成國(guó)棟,王 志(中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100000)
燃?xì)忮仩t廢氣脫氮方法研究
成國(guó)棟,王 志(中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100000)
在具體的燃燒過(guò)程中鍋爐通常會(huì)將大量的氮氧化物排放出來(lái),其會(huì)導(dǎo)致十分嚴(yán)重的污染問(wèn)題。為了能夠更好的保護(hù)人類的生存和發(fā)展環(huán)境,我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始嚴(yán)格控制這種物質(zhì)的排放,同時(shí)對(duì)氮氧化物的重點(diǎn)控制已經(jīng)明確的納入到“十二五”規(guī)劃中。為此,在燃?xì)忮仩t的生產(chǎn)中必須要認(rèn)真做好廢氣的脫氮處理工作,積極的改進(jìn)廢氣處理的技術(shù)手段,不斷地提升廢氣脫氮的效果。
燃?xì)忮仩t;廢氣脫氮;技術(shù)
近年來(lái),我國(guó)很多城市的NOx污染變得越來(lái)越惡化,甚至出現(xiàn)了大面積的區(qū)域性NOx污染。與此同時(shí),在酸雨污染中NOx也變得越來(lái)越嚴(yán)重,硫酸和硝酸復(fù)合型的酸雨已經(jīng)變成了主要的酸雨類型,其主要原因就是我國(guó)在對(duì)SO2排放進(jìn)行嚴(yán)格控制的同時(shí),并沒(méi)有對(duì)NOx的排放量進(jìn)行有效控制。目前,京津冀地區(qū)多數(shù)燃煤、燃?xì)忮仩tNOx排放不達(dá)標(biāo),面臨淘汰或改造。在這一背景下,針對(duì)燃?xì)忮仩t的廢氣進(jìn)行脫氮處理具有十分重要的意義。
立足于低NOx燃燒技術(shù),當(dāng)前常用的脫氮方法有選擇性催化還原法(又被稱為SCR脫硝)和選擇性非催化還原法(又被稱為SNCR脫硝),主要用于燃煤鍋爐廢氣處理。
1.1 選擇性催化還原法
1.1.1 選擇性催化還原法的基本原理
當(dāng)前技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用有比較廣泛的煙氣脫硫技術(shù),使選擇性催化還原煙氣脫硝法。這種技術(shù)的基本原理是運(yùn)用高溫?zé)煔饷撓跹b置來(lái)進(jìn)行脫硝,脫硝劑一般為氨氣。通過(guò)脫硝劑的作用,煙氣中的NOx會(huì)被分解成為水和氮?dú)猓瑥亩档驼麄€(gè)煙氣中的NOx的含量。選擇性催化還原法的溫度范圍是280~420℃,在該溫度范圍內(nèi)該方法能夠發(fā)揮較好的作用。假設(shè)NH3/NO為1,該方法的脫硝效率達(dá)到80~90%[1]。
事實(shí)上,煙氣中的NOx濃度并不高,但是煙氣往往具有較大的體積,因此選擇性催化還原脫硝裝置必須配備高性能的催化劑,保障燃?xì)忮仩t運(yùn)行的安全性和可靠性。
選擇性催化還原法,具有兩種不同的布置方式,為低飛灰和高飛灰,二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。脫硫裝置安裝于煙氣脫硫裝置或除塵器之后的是低飛灰方式。其優(yōu)點(diǎn)在于一套脫硫裝置可以供幾臺(tái)鍋爐共同使用,而且可以有效地除掉飛灰中的有害物質(zhì),使催化劑的使用壽命得以延長(zhǎng),減小磨損量和飛灰的含量,同時(shí)可以減少柵格的橫截面積,減少催化劑的用量,增加有效反應(yīng)面。但是低飛灰方式具有較低的煙氣溫度出口的溫度,一般不超過(guò)130℃,為了使其能夠達(dá)到相應(yīng)的溫度范圍,必須安裝外加熱源,因此僅適用于小型工業(yè)鍋爐。如果鍋爐的機(jī)組較大,產(chǎn)生的煙氣量過(guò)多,要將這些煙氣全部加熱至280℃以上,會(huì)造成成本投入的大量增加[2]。
脫硫裝置安裝于電除塵器之前的是高飛灰方式,如果鍋爐機(jī)組的運(yùn)行正常,那么高飛灰方式能夠?qū)Ψ磻?yīng)需要的溫度進(jìn)行滿足。如果機(jī)組運(yùn)行的負(fù)荷較低,也需要運(yùn)用外熱源。高飛灰方式需要較多的催化劑用量,這是由于其有效反應(yīng)面積較小,而飛灰的含量有較大。由于飛灰的含量較高,因此其磨損量較大,一些有害物質(zhì)還可能造成催化劑的中毒。相對(duì)而言,高飛灰方式是一種較為經(jīng)濟(jì)的方式,常用于燃煤電站。
1.1.2 選擇性催化還原法的工藝流程
選擇性催化還原法的工藝流程見(jiàn)圖1。卸料壓縮機(jī)會(huì)將液氮槽車中的液氮,輸入到液氮儲(chǔ)槽之中,液氮會(huì)在液氮儲(chǔ)槽中被蒸發(fā),成為氨氣,輸送管道和氨緩沖槽會(huì)將氨氣輸送到燃?xì)忮仩t中,氨氣會(huì)與空氣接觸并混合,通過(guò)分布導(dǎo)閥進(jìn)入反應(yīng)器的內(nèi)部。在空氣預(yù)熱器前放置選擇性催化還原反應(yīng)器,該反應(yīng)器的上方會(huì)被輸入氨氣,運(yùn)用噴霧裝置,使煙氣和氨氣均勻地混合在一起,在通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)的觸媒層來(lái)對(duì)煙氣產(chǎn)生還原反應(yīng),具體見(jiàn)圖1。
圖1 選擇性催化還原法的工藝流程圖
催化劑上會(huì)附著一種粘性的物質(zhì),也就是NH4HSO4阻止反應(yīng)的進(jìn)行。需要至少230℃的溫度才能將NH4HSO4分解掉,一般情況下反應(yīng)溫度要達(dá)到300℃,除非燃料的含硫量較低,則可適當(dāng)?shù)慕档头磻?yīng)溫度。然而催化劑如果長(zhǎng)期處于超過(guò)400℃的高溫中,很可能會(huì)被燒結(jié)。因此在使用選擇性催化還原法是應(yīng)該合理的控制反應(yīng)溫度,以300~400℃之間為宜。
但是在滿足了反應(yīng)溫度的要求之后,由于該裝置位于除塵器之前,具有較高的飛灰濃度,催化劑之間的空隙很容易被飛灰所堵塞。因此還應(yīng)該注意合理地布置催化劑,或者增設(shè)吹灰裝置,使煙氣流動(dòng)的孔隙增大。
1.2 選擇性非催化還原法
1.2.1 選擇性非催化還原法的基本原理
在950~1100℃的高溫?zé)煔庵袊娚溥€原劑,常用的還原劑是尿素或者氨,利用還原劑來(lái)還原高溫?zé)煔庵械腘Ox,使其成為N2。選擇性非催化還原法的脫NOx率約為40~60%。為了提高使用效果,還可以加入增強(qiáng)劑。
選擇性非催化還原法具有較好的脫NOx率,而且煙氣中SO2的氧化率也不會(huì)有所提高,所以投資相對(duì)較少不會(huì)增加,煙氣中SO3的濃度也不會(huì)有所增加。空氣預(yù)熱器不會(huì)由于NH3HSO4而受到腐蝕或堵塞。在鍋爐內(nèi)的分布性能方面,尿素相對(duì)于氨具有一定的優(yōu)勢(shì),其不屬于危險(xiǎn)化學(xué)藥品,只是一般化學(xué)藥品,因此尿素作為還原劑的使用率較高。
1.2.2 選擇性非催化還原法的工藝流程
圖2是選擇性非催化還原法的工藝流程示意圖,其中使用的還原劑是尿素。循環(huán)模塊會(huì)將貯槽中的尿素送出來(lái),由計(jì)量泵將其送至混合器,而增壓水泵會(huì)像混合器中注水。尿素與水會(huì)進(jìn)行充分的混合,形成尿素稀釋溶液,分配模塊將溶液輸送至噴射器與煙氣進(jìn)行反應(yīng)。爐膛內(nèi)的溫度較高,為了避免對(duì)噴嘴造成損壞,噴嘴的外部要加設(shè)不銹鋼制成的冷卻空氣套管,并與霧化室相連。冷卻空氣套管中的空氣噴射應(yīng)該保持低壓力或低流量,不要使噴嘴和腐蝕性的煙氣直接接觸[3]。
目前選擇性催化還原法大多應(yīng)用于火電站等電站系統(tǒng)燃煤鍋爐。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō),選擇性催化還原法在美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的火電廠中應(yīng)用得較為廣泛,這是由于其能夠達(dá)到90%以上的脫硝效率,經(jīng)濟(jì)效益較好。
圖2 選擇性非催化還原法的工藝流程示意圖
選擇性催化還原法在火力發(fā)電機(jī)組和燃煤鍋爐上的應(yīng)用,需要考慮除塵器(燃煤產(chǎn)生廢氣中含有大量高溫?zé)焿m顆粒物)的工藝環(huán)節(jié),以及除塵單元在整個(gè)工藝流程中的布置位置(高飛灰或低飛灰布置),燃?xì)忮仩t含硫量和煙塵量都很少,不需要考慮除塵工藝;火電站等大型燃煤鍋爐煙氣溫度較高,一般可達(dá)300~500℃,而普通未經(jīng)節(jié)能改造的燃?xì)忮仩t,排煙溫度在160~250℃,進(jìn)行節(jié)能后,煙氣溫度更低,一般在120~150℃左右,并且相比較柴油機(jī)廢氣、燃煤發(fā)電機(jī)組廢氣而言,鍋爐廢氣中氮氧化物濃度較低。
基于以上兩點(diǎn),傳統(tǒng)的選擇性催化還原法并不適用于燃?xì)忮仩t廢氣脫氮。本文對(duì)一種新型燃?xì)忮仩t脫氮系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹,該系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。
圖3 新型燃?xì)忮仩t廢氣脫氮工藝流程示意圖
本系統(tǒng)包括尾氣排放裝置、余熱回收裝置、SCR凈化器、霧化系統(tǒng)、加熱器、燃?xì)忮仩t,通過(guò)廢氣排放管道,將以上設(shè)備依次連接。一般燃?xì)忮仩t排放的廢氣溫度都要達(dá)到160~250℃,而該系統(tǒng)能夠運(yùn)用電加熱裝置,將氣體加熱至300~350℃,然后將其輸送至SCR凈化器中,使用霧化系統(tǒng),噴入霧化后的還原劑尿素水溶液,并使SCR凈化器內(nèi)部保持300~350℃的溫度,從而滿足廢氣脫氮催化溫度。處理后的廢氣通過(guò)余熱回收裝置對(duì)廢氣熱量進(jìn)行回收和利用,廢氣溫度降至90~110℃之后,通過(guò)尾氣排放裝置將其排除出去[4]。
燃?xì)忮仩t廢氣相比較柴油機(jī)廢氣、燃煤發(fā)電機(jī)組廢氣而言其污染物種類和濃度均有較大差別,因此傳統(tǒng)選擇性催化還原法在燃?xì)忮仩t脫氮上的應(yīng)用仍需繼續(xù)進(jìn)行深入研究和實(shí)踐。
[1]王開(kāi)和.哈密基地鍋爐煙氣除塵脫硫技術(shù)研究[J].區(qū)域供熱,2016(05).
[2]焉海波.火電廠鍋爐煙氣脫硫脫氮技術(shù)分析[J].科技與創(chuàng)新,2016(08).
[3]魏中華,孫珮石,鄒 平,畢曉伊,姜 閱,任洪強(qiáng),王艷茹.稀土元素對(duì)生物塔煙氣同時(shí)脫硫脫氮的強(qiáng)化作用[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2016(04).
[4]徐鐵華,王 龍.基于尿素法的火電廠鍋爐煙氣脫硫脫氮技術(shù)[J].通訊世界,2016(05).
X701
A
2095-2066(2016)32-0011-02
2016-11-1
成國(guó)棟(1987-),男,山西呂梁人,工程師,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境工程、環(huán)境影響評(píng)價(jià)。
王 志(1972-),男,山東濰坊人,研究員,本科,研究方向?yàn)榄h(huán)境工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)。