锅炉脱硝的原理和技术.doc

锅炉脱硝的原理和技术第l6卷第1期2006年3月湖南工程学院JournalofHunanInstituteofEngineeringVO1.16.No.1Mar.2006锅炉脱硝的原理和技术刘向龙,龚福华,娄小铁,郑文亨(湖南工程学院建筑工程系,湖南湘潭411104)摘要:我国现今的能源结构以煤炭为主,这种大量使用煤炭的方式,还造成了大量的NOx,S0和CO2排入大气,酸雨日益严重,大气环境不断恶化.随着西气东输战略的实施,天然气再燃降低NOx排放成为可能.天然气再燃具有脱硝效果好,价格低廉,适合我国国情等特点,同时因燃料特性不同会使炉膛黑度减小,火焰中心位置降低,水冷壁热有效系数增加,理论燃烧温度上升,给锅炉燃烧特性带来一定影响.关键词:天然气;再燃;脱硝中图分类号:TKll文献标识码:A文章编号:1671119X(2006)010080830引言我国现今的能源结构以煤炭为主,这种大量使用煤炭的方式,不仅给水陆交通运输带来了压力,还造成了大量的NOx,sch和co2排人大气,酸雨日益严重,大气环境不断恶化.据估计,大气中约70%的NOx来自于煤炭的燃烧.锅炉燃烧过程中生成的氮氧化物主要由NO和N02,通常把这两种氮氧化物称为NOx,其中NO占90%以上.在煤燃烧过程中,生成NOx的途径有三个:热力NOx;快速No)(.对于燃煤锅炉来说,通常燃料No)(占70%至85%;热力型NOx占15%至25%;其余为快速NOx,比例很小.NOx是一种危害大,难处理的大气污染物,它不仅刺激人的呼吸系统,损害动植物,破坏臭氧层,而且是引起温室效应,酸雨和光化学反应的主要物质之一.因此,开展对NOX排放的治理具有极其重要的意义.目前国内燃煤机组的NOx排放量一般是700-800mg/Nm3,1999年我国NOx的排放标准是600mg/Nm3,而欧的排款猢嘲小.我国与欧美发达国家相比,在控制N排放量方面还相差很远.因此,要控制火电厂N的排放量,使其达到发达匡豸冰平,还需开发新的适合我国国情的燃煤锅炉卜控制技术.1降低N0x排放的技术降低燃煤产生的NOx有两种方式:一是尾部烟气脱硝技术,二是低NOx燃烧技术.目前国外较多的采用选择性催化技术(scR)和选择性非催化技术(SNCR)除去尾气中的NOx引.一般采用低氧燃烧,烟气再循环,低NOx燃烧器,空气分级和燃料分级等低NCI)(燃烧技术来降低NCI)(排放.1.1烟气脱硝技术烟气脱硝技术是根据NO具有氧化,还原和吸附的特性所采取的脱氮方法,包括干法烟气脱硝和湿法烟气脱硝.干法,即还原法,是采用还原剂(NH3,CH4,H2,CO等)将NO和NCh还原成N2,包括选择性催化还原技术(SelectiveCatalyticReduction,SCR),选择性非催化还原技术(SelectiveNoncatalyticReduction,SNCR)和电子束照射技术等;湿法,即氧化法,是将NO先氧化成N02,然后使NCh溶于水而变成硝酸.湿法脱硝虽然效率很高,但系统复杂而且用水量大并有水的污染,因此在燃煤锅炉上很少被采用.综合考虑技术可靠性,初投资,运行费用与脱氮效率等因素,在国外发达国家被大规模工业应用的是SCR和SNCR技术,这里着重介绍这两种技术.1.1.1选择性催化还原技术(SCR)该技术常采用NH3作为还原剂,将NOx还原收稿日期:20050703作者简介:刘向龙(1978一),男,硕士,讲师,研究方向:再燃生物质能第1期刘向龙等:锅炉脱硝的原理和技术81成N2.NH3具有选择性,它只和N0x发生作用,而不与烟气中的氧进行反应.如果采用其它还原剂,如,H2,CO等,它们还和氧起反应,因而会消耗更多的还原剂,并使烟温升高.无催化剂时,这个反应的最佳温度为9001000,若高于此温度,很大部分的N将反应生成NO;若低于此温度,则其反应速度很小.采用催化剂时,其反应的温度可控制300400,相当于将NH3喷入锅炉省煤器与空气预热器之间的烟气中.此时可得到80%9O%的脱硝率(N3与NO之比为0.85-0.95).通常采用二氧化钛为机体的碱金属催化剂,其最佳烟温为300400,即相当于锅炉省煤器出口处.烟温低于300时,NH与烟气中的933反应生成粘结的液体,沉积于催化剂上,使其活性降低.对于NH3的用量来说,如果NH3太少,不能达到预期的脱硝效果;N太多,也没必要,而且会造成NH3泄漏.1.1.2选择性非催化还原技术(SNCR)选择性非催化还原技术一般采用炉内喷氨(NH3),尿素(CO(NH2)2)或氢氨酸(HCNO)3)作为还原剂,还原NO,其原理与前述的SCR技术相同,所不同的是不用催化剂,还原剂喷入点一般处于高温区.该技术由于不用催化剂,故设备和运行费用较少,但还原剂消耗量较大,并要保证反应温度和停留时间,其脱销率比SCR技术较低一些(5O%80%).1.2低NoX燃烧技术1.2.1低过量空气燃烧技术该技术使燃烧过程尽可能地在接近理论空气量地条件下进行.随着烟气中过量氧的减少,可以抑制NOx的生成,这是一种最简单的降低排放的方法.一般来说,采用低过量空气燃烧可以降低l5%左右的NOx排放量.但是采用这种技术有一定的限制条件,如炉内氧的浓度过低,低于3%时,会造成CO浓度的急剧增加,从而大大增加化学未燃烧热损失;同时,也会引起飞灰含碳量的增加,导致机械未完全燃烧热损失增加,燃烧效率将会降低.此外,低氧浓度会使得炉膛内某些地区成为还原性气氛,从而会降低灰熔点引起炉膛结渣与腐蚀.因此,低过量空气燃烧技术的实际运行中,必须组织好炉内空气动力场,使燃料和空气充分混合,若锅炉运行中保证排烟过量空气系数约为1.251.30,则烟气中CO浓度既不会太高,NOx的排放亦较低.1.2.2空气分级燃烧技术空气分级燃烧技术是美国在上世纪50年代首先发展起来的,它是目前使用最为普遍的低NOx燃烧技术之一.空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段来完成.第一阶段,将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70%75%(相当于理论空气量的80%左右),使燃烧先在缺氧的富燃料条件下燃烧.此时,第一级燃烧区内过量空气系数a<l,因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平.因此,不但延迟了燃烧过程,而且还在还原性气氛中降低了生成Nox的反应率,抑制了NOx在这一燃烧区中的生成量.为了完成全部燃烧过程,其余空气则通过布置在主燃烧器上部的专门的空气喷13OFA(OverFireAir)称为火上风喷口送入炉膛,与第一级燃烧区在贫氧燃烧条件下所产生的烟气混合,在a>1条件下完成全部燃烧过程.由于整个燃烧过程所需的空气是分两级供入炉内,使整个燃烧过程分两级进行,故称之为空气分级燃烧技术.这一技术弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点,但若第一级和第二级的空气比例分配不当,或炉内混合条件不好,仍然会增加不完全燃烧损失.同时,煤粉炉第一级燃烧区得还原气氛也存在着使灰熔点降低而引起结渣,或引起受热面腐蚀的问题.1.2.3烟气再循环技术烟气再循环降低NOx排放量也是目前使用较多的技术.它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气,或直接送入炉膛,或与一次风,二次风混合后送入炉内,这样不但可以降低燃烧温度,而且也稀释了氧浓度,使燃烧速度和炉内温度降低,因而热力No)(减少.因此,烟气再循环技术特别适用于燃用含氮量少的燃料.该技术的缺点是,由于大量烟气流过炉膛,缩短了烟气在炉内停留时间,且其脱销率较低,一般在25%35%之间.1.2.4低NOx燃烧器通过特殊设计的燃烧器结构,以及通过改变燃烧器的风煤比例,可以将空气分级,燃料分级和烟气再循环降低NOx浓度的原理应用于燃烧器,以尽可能地降低着火区氧的浓度,适当降低着火区的温度,达到最大限度地抑制NOx生成目的.这就是低NOx燃烧器.因此,低NOx燃烧器不仅要能保证煤粉着火和燃烧的需要,而且要能有效地抑制NOx的82湖南工程学院2006矩生成.根据所采取的措施的不同,各种不同类型的低NOx燃烧器可以达到的NOx降低率一般在30%60%之问.尽管该技术最大可降低60%的NOx排放量,但同时也带来了燃烧效率下降,炉内结渣和高温腐蚀等问题.由于存在上述缺点,美国已不再继续推广使用低NOx燃烧器.1.2.5燃料分级燃烧降低NOx排放技术在上述介绍的多种脱氮技术中,SCR,SNCR技术能大幅度地把NOx排放量降低到200rr/Nm3以下,因而受到发达国家的青睐,被大规模的工业应用.但是由于它们都是对燃烧后的烟气进行处理,因而均需要额外的设备及场地.且SCR技术由于需要价格昂贵的催化剂,因而运行费用高;而SNCR技术的有效反应温度范围狭窄.各种低NOx燃烧技术与尾部烟气脱硝相比,具有应用广泛,简单,经济等特点,而且对于即使因为排放标准的原因而采用烟气脱硝的机组来说,低NOx燃烧技术的实施也可以提高烟气脱硝的效率和降低其成本.考虑到我国目前的国情,在今后一段时期内,我国更适合发展投资少且比较有效的低NOx燃烧技术.其中燃料分级燃烧技术,即再燃技术,是有效的降低NOx的炉内脱氮技术,它可以使NOx排放降低50%以上,高于其它传统的低NOx燃烧技术,它是低燃烧NOx技术中正在发展的一种先进的,十分有效的脱氮方法.采用再燃技术降低燃煤锅炉NOx的排放,其原理就是向锅炉炉膛火焰中心上部喷人再燃燃料,使其与来自炉膛下部高温火焰中心的燃料型NOx反应,使No)(还原成N2,同时生成CO;随后在喷射点上部温度稍低的区域补人部分空气,再将燃烬.燃料再燃脱硝的实际上是燃料分级燃烧,其燃烧过程可分为主燃烧区,再燃区和燃烬区.在主燃烧区中,空气过量系数大于1,主燃料充分燃烧生成NOx.再燃区中过量空气系数小于1,将已生成的NOx还原.在燃烬区中,过量空气系数大于1,将生成的CO充分燃烧.再燃燃料须是低N高挥发份燃料,如天然气,超细煤粉和氨等,其中天然气是一种较为理想的再燃燃料,因为它本身不含氮,cI-h浓度大,故只起还原作用,而不生成NOx引.同时它本身又容易燃烧,热值高,对煤粉燃烧的影响不大,且能提高锅炉运行效率,也不存在炉内结渣,高温腐蚀等其它低NOX燃烧技术带来的不良现象.其他几种利用天然气降低NOx的再燃技术:高级天然气再燃(AGR)【5j,在再燃区域下游添加含氮的催化剂,例如氨和尿素.该技术有两种一种是非增效AGR(nonsynergisticAGR)主要是将SNCR(选择性非催化降NOx)与天然气再燃串连构成.这种联合形式当天然气热量输入为10%18%,NOx可减少67%76%.第二种是更接近常规再燃的增效AGR(synergisticAGR),这种方式是将OFA与氮催化剂一起送人对流烟道.淡燃天然气再燃(HR),在总体为淡燃料的条件下,不需加入OFA(燃尽空气),依靠喷入天然气来降低NOx排放,既无助燃空气也无烟气再循环.一般来说,使用该技术只需将天然气喷入3%7%,NOX可减少35%45%同时不会影响燃烧产物.胺增强淡燃料天然气再燃(AEFLGR),该技术是FLGR和SNCR的组合,天然气和与含尿素液态反应剂一起,从主燃烧区上方喷人炉膛.天然气中的HO根和尿素中的HN根的结合使用与单独使用相比能大大提高降低NOx的能力.因此,天然气再燃技术降低NOx排放,具有效果好,技术成熟,投资较少,无二次污染等优点.随着我国西气东输工程的实施,天然气在电力行业的应用比例逐渐增加,这使我国电站锅炉大量使用天然气作为再燃燃料降低NOx排放成为可能.2天然气再燃对锅炉热力性能的影响天然气的燃料特性与煤存在极大差异,在炉膛上方加入一定景的天然气再燃,会对锅炉热力性能产生一定影响,从而引起锅炉出口汽温的变化.2.1天然气的燃料特性天然气主要由甲烷组成,其含量约占95%,此外,还有少量的N2,H2等气体.因CH4中的含氢量很高,故天然气热值很高,发热量一般为3500040000kJ/ms【6j6.天然气是一种清洁能源,燃烧后的烟气无需经过除尘,脱硫处理.此外,由于天然气燃烧后产生大量的水蒸汽,还可进一步降低排烟温度回收烟气中水蒸汽的汽化潜热,以进一步提高锅炉的效率.2.2天然气再燃对过热器与再热器出口汽温的影响从炉膛上方喷入一定量的天然气再燃,受热面的清洁度增加,灰污系数减小,这样会增强烟气传热;天然气所需的过量空气系数较燃煤时小,这样会第1期刘向龙等:锅炉脱硝的原理和技术83使增强炉内辐射传热;天然气容易着火,燃烧速度会降低烟气辐射能力.此外,天然气中H含量很大,快,所以火焰中心要比煤粉炉低得多,也会增强炉内导致烟气中的水蒸汽及三原子气体含量比燃煤粉时传热;气体燃料的火焰发光性差,辐射传热效果差,高,会增强烟气的辐射能力.表1某型1025t锅炉天然气再燃引起锅炉主要参数变化从上表可以看出,天然气再燃会使锅炉效率增加,理论燃烧温度升高,火焰中心位置下降,炉膛黑度降低,上述因素的综合影响是,炉膛出口烟温下降.由于上表是通过理论计算得出的结果,对火焰中心位置系数采用的是混烧进行比例叠加,而在实际运行过程中,由于锅炉再燃是天然气从炉膛上方喷入,会使火焰中心位置升高,火焰中心位置系数减小,炉膛出口烟温降低.因此,再燃后由于锅炉燃烧状况发生变化,还需对炉膛火焰中心位置系数进行修正.3结论(1)SCR和SNCR技术是高效的脱硝技术,但其运行费用太高,不大适合我国的实际情况.(2)相对于其它炉内脱销技术,采用再燃技术降低燃煤锅炉N0)(的排放,具有效果好,技术成熟,投资较少,无二次污染等优点,且再燃燃料以天然气为最佳.(3)天然气再燃因燃料特性及燃烧方式发生变化,原有的计算方法还需进一步修正.参考文献1韩才元,徐明厚,等.煤粉燃烧M.北京:科学出版社,20O1.2刘文莹.低拄制新技术J.环保技术,2001,(1):59-62.【3L_D.Smoot,S.C.Hill,It.Xu.NOxcontrolthroughre.bumingJ.EnergyCombust.Sci.,1998,24:385408,4曾汉才.大型锅炉高效低N0k燃烧技术的研究J.锅炉制造,2001,(I):iii.5李毅,天然气再燃降低锅炉NOx的排放J.华东电力,2003,(6):3941.6毛健雄,毛健全,赵树明,等.煤的清洁燃烧