鍋爐脫硝的原理和技術(shù).doc

鍋爐脫硝的原理和技術(shù)第l6卷第1期2006年3月湖南工程學(xué)院JournalofHunanInstituteofEngineeringVO1.16.No.1Mar.2006鍋爐脫硝的原理和技術(shù)劉向龍,龔福華,婁小鐵,鄭文亨(湖南工程學(xué)院建筑工程系,湖南湘潭411104)摘要:我國現(xiàn)今的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主,這種大量使用煤炭的方式,還造成了大量的NOx,S0和CO2排入大氣,酸雨日益嚴(yán)重,大氣環(huán)境不斷惡化.隨著西氣東輸戰(zhàn)略的實(shí)施,天然氣再燃降低NOx排放成為可能.天然氣再燃具有脫硝效果好,價格低廉,適合我國國情等特點(diǎn),同時因燃料特性不同會使?fàn)t膛黑度減小,火焰中心位置降低,水冷壁熱有效系數(shù)增加,理論燃燒溫度上升,給鍋爐燃燒特性帶來一定影響.關(guān)鍵詞:天然氣;再燃;脫硝中圖分類號:TKll文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671119X(2006)010080830引言我國現(xiàn)今的能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主,這種大量使用煤炭的方式,不僅給水陸交通運(yùn)輸帶來了壓力,還造成了大量的NOx,sch和co2排人大氣,酸雨日益嚴(yán)重,大氣環(huán)境不斷惡化.據(jù)估計(jì),大氣中約70%的NOx來自于煤炭的燃燒.鍋爐燃燒過程中生成的氮氧化物主要由NO和N02,通常把這兩種氮氧化物稱為NOx,其中NO占90%以上.在煤燃燒過程中,生成NOx的途徑有三個:熱力NOx;快速No)(.對于燃煤鍋爐來說,通常燃料No)(占70%至85%;熱力型NOx占15%至25%;其余為快速NOx,比例很小.NOx是一種危害大,難處理的大氣污染物,它不僅刺激人的呼吸系統(tǒng),損害動植物,破壞臭氧層,而且是引起溫室效應(yīng),酸雨和光化學(xué)反應(yīng)的主要物質(zhì)之一.因此,開展對NOX排放的治理具有極其重要的意義.目前國內(nèi)燃煤機(jī)組的NOx排放量一般是700-800mg/Nm3,1999年我國NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)是600mg/Nm3,而歐的排款猢嘲小.我國與歐美發(fā)達(dá)國家相比,在控制N排放量方面還相差很遠(yuǎn).因此,要控制火電廠N的排放量,使其達(dá)到發(fā)達(dá)匡豸冰平,還需開發(fā)新的適合我國國情的燃煤鍋爐卜控制技術(shù).1降低N0x排放的技術(shù)降低燃煤產(chǎn)生的NOx有兩種方式:一是尾部煙氣脫硝技術(shù),二是低NOx燃燒技術(shù).目前國外較多的采用選擇性催化技術(shù)(scR)和選擇性非催化技術(shù)(SNCR)除去尾氣中的NOx引.一般采用低氧燃燒,煙氣再循環(huán),低NOx燃燒器,空氣分級和燃料分級等低NCI)(燃燒技術(shù)來降低NCI)(排放.1.1煙氣脫硝技術(shù)煙氣脫硝技術(shù)是根據(jù)NO具有氧化,還原和吸附的特性所采取的脫氮方法,包括干法煙氣脫硝和濕法煙氣脫硝.干法,即還原法,是采用還原劑(NH3,CH4,H2,CO等)將NO和NCh還原成N2,包括選擇性催化還原技術(shù)(SelectiveCatalyticReduction,SCR),選擇性非催化還原技術(shù)(SelectiveNoncatalyticReduction,SNCR)和電子束照射技術(shù)等;濕法,即氧化法,是將NO先氧化成N02,然后使NCh溶于水而變成硝酸.濕法脫硝雖然效率很高,但系統(tǒng)復(fù)雜而且用水量大并有水的污染,因此在燃煤鍋爐上很少被采用.綜合考慮技術(shù)可靠性,初投資,運(yùn)行費(fèi)用與脫氮效率等因素,在國外發(fā)達(dá)國家被大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的是SCR和SNCR技術(shù),這里著重介紹這兩種技術(shù).1.1.1選擇性催化還原技術(shù)(SCR)該技術(shù)常采用NH3作為還原劑,將NOx還原收稿日期:20050703作者簡介:劉向龍(1978一),男,碩士,講師,研究方向:再燃生物質(zhì)能第1期劉向龍等:鍋爐脫硝的原理和技術(shù)81成N2.NH3具有選擇性,它只和N0x發(fā)生作用,而不與煙氣中的氧進(jìn)行反應(yīng).如果采用其它還原劑,如,H2,CO等,它們還和氧起反應(yīng),因而會消耗更多的還原劑,并使煙溫升高.無催化劑時,這個反應(yīng)的最佳溫度為9001000,若高于此溫度,很大部分的N將反應(yīng)生成NO;若低于此溫度,則其反應(yīng)速度很小.采用催化劑時,其反應(yīng)的溫度可控制300400,相當(dāng)于將NH3噴入鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間的煙氣中.此時可得到80%9O%的脫硝率(N3與NO之比為0.85-0.95).通常采用二氧化鈦為機(jī)體的堿金屬催化劑,其最佳煙溫為300400,即相當(dāng)于鍋爐省煤器出口處.煙溫低于300時,NH與煙氣中的933反應(yīng)生成粘結(jié)的液體,沉積于催化劑上,使其活性降低.對于NH3的用量來說,如果NH3太少,不能達(dá)到預(yù)期的脫硝效果;N太多,也沒必要,而且會造成NH3泄漏.1.1.2選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)選擇性非催化還原技術(shù)一般采用爐內(nèi)噴氨(NH3),尿素(CO(NH2)2)或氫氨酸(HCNO)3)作為還原劑,還原NO,其原理與前述的SCR技術(shù)相同,所不同的是不用催化劑,還原劑噴入點(diǎn)一般處于高溫區(qū).該技術(shù)由于不用催化劑,故設(shè)備和運(yùn)行費(fèi)用較少,但還原劑消耗量較大,并要保證反應(yīng)溫度和停留時間,其脫銷率比SCR技術(shù)較低一些(5O%80%).1.2低NoX燃燒技術(shù)1.2.1低過量空氣燃燒技術(shù)該技術(shù)使燃燒過程盡可能地在接近理論空氣量地條件下進(jìn)行.隨著煙氣中過量氧的減少,可以抑制NOx的生成,這是一種最簡單的降低排放的方法.一般來說,采用低過量空氣燃燒可以降低l5%左右的NOx排放量.但是采用這種技術(shù)有一定的限制條件,如爐內(nèi)氧的濃度過低,低于3%時,會造成CO濃度的急劇增加,從而大大增加化學(xué)未燃燒熱損失;同時,也會引起飛灰含碳量的增加,導(dǎo)致機(jī)械未完全燃燒熱損失增加,燃燒效率將會降低.此外,低氧濃度會使得爐膛內(nèi)某些地區(qū)成為還原性氣氛,從而會降低灰熔點(diǎn)引起爐膛結(jié)渣與腐蝕.因此,低過量空氣燃燒技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行中,必須組織好爐內(nèi)空氣動力場,使燃料和空氣充分混合,若鍋爐運(yùn)行中保證排煙過量空氣系數(shù)約為1.251.30,則煙氣中CO濃度既不會太高,NOx的排放亦較低.1.2.2空氣分級燃燒技術(shù)空氣分級燃燒技術(shù)是美國在上世紀(jì)50年代首先發(fā)展起來的,它是目前使用最為普遍的低NOx燃燒技術(shù)之一.空氣分級燃燒的基本原理是將燃料的燃燒過程分階段來完成.第一階段,將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%75%(相當(dāng)于理論空氣量的80%左右),使燃燒先在缺氧的富燃料條件下燃燒.此時,第一級燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)a<l,因而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平.因此,不但延遲了燃燒過程,而且還在還原性氣氛中降低了生成Nox的反應(yīng)率,抑制了NOx在這一燃燒區(qū)中的生成量.為了完成全部燃燒過程,其余空氣則通過布置在主燃燒器上部的專門的空氣噴13OFA(OverFireAir)稱為火上風(fēng)噴口送入爐膛,與第一級燃燒區(qū)在貧氧燃燒條件下所產(chǎn)生的煙氣混合,在a>1條件下完成全部燃燒過程.由于整個燃燒過程所需的空氣是分兩級供入爐內(nèi),使整個燃燒過程分兩級進(jìn)行,故稱之為空氣分級燃燒技術(shù).這一技術(shù)彌補(bǔ)了簡單的低過量空氣燃燒的缺點(diǎn),但若第一級和第二級的空氣比例分配不當(dāng),或爐內(nèi)混合條件不好,仍然會增加不完全燃燒損失.同時,煤粉爐第一級燃燒區(qū)得還原氣氛也存在著使灰熔點(diǎn)降低而引起結(jié)渣,或引起受熱面腐蝕的問題.1.2.3煙氣再循環(huán)技術(shù)煙氣再循環(huán)降低NOx排放量也是目前使用較多的技術(shù).它是在鍋爐的空氣預(yù)熱器前抽取一部分低溫?zé)煔?或直接送入爐膛,或與一次風(fēng),二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi),這樣不但可以降低燃燒溫度,而且也稀釋了氧濃度,使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低,因而熱力No)(減少.因此,煙氣再循環(huán)技術(shù)特別適用于燃用含氮量少的燃料.該技術(shù)的缺點(diǎn)是,由于大量煙氣流過爐膛,縮短了煙氣在爐內(nèi)停留時間,且其脫銷率較低,一般在25%35%之間.1.2.4低NOx燃燒器通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu),以及通過改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例,可以將空氣分級,燃料分級和煙氣再循環(huán)降低NOx濃度的原理應(yīng)用于燃燒器,以盡可能地降低著火區(qū)氧的濃度,適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度,達(dá)到最大限度地抑制NOx生成目的.這就是低NOx燃燒器.因此,低NOx燃燒器不僅要能保證煤粉著火和燃燒的需要,而且要能有效地抑制NOx的82湖南工程學(xué)院2006矩生成.根據(jù)所采取的措施的不同,各種不同類型的低NOx燃燒器可以達(dá)到的NOx降低率一般在30%60%之問.盡管該技術(shù)最大可降低60%的NOx排放量,但同時也帶來了燃燒效率下降,爐內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕等問題.由于存在上述缺點(diǎn),美國已不再繼續(xù)推廣使用低NOx燃燒器.1.2.5燃料分級燃燒降低NOx排放技術(shù)在上述介紹的多種脫氮技術(shù)中,SCR,SNCR技術(shù)能大幅度地把NOx排放量降低到200rr/Nm3以下,因而受到發(fā)達(dá)國家的青睞,被大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用.但是由于它們都是對燃燒后的煙氣進(jìn)行處理,因而均需要額外的設(shè)備及場地.且SCR技術(shù)由于需要價格昂貴的催化劑,因而運(yùn)行費(fèi)用高;而SNCR技術(shù)的有效反應(yīng)溫度范圍狹窄.各種低NOx燃燒技術(shù)與尾部煙氣脫硝相比,具有應(yīng)用廣泛,簡單,經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn),而且對于即使因?yàn)榕欧艠?biāo)準(zhǔn)的原因而采用煙氣脫硝的機(jī)組來說,低NOx燃燒技術(shù)的實(shí)施也可以提高煙氣脫硝的效率和降低其成本.考慮到我國目前的國情,在今后一段時期內(nèi),我國更適合發(fā)展投資少且比較有效的低NOx燃燒技術(shù).其中燃料分級燃燒技術(shù),即再燃技術(shù),是有效的降低NOx的爐內(nèi)脫氮技術(shù),它可以使NOx排放降低50%以上,高于其它傳統(tǒng)的低NOx燃燒技術(shù),它是低燃燒NOx技術(shù)中正在發(fā)展的一種先進(jìn)的,十分有效的脫氮方法.采用再燃技術(shù)降低燃煤鍋爐NOx的排放,其原理就是向鍋爐爐膛火焰中心上部噴人再燃燃料,使其與來自爐膛下部高溫火焰中心的燃料型NOx反應(yīng),使No)(還原成N2,同時生成CO;隨后在噴射點(diǎn)上部溫度稍低的區(qū)域補(bǔ)人部分空氣,再將燃燼.燃料再燃脫硝的實(shí)際上是燃料分級燃燒,其燃燒過程可分為主燃燒區(qū),再燃區(qū)和燃燼區(qū).在主燃燒區(qū)中,空氣過量系數(shù)大于1,主燃料充分燃燒生成NOx.再燃區(qū)中過量空氣系數(shù)小于1,將已生成的NOx還原.在燃燼區(qū)中,過量空氣系數(shù)大于1,將生成的CO充分燃燒.再燃燃料須是低N高揮發(fā)份燃料,如天然氣,超細(xì)煤粉和氨等,其中天然氣是一種較為理想的再燃燃料,因?yàn)樗旧聿缓?cI-h濃度大,故只起還原作用,而不生成NOx引.同時它本身又容易燃燒,熱值高,對煤粉燃燒的影響不大,且能提高鍋爐運(yùn)行效率,也不存在爐內(nèi)結(jié)渣,高溫腐蝕等其它低NOX燃燒技術(shù)帶來的不良現(xiàn)象.其他幾種利用天然氣降低NOx的再燃技術(shù):高級天然氣再燃(AGR)【5j,在再燃區(qū)域下游添加含氮的催化劑,例如氨和尿素.該技術(shù)有兩種一種是非增效AGR(nonsynergisticAGR)主要是將SNCR(選擇性非催化降NOx)與天然氣再燃串連構(gòu)成.這種聯(lián)合形式當(dāng)天然氣熱量輸入為10%18%,NOx可減少67%76%.第二種是更接近常規(guī)再燃的增效AGR(synergisticAGR),這種方式是將OFA與氮催化劑一起送人對流煙道.淡燃天然氣再燃(HR),在總體為淡燃料的條件下,不需加入OFA(燃盡空氣),依靠噴入天然氣來降低NOx排放,既無助燃空氣也無煙氣再循環(huán).一般來說,使用該技術(shù)只需將天然氣噴入3%7%,NOX可減少35%45%同時不會影響燃燒產(chǎn)物.胺增強(qiáng)淡燃料天然氣再燃(AEFLGR),該技術(shù)是FLGR和SNCR的組合,天然氣和與含尿素液態(tài)反應(yīng)劑一起,從主燃燒區(qū)上方噴人爐膛.天然氣中的HO根和尿素中的HN根的結(jié)合使用與單獨(dú)使用相比能大大提高降低NOx的能力.因此,天然氣再燃技術(shù)降低NOx排放,具有效果好,技術(shù)成熟,投資較少,無二次污染等優(yōu)點(diǎn).隨著我國西氣東輸工程的實(shí)施,天然氣在電力行業(yè)的應(yīng)用比例逐漸增加,這使我國電站鍋爐大量使用天然氣作為再燃燃料降低NOx排放成為可能.2天然氣再燃對鍋爐熱力性能的影響天然氣的燃料特性與煤存在極大差異,在爐膛上方加入一定景的天然氣再燃,會對鍋爐熱力性能產(chǎn)生一定影響,從而引起鍋爐出口汽溫的變化.2.1天然氣的燃料特性天然氣主要由甲烷組成,其含量約占95%,此外,還有少量的N2,H2等氣體.因CH4中的含氫量很高,故天然氣熱值很高,發(fā)熱量一般為3500040000kJ/ms【6j6.天然氣是一種清潔能源,燃燒后的煙氣無需經(jīng)過除塵,脫硫處理.此外,由于天然氣燃燒后產(chǎn)生大量的水蒸汽,還可進(jìn)一步降低排煙溫度回收煙氣中水蒸汽的汽化潛熱,以進(jìn)一步提高鍋爐的效率.2.2天然氣再燃對過熱器與再熱器出口汽溫的影響從爐膛上方噴入一定量的天然氣再燃,受熱面的清潔度增加,灰污系數(shù)減小,這樣會增強(qiáng)煙氣傳熱;天然氣所需的過量空氣系數(shù)較燃煤時小,這樣會第1期劉向龍等:鍋爐脫硝的原理和技術(shù)83使增強(qiáng)爐內(nèi)輻射傳熱;天然氣容易著火,燃燒速度會降低煙氣輻射能力.此外,天然氣中H含量很大,快,所以火焰中心要比煤粉爐低得多,也會增強(qiáng)爐內(nèi)導(dǎo)致煙氣中的水蒸汽及三原子氣體含量比燃煤粉時傳熱;氣體燃料的火焰發(fā)光性差,輻射傳熱效果差,高,會增強(qiáng)煙氣的輻射能力.表1某型1025t鍋爐天然氣再燃引起鍋爐主要參數(shù)變化從上表可以看出,天然氣再燃會使鍋爐效率增加,理論燃燒溫度升高,火焰中心位置下降,爐膛黑度降低,上述因素的綜合影響是,爐膛出口煙溫下降.由于上表是通過理論計(jì)算得出的結(jié)果,對火焰中心位置系數(shù)采用的是混燒進(jìn)行比例疊加,而在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于鍋爐再燃是天然氣從爐膛上方噴入,會使火焰中心位置升高,火焰中心位置系數(shù)減小,爐膛出口煙溫降低.因此,再燃后由于鍋爐燃燒狀況發(fā)生變化,還需對爐膛火焰中心位置系數(shù)進(jìn)行修正.3結(jié)論(1)SCR和SNCR技術(shù)是高效的脫硝技術(shù),但其運(yùn)行費(fèi)用太高,不大適合我國的實(shí)際情況.(2)相對于其它爐內(nèi)脫銷技術(shù),采用再燃技術(shù)降低燃煤鍋爐N0)(的排放,具有效果好,技術(shù)成熟,投資較少,無二次污染等優(yōu)點(diǎn),且再燃燃料以天然氣為最佳.(3)天然氣再燃因燃料特性及燃燒方式發(fā)生變化,原有的計(jì)算方法還需進(jìn)一步修正.參考文獻(xiàn)1韓才元,徐明厚,等.煤粉燃燒M.北京:科學(xué)出版社,20O1.2劉文瑩.低拄制新技術(shù)J.環(huán)保技術(shù),2001,(1):59-62.【3L_D.Smoot,S.C.Hill,It.Xu.NOxcontrolthroughre.bumingJ.EnergyCombust.Sci.,1998,24:385408,4曾漢才.大型鍋爐高效低N0k燃燒技術(shù)的研究J.鍋爐制造,2001,(I):iii.5李毅,天然氣再燃降低鍋爐NOx的排放J.華東電力,2003,(6):3941.6毛健雄,毛健全,趙樹明,等.煤的清潔燃燒