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工业燃煤锅炉烟气脱硝方法

1   燃煤锅炉脱硝的必要性

我国是世界上主要的煤炭生产和消费国,也是以煤炭为主要一次能源的国家。截至2011年底,我国有各种容量的在用锅炉61.06×104 台,总热功率约351.29×104 MW。根据2007—2011 年工业锅炉的生产情况判断,全国工业锅炉中燃煤工业锅炉约46×104 台,占总量的85%左右,年煤耗量达到7.3×108 t/a,颗粒物排放160×104 t/a,二氧化硫排放718×104 t/a,氮氧化物排放271×104 t/a。氮氧化物是形成酸雨和破坏臭氧层的重要因素之一。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长,氮氧化物排放量也将持续增加,如不加强控制排放,氮氧化物将对我国大气环境造成严重的污染。因此,已经颁布实施的GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》(以下简称GB 13271—2014)严格限制了在用和新建燃煤锅炉氮氧化物的排放质量浓度:在用燃煤锅炉烟气中氮氧化物排放质量浓度限值为400 mg/m3;新建燃煤锅炉氮氧化物排放质量浓度限值为300 mg/m3;重点地区新建燃煤锅炉氮氧化物排放质量浓度限值为200 mg/m3。

2   燃煤锅炉烟气氮氧化物排放现状

环保部科技司2013年对天津市133台锅炉进行监测,氮氧化物排放质量浓度在300~400 mg/m3有16台,占12%;排放质量浓度在200~300 mg/m3有43台,占32%;其余排放质量浓度小于200 mg/m3。

各地煤质、燃烧方式等不同,锅炉烟气中氮氧化物排放质量浓度不同,会有部分锅炉氮氧化物排放质量浓度超过GB 13271—2014新建燃煤锅炉规定限值。如果能通过改进燃烧方式(如低氮燃烧)、改善煤质等措施满足排放质量浓度限值要求的,可以不采取脱硝措施,否则新建工业锅炉应该考虑采用脱硝措施。

3   脱硝工艺方案的选择

氮氧化物的产生途径包括热力型、燃料型和快速型3种。燃煤工业锅炉主要通过燃料型产生,控制氮氧化物排放的技术可分为烟气脱硝技术和低氮燃烧技术。

燃煤工业锅炉可用的烟气脱硝技术有选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)脱硝、选择性催化还原法(SelectiveCatalytic Reduction, SCR)脱硝、SNCR、SCR法联合脱硝。

①   烟气脱硝技术

a.  SNCR法脱硝

SNCR法脱硝是利用还原剂在不需要催化剂的情况下有选择性地与烟气中的氮氧化物发生化学反应,产生氮气和水的方法。

SNCR法脱硝是在炉膛温度850~1 100 ℃的温度范围内,在无催化剂的作用下,NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的氮氧化物,基本上不与烟气中的O2作用

温度过低时,NH3反应不完全,温度过高时,NH3产生NO,造成氮氧化物增加。

SNCR法脱硝技术关键是氨逃逸率控制技术。从SNCR法逃逸的氨可能来自两种情况,一是由于喷入的温度过低影响了氨与氮氧化物的反应;二是由于喷入氨过量从而导致氨分布不均。工程中可以在出口烟气管道中安装连续测量氨逃逸量的装置进行控制。

SNCR法脱硝以炉膛为反应器,可通过对锅炉进行改造实现,脱硝效率一般为30%~60%,受锅炉结构尺寸影响很大。

b. SCR法脱硝

还原剂(主要使用 NH3)在催化剂作用下,将氮氧化物还原为对大气无污染的氮气和水。“选择性”的是指还原剂NH3有选择地进行还原反应,此处指只选择烟气中的氮氧化物还原

SCR法脱硝通过将氨喷入烟道,并使氨和烟气均匀混合,流过安放有催化剂的反应器,通过控制适宜反应温度,在催化剂的作用下完成还原反应。目前常用的催化剂有V2O5和TiO2,反应温度区间320~400 ℃,通常催化剂负载于载体上,载体的主要作用是提供大的比表面积。SCR法脱硝效率为70%~90%。

c.  SNCR、SCR法联合脱硝

SNCR、SCR法联合脱硝结合了SCR法高效和SNCR法投资省的优点。SNCR、SCR法联合脱硝有两个反应区,第一个反应区即在锅炉炉膛内喷入还原剂,反应原理为SNCR法,实现初步脱硝。然后,未反应完的还原剂进入第二个反应区进一步脱硝,反应原理为SCR法。其优点是比单一的SNCR法脱硝效率高,另外,由于有了初步的SNCR法脱硝,第二步脱硝比单独采用SCR法可以减少催化剂用量,降低费用。

② 低氮燃烧技术

燃煤锅炉影响氮氧化物生成的主要因素包括炉膛温度、氧气质量浓度和停留时间;燃料型氮氧化物的生成量主要取决于空气、燃料混合比,混合比愈大,锅炉中过剩空气系数愈大,则氮氧化物的生成量愈多。

首先要采取燃烧优化技术,降低氮氧化物产生量,同时改善燃烧相关的技术问题,如减少结渣、积灰、降低损耗和提高效率。层燃炉通过改炉拱和合理配风可以实现低氮燃烧。低氮燃烧技术脱硝效率低,脱硝效率难以满足环保需要,一般不作为主要脱硝措施,可以作为辅助脱硝措施。

③ 烟气脱硝技术比较及选择

根据方案比较,以现行锅炉氮氧化物排放质量浓度为400 mg/m3,采用SNCR法脱硝技术基本可以将氮氧化物降低到小于300 mg/m3,重点地区采用SNCR、SCR法联合脱硝可以满足氮氧化物排放质量浓度小于200 mg/m3,因此对于工业锅炉建议采用SNCR法或SNCR、SCR联合脱硝技术。

4   SNCR法脱硝的锅炉设备改造及影响

SNCR法脱硝对锅炉结构的改变不大,对于供热行业大量使用的大型链条锅炉而言,只需在炉膛出口下方2~6 m范围内预留1~2排可穿过炉墙及水冷壁的预留孔,用于安装还原剂喷枪即可,已有锅炉改造也只需现场开孔。

采用SNCR法脱硝使锅炉的热效率有所降低,主要是随氨喷入的水会在高温烟气中蒸发,并最终随烟气排出锅炉,造成排烟热损失增加,对于70 MW的热水锅炉而言,每喷入1 t/h水,锅炉热效率大约降低1%。这与SCR法脱硝实际损失的热量基本相当,且氨水质量浓度越低耗水量越大,热损失也就越大。

5   结语

SNCR法脱硝占地面积小、造价低,反应温度区间适合工业锅炉,脱硝效率完全能够满足GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》对新建燃煤工业锅炉的要求,与低氮燃烧技术配合效果会更好。对于新建或改造燃煤工业锅炉推荐采用SNCR法脱硝技术。

目前SNCR法脱硝国内仅有个别工程做了脱硝试验,运行经验不足,需要对SNCR法脱硝用于工业锅炉做进一步研究及工程试验。