水泥SNCR脫硝還原劑的選擇

高NO排放循環(huán)流化床鍋爐脫硝應(yīng)用X郭偉鄒貞盧偉（上海泰欣環(huán)保工程有限公司，200122）摘要：本文主要介紹循環(huán)流化床鍋爐NOX產(chǎn)生機(jī)理及特性，分析循環(huán)硫化床鍋爐產(chǎn)生較高濃度NOX的原因，對(duì)NOX的生成機(jī)制進(jìn)行了深入研究，分析探討從源頭上控制NOX的措施，同時(shí)為循環(huán)硫化床鍋爐選擇合適的脫硝系統(tǒng)，通過(guò)以上兩種方式，將高NOx排放循環(huán)硫化床的氮氧化物排放控制在100mg/Nm3以下，滿(mǎn)足最新國(guó)家要求排放標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：循環(huán)流化床、NOX、脫硝1概況NO是一種主要的大氣污染物質(zhì)，它與碳?xì)浠衔锟梢栽趶?qiáng)光作用下造成光化學(xué)污染，形成有害的光X化學(xué)煙霧，嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境。目前國(guó)內(nèi)70%左右的NOX是由煤燃燒產(chǎn)生的，因此作為主要燃煤設(shè)備的電站和工業(yè)鍋爐將成為今后控制NOX排放所關(guān)注的焦點(diǎn)。而隨著2011年版《火力發(fā)電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，我國(guó)所有新建火電機(jī)組NOX排放量要求達(dá)到100mg/Nm3以下，現(xiàn)有的循環(huán)流化床鍋爐NOX排放在重點(diǎn)地區(qū)所有火電投運(yùn)機(jī)組NOX排放量要達(dá)到100mg/Nm3以下，而非重點(diǎn)地區(qū)2003年以前投產(chǎn)的機(jī)組達(dá)到200mg/Nm3以下。近年來(lái)，CFB燃燒技術(shù)發(fā)展迅速，主要是它能適應(yīng)燃用高灰、低揮發(fā)分等其他設(shè)備難以適應(yīng)的劣質(zhì)燃料，以及在負(fù)荷變化頻繁的調(diào)峰電廠(chǎng)和負(fù)荷波動(dòng)較大的自備電站中有較大優(yōu)勢(shì)。在一般情況下，常規(guī)CFB鍋爐在不加任何輔助設(shè)備，NOX的排放均值能控制在200mg/Nm3以下。但是隨著CFB鍋爐的數(shù)量增加、容量等級(jí)不斷擴(kuò)大，燃料覆蓋范圍也越來(lái)越廣，包含褐煤、貧煤、煙煤、煤泥、煤矸石及無(wú)煙煤等，NOX的排放值也越來(lái)越高，可以達(dá)到500mg/Nm3以上。所以，針對(duì)高NOX排放CFB鍋爐，需要從多方面控制NOX的排放，從而達(dá)到國(guó)家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段脫硝技術(shù)領(lǐng)域是以NOX的還原技術(shù)為主導(dǎo)，工程上的應(yīng)用主要分為兩大類(lèi)：選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）。這兩種技術(shù)都適用于CFB鍋爐的脫硝工程。但是根據(jù)CFB鍋爐獨(dú)有的煙氣排放特性，需要進(jìn)行全面比較，根據(jù)不同的要求和條件，選擇合適的脫硝技術(shù)。2循環(huán)流化床鍋爐的高NOX排放2.1循環(huán)流化床鍋爐NOX產(chǎn)生機(jī)理煤燃燒時(shí)所生成的NOX可分為三種，即熱力型NOX、燃料型NOX和在火焰邊緣形成的快速型NOX?？焖傩蚇OX可用Fenimore機(jī)理解釋?zhuān)话阒挥性谌加貌缓奶細(xì)淙剂蠒r(shí)才予考慮，它的生成量也比前兩種少得多。根據(jù)流化床鍋爐爐膛的運(yùn)行溫度范圍和氧濃度水平，熱力NOX形成速率很低，即使不考慮各種分解還原過(guò)程，其平衡濃度也很低，故不予考慮。煤在燃燒過(guò)程中，主要是燃料型NOX，燃料氮形成的NO占流化床燃燒方式NO總排放量95%以上。2.2燃料特性對(duì)NOX排放的影響由于NOX主要來(lái)自于燃料中的氮，因此，從總體上看，燃料氮含量越高，則NOX的排放量也越高；同時(shí)，燃料中氮的存在形態(tài)不同，NOX的排放量也不一樣，以胺的形態(tài)存在于煤中的燃料氮在燃燒過(guò)程中主要生成NO,而以芳香環(huán)形式存在的燃料氮在揮發(fā)分燃燒過(guò)程中主要生成N2O。一般說(shuō)來(lái)，褐煤、頁(yè)巖等劣質(zhì)燃料中燃料氮的主要存在形態(tài)是胺，故NOX排放量較多，N2O很少；相反，煙煤、無(wú)煙煤中燃料氮的主要存在形態(tài)是芳香環(huán)，故NOX排放量較少，而N2O很高。2.3過(guò)量空氣系統(tǒng)對(duì)NOX排放的影響當(dāng)風(fēng)不分級(jí)時(shí)，降低過(guò)量空氣系數(shù)，在一定程度上可限制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氧濃度，因而，對(duì)熱力型NOx和燃料型NOX的生成都有一定的控制作用，采用這種方法可使NOX排放量降低（15~20）%，但CO濃度會(huì)增加，燃燒效率會(huì)下降。當(dāng)風(fēng)分級(jí)時(shí)，可有效地降低NOX的排放量。一般情況下，二次風(fēng)從床面上一定距離送入較好，如果過(guò)低則對(duì)NOX的排放量影響甚小。隨著一次風(fēng)量的減小、二次風(fēng)量的增加，N被氧化的速度下降，NOX排放量也隨之下降，并在某一風(fēng)量分配下達(dá)到最小值。研究表明，當(dāng)采用分級(jí)送風(fēng)時(shí)，將約1/3左右的燃燒空氣作為二次風(fēng)送入密相區(qū)上方一定距離處，NOX排放量可望達(dá)到最低水平。當(dāng)然，不同的鍋爐結(jié)構(gòu)有可能會(huì)使最佳的一、二次風(fēng)配比在此范圍內(nèi)有所變化。2.4燃燒溫度對(duì)NOX排放的影響燃燒溫度對(duì)NOX的排放量的影響已取得共識(shí)，即隨著爐內(nèi)燃燒溫度的提高，NOX的排放量將升高，因此，可以通過(guò)降低床溫來(lái)控制NOX的排放量。但是，床溫的降低會(huì)帶來(lái)兩個(gè)不利的后果，一個(gè)是爐內(nèi)CO濃度將增加，化學(xué)不完全燃燒損失增大，從而使得燃燒效率下降；另一個(gè)是不利冊(cè)20的分解，從而使得N20的排放濃度增加。綜合考慮各方面的影響，循環(huán)流化床床溫以控制在(850~900)oC較為適宜。2.5其他因素的影響在循環(huán)硫化床鍋爐中，需要加入石灰石進(jìn)行脫硫，對(duì)NOX的排放量也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，使NO上升。同時(shí)，循環(huán)倍率也會(huì)對(duì)N0X產(chǎn)生造成影響，更高的循環(huán)倍率，會(huì)使懸浮焦炭濃度增高，加強(qiáng)了NO與焦炭的還原反應(yīng)，從而降低NOX的排放。3高NOXW環(huán)流化床鍋爐脫硝工藝選擇3.1不宜選擇SCR脫硝技術(shù)由于CFB鍋爐通常燃用高灰分劣質(zhì)煤，煙氣含塵量較高，煙氣含塵濃度在60g/Nm3以上，如果采用SCR技術(shù)，將造成催化劑堵塞問(wèn)題。CFB鍋爐采用爐內(nèi)脫硫技術(shù)，需要向燃燒室加入石灰石作為脫硫劑，石灰石在燃燒室內(nèi)煅燒產(chǎn)生CaO,CaO隨煙氣進(jìn)入催化劑，對(duì)催化劑產(chǎn)生毒化作用，飛灰中的CaO與SO3反應(yīng)，被催化劑表面所吸附形成CaSO4。CaSO4將在催化劑表面形成一層膜從而影響NOX與NH3的反應(yīng)。無(wú)法達(dá)到預(yù)期的脫硝效果。催化劑中毒機(jī)理如圖1所示。原始催化劑 鈣化后的催化劑圖1催化劑中毒機(jī)理從鍋爐總體布置上考慮，由于CFB鍋爐的布置與煤粉爐不同，鍋爐尾部省煤器下部空間不足以布置SCR反應(yīng)器。3.2SNCR在CFB鍋爐上的應(yīng)用SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊，不存在催化劑堵塞和中毒的問(wèn)題，且CFB鍋爐具備SNCR系統(tǒng)所需要的噴射溫度區(qū)間及滿(mǎn)足反應(yīng)停留時(shí)間的位置，所以可以選擇SNCR進(jìn)行脫硝。1）反應(yīng)溫度區(qū)間SNCR脫硝成功與否，關(guān)鍵是選擇并控制合適的反應(yīng)溫度，以達(dá)到較高脫硝效率和較低的氨逃逸量。試驗(yàn)研究結(jié)果表明當(dāng)煙氣溫度區(qū)間為850C?950C時(shí)，以氨水作為反應(yīng)劑的脫硝效率較高當(dāng)反應(yīng)溫度在950C以上時(shí)，以尿素作為反應(yīng)劑的脫硝效率較高，如圖2所示。CFB鍋爐的爐膛溫度一般在850-950C的范圍內(nèi)，正好處于以氨水為還原劑時(shí)的脫硝反應(yīng)溫度區(qū)間，可以利用爐膛尾部和旋風(fēng)分離器作為SNCR脫硝的噴射位置，往爐膛尾部或旋風(fēng)分離器入口噴入適量的氨水，脫除氮氧化物。溫度凡圖2不同溫度下氨水和尿素的脫硝效率2）反應(yīng)停留時(shí)間根據(jù)CFB鍋爐特殊的燃燒方式，在鍋爐滿(mǎn)負(fù)荷工況，旋風(fēng)分離器入口處的煙溫在800°C?1000C之間，恰好是非選擇性催化還原法的最佳反應(yīng)溫度。同時(shí)，煙氣和脫硝反應(yīng)劑在極短時(shí)間內(nèi)得到充分混合同樣是保證SNCR達(dá)到理想脫硝效率、減少氨逃逸的關(guān)鍵因素之一。對(duì)于CFB鍋爐而言，煙氣在旋風(fēng)分離器內(nèi)的停留時(shí)間為1.5?2.5s，根據(jù)試驗(yàn)和工程實(shí)際可知，煙氣停留時(shí)間大于1s時(shí)，既可達(dá)到較好的脫硝效率，如圖3所示。圖3NOX和停留時(shí)間的關(guān)系3.3SNCR是適合CFB鍋爐脫硝的工藝由于CFB鍋爐的特殊燃燒方式和布置要求，不適宜采用SCR技術(shù)，其投資和工程量較大，但是對(duì)于SNCR脫硝技術(shù)，由于CFB鍋爐具備有合適的反應(yīng)溫度和反應(yīng)停留時(shí)間，從而可以使脫硝效率高于50%，在噴射點(diǎn)控制得當(dāng)?shù)那闆r下，甚至能將效率達(dá)到70%，且SNCR系統(tǒng)靈活方便，布置簡(jiǎn)單，所以建議選擇SNCR作為CFB鍋爐的脫硝工藝。4結(jié)論在高NOX排放的循環(huán)流化床鍋爐中，燃料型NOx占主導(dǎo)地位，因此，燃料特性、床溫、過(guò)量空氣系數(shù)、循環(huán)倍率等都要影響到NOx的排放水平；為了降低NOx的排放水平，床溫應(yīng)控制在(850~900)oC，并采用分級(jí)送風(fēng)，同時(shí)，提高循環(huán)倍率也可以使NOx還原為N2。另一方面，隨著環(huán)保要求的提高，為達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，CFB鍋爐還需要配套脫硝系統(tǒng)，相較而言，SCR雖然有較高的脫硝效率，可能對(duì)高NOX排放的循環(huán)硫化床脫硝更有優(yōu)勢(shì)，但是由于CFB鍋爐的特殊性，導(dǎo)致SCR工藝并不太適合該鍋爐，SNCR是比較適合的脫硝工藝。所以，針對(duì)高NOX排放的CFB鍋爐，應(yīng)當(dāng)通過(guò)鍋爐自身的優(yōu)化，達(dá)到低氮燃燒的效果，再配套SNCR系統(tǒng)，從而使NOX的排放濃度滿(mǎn)足環(huán)保要求的排放標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)：岑可法，倪明江等，循環(huán)流化床鍋爐理論設(shè)計(jì)與運(yùn)行，北京：中國(guó)電力出版社，1998趙惠富，污染氣體NO,的形成和控制，北京：科學(xué)出版社，1993x羅朝暉,王恩祿.循環(huán)流化床鍋爐選擇性非催化還原技術(shù)及其脫硝系統(tǒng)的研究動(dòng)力工程,2008Vol.28.No.3;442-446.[4]ZeldovichYB,BarenblattGIandLibrovichVB.TheMathematicalTheoryofcombustionandExplosion.NewYork:PlenumPublishing