挥发分均衡挥发，减缓峰值陡峭温度，燃料在内部过浓燃烧，NOx生成量降低，外围圈卷入外风形成燃尽区，火焰温度低也降低了NOx生成，同时也稳定了火焰。氮化物的生成量随温度增高而增加，在燃烧过程中，氧含量愈高，产生的NOx也愈高。采取措施，通过降低火焰的峰值温度和促使燃烧在局部还原气氛内进行，可实现降低NOx排放。(二) 四通道燃烧器效能（1）一次风比例低，仅为5%-7%，节能降耗显著，与传统燃烧器相比节煤10%以上。（2）喷头部分采用耐高温、抗高温氧化的特殊耐热钢铸件机加工制成，提高了头部的抗高温变形能力。（3）易磨损部位，采用独有的防磨技术处理，耐磨性能优异，且易于更换。（4）火焰形状规整适宜，活泼有力温度高，窑内温度分布合理。（5）热力集中稳定，卷吸二次风能力强，提高冷却机热效率。（6）火焰调节灵活，简单方便，可调范围大，可达1：10。（7）热工制度合理，可提高台时产量5%-10%，水泥熟料早期强度提高3-5MPa。（8）低NOx排放量，降幅达20%-30%。（9）使用寿命长，对煤质适应性强，可烧劣质煤、低挥发分煤、无烟煤和烟煤。（10）适用范围广，可用于各种窑型的回转窑。六、 氮氧化物监测可以在回转窑尾端或者静电除尘器尾端安装氮氧化物监测装置来实时监测生成氮氧化物含量以便对生产进行 图6 固定式氮氧化物监测器调整氮氧化物监测需要烟气温度低，烟尘小的环境使用，因此烟气氮氧化物使用可以安装静电除尘后，尾排风机前。 图7 带报警的固定式氮氧化物监测器七、 尾部脱硝技术 (一) SCR法原理简介以满足日趋严格的NOx排放标准，是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术。SCR的发明权属于美国，而日本率先于20世纪70年代实现其商业化应用，目前该技术在发达国家已经得到了比较广泛的应用。日本有93%以上的废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套。德国于20世纪80年代引进该技术，并规定发电量50 MW以上的电厂都得配备SCR装置。台湾有100套以上的SCR装置在运行，它没有副产物，不形成二次污染，装置结构简单，并且脱除效率高（可达90%以上），运行可靠，便于维护等优点。SCR 技术原理为：在催化剂作用下，向温度约280420 的烟气中喷入氨，将NOX还原成N2和H2O。 其主要反应如下： 如下图8反应示意图图（8） 烟气脱硝技术反应原理(二) 工艺流程SCR装置的工艺流程如图（9）、图（10）所示，主要由氨气供应储存系统、控制系统、烟气均布装置、SCR反应器、吹灰器和烟气档板等组成。液氨由槽车运送到液氨储罐，液氨储槽输出的液氨在蒸发器内蒸发为氨气，并将氨气加热到常温后，送到氨气缓冲罐备用。氨气缓冲罐的氨气经调压阀减压后，通过喷氨格栅的喷嘴喷入烟气中与烟气混合，再经静态混合器充分混合后进入催化反应器。当达到反应温度且与氨气充分混合的烟气流经SCR反应器的催化层时，氨气与NOx发生催化氧化还原反应，将NOx还原为无害的N2和H2O。 图（9） 脱硝原理图 图（10）脱硝流程图NH3与烟气均匀混合后一起通过一个填充了催化剂(如V2O5-TiO2)的反应器，NOx与NH3在其中发生还原反应，生成N2和H2O。反应器中的催化剂分上下多层(一般为34层)有序放置。该方法存在以下问题：催化剂的时效和烟气中残留的氨。为了增加催化剂的活性，应在SCR前加高校除尘器。残留的氨与SO2反应生成(NH4)2SO4, NH4HSO4 很容易对空气预热器进行粘污，对空气预热器影响很大。在布置SCR的位置是我们应多反面考虑该问题。 图（11）SCR工艺反应器示意图(三) 催化剂介绍 催化剂是SCR技术的核心，其形状一般为板式或蜂窝式。由于蜂窝式催化剂优良的耐久性、耐腐性、高可靠性，高反复利用率、低压降，故使用的较广泛。常用的催化剂主要成分为V2O5/TiO2。蜂窝式催化剂的断面尺寸一般为：150 mm150 mm；长度400 mm1000 mm。 图（12）SCR催化剂SCR装置的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命。其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活分为物理失活和化学失活。典型的SCR催化剂化学失活主要是碱金属（如Na、K、Ca等）和重金属（如As、Pt、Pb等）引起的催化剂中毒。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面，金属氧化物（如MgO、KaO等）中和催化剂表面的SO3生成硫化物而造成催化剂中毒。砷中毒是废气中的三氧化二砷与催化剂结合引起的。催化剂物理失活主要是指高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂活性破坏。SCR系统所出现的磨损和堵塞可以通过反应器的优化设计（设置自动的导流叶片装置，倒转氨的喷射方向使之与流动方向相反）加以缓解。如果废气中有粉尘，为了保证催化剂表面的洁净，在反应器中安装吹灰器是很有必要的。如果废气中含有能使催化剂中毒的固体颗粒物，则废气需进行预处理，比如采用静电除尘、加入脱砷剂等，去除催化剂毒物级固体颗粒物，避免催化剂中毒。不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围下限时，在催化剂上会发生副反应， NH3与SO3和H2O反应生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，减少与NOx 的反应，生成物附着在催化剂表面，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性。另外，如果反应温度高于催化剂的适用温度，催化剂通道和微孔发生变形，导致有效通道和面积减少，从而使催化剂失活。温度越高催化剂失活越快。根据催化剂的适用温度范围，SCR工艺可分为高温（345590）、中温（260450）和低温工艺（150280）总结(一) NOx主要来自燃烧过程。NOx生成量与燃烧温度、高温区氧气的浓度和燃烧气体在高温区停滞时间有关。燃烧温度越高,高温区氧气浓度越高,停滞时间越长,热NOx生成量就越多。因此，控制或减少热NOx的产生,应改善燃烧方法和改进燃烧设备，特别在燃烧过程中我们应注意操作。(二) 目前应用的改进燃烧技术、改善燃烧过程及设备的方法，一般可减少NOx排放量的60%。而尾部脱硝主要利用还原物质进行烟气还原或烟气催化还原，需要大量的资金投入，因此可以考虑选择改进燃烧技术。 (三) 排除尾部烟气脱硝的情况：1. 更换设备购买更先进的低氮氧化物燃烧器，我们厂使用的燃烧器并不是真正意义上的低氮氧化物燃烧器，操作性能和降氮性能无法和真正的低氮氧化物燃烧器相比。2. 我们可以充分利用氮氧化物生成原理，改善我们的操作方法：2.1让窑内烧出还原气氛抑制氮氧化物生成。2.2适量打开二次风机使得火焰在外部形成燃尽区，使燃料充分燃烧减少灰分，同时外焰温度低减少氮氧化物生成。2.3购买低氮、低挥发分的燃煤，最好是有经过洗选的燃煤，降低燃料型氮氧化物排放。2.4安装氮氧化物监控设备，以便调整燃烧状况(四) 使用低氮氧化物和尾部烟气脱硝相结合的方式进行脱硝