氮氧化物污染控制3.ppt

第9章氮氧化物污染控制 1 氮氧化物的性质及来源2 燃烧过程中氮氧化物的形成机理3 低氮氧化物燃烧技术4 烟气脱硝技术 1氮氧化物的性质及来源 1952年 洛杉矶上空笼罩在浅蓝色的烟雾之中 这是在强烈阳光照射下 污染物发生的化学反应 400多名老人因此丧失了生命 附近农作物一夜之间严重受害 6 5万公顷的森林 29 严重受害 33 中等受害 其余38 也受轻度损害 美国光化学烟雾对农业和林业的危害曾波及27个州 之后 日本 英国 德国 澳大利亚先后出现过光化学污染 我国兰州 上海也发生过类似的光化学烟雾事件 氮氧化物 NOx 普通人并不熟悉的名字 它 就是上述光化学烟雾的罪魁祸首 它还会造成大气层中臭氧含量减少 引发硝酸雨 致使人们感染气喘病 肺水肿 鼻炎 头痛等疾病 据测算 每燃烧一吨煤 就要产生5 30kg氮氧化物 可我国能源结构中有70 80 由煤的燃烧来提供 煤炭高温燃烧成为我国排放氮氧化物的主要来源之一 1氮氧化物的性质及来源 就全球来看 空气中的氮氧化物主要来源于天然源 但城市大气中的氮氧化物大多来自于燃料燃烧 即人为源 如汽车等流动源 工业窑炉等固定源 据计算 各种燃料燃烧产生的氮氧化物量为 1吨天然气 6 35公斤1吨石油 9 1 12 3公斤1吨煤 8 9公斤而以汽油 柴油为燃料的汽车 尾气中氮氧化物的浓度相当高 在非采暖期 北京市一半以上的氮氧化物来自机动车排放 氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐 随着降水和降尘从空气中去除 硝酸是酸雨的原因之一 它与其它污染物在一定条件下能产生光化学烟雾污染 1氮氧化物的性质及来源 NOx包括N2O NO N2O3 NO2 N2O4 N2O5大气中NOx主要以NO NO2的形式存在氮氧化物 NOX 种类很多 造成大气污染的主要是一氧化氮 NO 和二氧化氮 NO2 因此环境学中的氮氧化物一般就指这二者的总称 NOx的性质N2O 单个分子的温室效应为CO2的200倍 并参与臭氧层的破坏NO 大气中NO2的前体物质 形成光化学烟雾的活跃组分 不同浓度的NO2对人体健康的影响 一些大城市对空气中NO含量的测定 NO2浓度的日变化 1氮氧化物的性质及来源 NOx的性质 续 NO2 强烈刺激性 来源于NO的氧化 酸沉降NOx的来源固氮菌 雷电等自然过程 5 108t a 人类活动 5 107t a 燃料燃烧占90 95 以NO形式 其余主要为NO2 1氮氧化物的来源 1氮氧化物的来源 2燃烧过程NOx的形成机理 在氮氧化物中 NO占有90 以上 二氧化氮占5 10 产生机理一般分为如下三种 燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx热力型NOx高温下N2与O2反应生成的NOx瞬时NO低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO 一 热力型NOx形成的热力学 1 热力型NOx的生成浓度与温度的关系产生NO和NO2的两个重要反应上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响平衡时NO浓度随温度升高迅速增加 1 热力型NOx的生成浓度与温度的关系 一 热力型NOx形成的热力学 平衡常数和平衡浓度 一 热力型NOx形成的热力学 2 NO与NO2之间的转化平衡常数和平衡浓度 一 热力型NOx的形成的热力学 上述数据说明 室温条件下 几乎没有NO和NO2生成 并且所有的NO都转化为NO2800K左右 NO与NO2生成量仍然很小 但NO生成量已经超过NO2常规燃烧温度 1500K 下 有可观的NO生成 但NO2量仍然很小 一 热力型NOx形成的热力学 3 烟气冷却对NO和NO2平衡的影响烟气冷却过程中 根据热力学计算 NOx应主要以NO2的形式存在 但实际90 95 的NOx以NO的形式存在 主要原因在于动力学控制 NO NOxRatioboilervehiclesnaturegas0 9 1 0internalcomb engine0 99 1 0coal0 95 1 06 fueloil0 96 1 0dieselengine0 77 1 0 二 热力型NOx形成的动力学 Zeldovich 捷里多维奇 模型燃烧时 空气中氮在高温下氧化产生 其中的生成过程是一个不分支连锁反应 其生成机理可用捷里多维奇 Zeldovich 反应式表示 随着反应温度T的升高 其反应速率按指数规律增加 当T1500oC时 T每增加100oC 反应速率增大6 7倍 二 热力型NOx形成的动力学 Zeldovich 捷里多维奇 模型 在高温下总生成式为 NO生成的总速率 二 热力型NOx形成的动力学 Zeldovich 捷里多维奇 模型 三 瞬时反应型 快速型 快速型NOx是1971年Fenimore 费尼莫尔 通过实验发现的 在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时 在反应区附近会快速生成NOx 由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N 再进一步与氧气作用以极快的速度生成 其形成时间只需要60ms 所生成的与炉膛压力0 5次方成正比 与温度的关系不大 上述两种氮氧化物都不占NOx的主要部分 不是主要来源 四 燃料型NOx的形成由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成 由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度 在600 800oC时就会生成燃料型 它在煤粉燃烧NOx产物中占60 80 在生成燃料型NOx过程中 首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N CN HCN和等中间产物基团 然后再氧化成NOx 由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成 故燃料型的形成也由气相氮的氧化 挥发份 和焦炭中剩余氮的氧化 焦炭 两部分组成 燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图 热解温度对燃料N转化为挥发分N比例的影响 煤粉细粒对燃料N转化为挥发分N比例的影响 过量空气系数对燃料N转化为挥发分N比例的影响 如上所述 NOx的生成和破坏规律十分复杂 而影响NOx转化率的因素又很多 所以对燃料型NOx的转化率进行理论计算非常困难 但目前已建立数百个与NOx生成规律及其破坏有关的化学反应在内的数学模型 日本丰桥大学在试验研究的基础上得出燃料型NOx的转化率CR和燃料中含氮量N 干基 挥发分含量V 干基 过量空气系数 燃烧时的最高温度Tmax oC 和燃烧时氧的浓度RO2的经验公式 CR 4 07 10 1 1 28 10 1N 3 34 10 4V2 1 5 55 10 4Tmax 3 50 10 3RO2 燃料型NOx的转化率CR 定义燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中氮全部转化成NO时的浓度比为燃料型NOx的转化率CRCR 最终生成的NO浓度 燃料全部转化成NO的浓度 试验研究表明 影响CR的主要因素是煤种特性以及炉内的燃烧条件 从热力型 燃料型和快速型三种NOx生成机理可以得出抑制NOx生成和促使破坏NOx的途径 图中还原气氛箭头所指即抑制和促使NOx破坏的途径 NOx的形成 3低NOx燃烧技术凡通过改变燃烧条件来控制燃烧关键参数 以抑制生成或破坏已生成的达到减少排放的技术称为低燃烧技术 煤的燃烧方式对NO排放的影响探讨生成规律可以知道 NO的生成及破坏与以下因素有关 a 煤种特性 如煤的含氮量 挥发份含量 空气 燃料比等 b 燃烧区温度及其分布 c 燃烧区温度及其分布 炉膛内反应区烟气的气氛 即烟气内氧气 氮气 NO和CHi的含量 d 燃烧器形状 燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间 不同燃煤设备所生成的NOx的原始排放值及为达到环境保护标准所需的NOx降低率 举例 固态除渣煤粉炉 当要求NOx排放值为650mg m3时 所需的NOx降低率为36 低NOx排放主要技术措施1 改变燃烧条件 包括低过量空气燃烧法 空气分级燃烧法 燃料分级燃烧法 烟气再循环法 2 炉膛喷射脱硝 包括喷氨及尿素 喷入水蒸汽 喷入二次燃料 3烟气脱硝 1 干法脱硝 烟气催化脱硝 电子束照射烟气脱硝 2 湿法脱硝 低过量空气燃烧 使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行 但如果氧含量 浓度 3 时 会使CO浓度剧增 使热效率降低 此外 低氧浓度会使炉膛内的某些地区成为还原性气氛 从而降低灰熔点引起炉壁结渣与腐蚀 3低NOx燃烧技术 一 传统低NOx燃烧技术1 低氧燃烧降低NOx的同时提高锅炉热效率CO HC 碳黑产生量增加 传统低NOx燃烧技术 2 降低助燃空气预热温度燃烧空气由27oC预热到315oC NO排放量增加3倍 传统低NOx燃烧技术 3 烟气循环燃烧降低氧浓度和燃烧区温度 主要减少热力型NOx 传统低NOx燃烧技术 4 两段燃烧技术第一段 氧气不足 烟气温度低 NOx生成量很小第二段 二次空气 CO HC完全燃烧 烟气温度低 二 先进的低NOx燃烧技术 原理 低空气过剩系数运行技术 分段燃烧技术1 炉膛内整体空气分级的低NOx直流燃烧器炉壁设置助燃空气 OFA 燃尽风 喷嘴类似于两段燃烧技术 二 先进的低NOx燃烧技术 2 空气分级的低NOx旋流燃烧器一次火焰区 富燃 含氮组分析出但难以转化二次火焰区 燃尽CO HC等 二 先进的低NOx燃烧技术 3 空气 燃料分级的低NOx燃烧器空气和燃料均分级送入炉膛一次火焰区下游形成低氧还原区 还原已生成的NOx 4烟气脱硝技术 脱硝技术的难点处理烟气体积大NOx浓度相当低NOx的总量相对较大 炉膛喷射脱硝已生成的一氧化氮 以降低的排放量 包括喷水法 二次燃烧法 喷氨法 喷水法反应为 但一氧化氮氧化较困难 需喷入臭氧或高锰酸钾 不现实 喷二次燃料 即前述燃料分级燃烧 但二次燃料不会仅选择NO反应 它还会与氧气反应 使烟气温度上升 炉膛喷射脱硝喷氨法 尿素等氨基还原剂 由于氨只和烟气中反应 而一般不和氧反应 这种方法亦称选择性非催化剂吸收 SNCR 法 但不用催化剂 氨还原NO仅在950 1050这一狭窄范围内进行 故喷氨点应选择在炉膛上部对应位置 采用炉膛喷射脱硝 喷射点必须在950 1050摄氏度之间 喷入的氨与烟气良好混合是保证脱硝还原反应充分进行 使用最少量氨达到最好效果的重要条件 炉膛喷射脱硝若喷入的氨未充分反应 则泄漏的氨会到锅炉炉尾部受热面 不仅使烟气飞灰容易沉积在受热面 且烟气中氨遇到三氧化硫会生成硫酸氨 粘性 易堵塞空气预热器 并有腐蚀危险 总之 SNCR喷氨法投资少 费用低 但适用范围窄 要有良好的混合及反应空间 时间条件 当要求较高的脱除率时 会造成氨泄漏过大 选择性非催化脱硝法 SNCR 炉墙上多层氨喷口位置示意图 4烟气脱硝技术各种低燃烧技术是降低燃煤锅炉排放值最主要亦较经济的技术 但一般只降低排放50 左右 据环保法对排放的要求 应低于40 方可 故应考虑燃烧后的烟气脱硝处理技术 干法烟气脱硝 包括使用催化剂来促进还原反应的选择性催化脱硝法 SCR 电子束照射法和同时脱硫脱硝法 一 选择性催化还原法 SCR 烟气SCR脱硝法采用催化剂促进氨与还原反应 若使用钛和铁氧化物类催化剂 其反应温度为300oC至400oC 当采用活性焦炭时 其反应温度为100oC至150oC 根据CATA 反应器在锅炉尾部烟道的位置 有三种方案 1 在空气预热器前350摄氏度位置 2 在静电除尘器和空气预热器之间 3 布置在FGD 湿法烟气脱硫装置 之后 4烟气脱硝技术 SCR喷氨法催化剂反应器 SCR反应器 置于空气预热器前的高尘烟气中 锅炉 静电除尘器 SCR反应器 空气预热器 NH3储罐蒸发器 去湿法烟气脱硫系统 NH3 空气 NH3 NH3 空气 此时 烟气中含有飞灰 二氧化硫 故反应器在 不干净 的高尘烟气中 但此处温度在300到500oC之间 适用于多数催化剂 但寿命受下列因素影响 烟气飞灰中Na K Ca Si As会使催化剂中毒或污染 飞灰对催化剂反应器的磨损和使催化剂反应器蜂窝堵塞 如烟气温度升高 会使CATA 烧结或使之再结晶失效 如烟气温度降低 氨会和三氧化硫生成硫酸氢铵 堵塞烟道 高活性CATA 会使二氧化硫氧化成三氧化硫 一 选择性催化还原法 SCR SCR喷氨法催化剂反应器置于空气预热器与静电除尘器之间 锅炉 静电除尘器 SCR反应器 空气预热器 NH3储罐蒸发器 NH3 NH3 空气 湿法烟气脱硫系统 空气 去烟囱 空气 SCR喷氨法催化剂反应器布置在FGD 湿法烟气脱硫装置 之后 锅炉 静电除尘器 SCR反应器 空气预热器 NH3储罐蒸发器 NH3 NH3 空气 湿法烟气脱硫系统 空气 气 气加热器 去烟囱 空气 气 油燃烧器或蒸汽换热器 布置在静电除尘器和空气预热器之间布置在FGD 湿法烟气脱硫装置 之后其优点显而易见 此时可使用高活性CATA 且结构紧凑 其寿命较长 问题 反应器在FGD之后 温度仅有50 60度 故需加热升温 与SNCR一样 SCR也应注意喷氨量的控制 一 选择性催化还原法 SCR 4烟气脱硝技术 一 选择性催化还原法 SCR 催化剂 贵金属 碱性金属氧化物还原反应潜在氧化反应 4烟气脱硝技术 一 选择性催化还原法 SCR 4烟