低氮燃烧技术.docx

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低氮燃烧技术

低氮燃烧技术

引言

我国能源构成以煤炭为主，消耗量占一次能源消费量的76%左右。

随着经济的快速发展，煤耗的增加，燃煤造成的大气污染日趋严重，特别是燃煤烟气中的氮氧化物（NOx），是大气污染的主要污染物之一。

氮氧化物NOx会破坏臭氧层，从而改变紫外线到达地面的强度；臭氧层的变化还会引起气候的变化，进而影响到整个生态环境；空气中的氮氧化物NOx还是产生酸雨的重要来源，酸雨对生态环境的影响已经广为人知，它使得土壤和水源酸化，影响农作物的生长；现代科学也已经证实人类许多疾病的产生也与空气中氮氧化物NOx有着直接的关系。

在大气污染控制方面，氮氧化物NOx控制技术研究和应用是目前继二氧化硫控制技术后的又一重要研究课题，其中氮氧化物NOx的生成机理对氮氧化物NOx控制技术的发展有着重要的意义。

世界发达国家对氮氧化物NOx污染的研究起步较早，已有相应的控制技术在工业上得到应用。

我国对大气污染特别是对氮氧化物NOx的研究开始的时间不长，与世界发达国家的水平还有一定的差距，特别是在工业应用方面，我国才刚刚起步，因此高效的氮氧化物NOx控制技术以及其在工业上的广泛应用将对我国大气污染的控制起到重要的作用。

我国NOx排放量目前已超过一千万吨，城市大气中NOx污染也十分严重，并存在着发生光化学烟雾的危险。

随着国民经济发展、人口增长、城市化进程的加快，未来中国NOX排放量将继续稳步增长。

若不采取进一步的排放控制措施，到2020年，中国NOX排放总量将可能达到2363-2914万t，超过美国成为世界第一大NOX排放国。

到2030年，火力发电贡献率将达45%左右，交通运输贡献率超过30%。

　我国对NOx排放和污染的控制已开始提到议事日程，1995年修订的《大气法》中已明确提出“企业应当逐步对燃煤产生的氮氧化物采取控制的措施”，目前实施的“一控双达标”中也要求重点城市环境空气氮氧化物浓度2000年要达标。

但目前均未对NOx排放总量控制和污染源达标排放提出要求，“一控双达标”对NOx是不配套的。

因此，应制订并完善污染源排放NOx标准，制订排放NOx总量控制计划，加强控制技术的开发，提出适合我国国情的控制对策，以改善城市大气质量。

因此了解国内外发电企业NOx排放情况及标准；认识排放NOx的机理；了解控制NOx的技术种类；熟悉SCR烟气脱硝技术的原理及工艺过程对于即将服务于电力企业的学生而言是必要的。

《火电厂大气污染物排放标准》规定：

第3时段的火电厂锅炉都需预留烟气脱除NOx装置空间，NOx排放标准限值与燃煤挥发分有关，挥发分小于10%时排放标准为1100mg／m3；挥发分介于10%—20%时排放标准为650mg／m3；挥发分大于20%时排放标准为450mg／m3。

这一修订的标准坚持了低NOx燃烧控制的原则。

如欧共体在1988年发布施行的大型燃烧装置排放导则对燃煤电厂NOx的控制，就是基于这一控制原则，其新建燃煤电厂NOx的排放标准一般为650mg／m3，如挥发分小于10%，则排放标准为1300mg／m3，与我国GBl3223—1996类同；1998年修订这一导则时，则对2000-01-01以后获得许可的非边远地区的电厂提出了烟气脱硝的要求，其新建燃煤电厂NOx的排放标准分别为400mg／m3（50～100MW）、300mg／m3（100～300MW）、200mg／m3（大于300MW）。

我国国家排放标准与美国、欧盟的排放标准类似，都是必须严格遵守的最低要求的标准，我国省级人民政府可以制定严于国家的地方排放标准；美国州政府可以制定严于联邦政府的地方排放标准；欧盟各国可以制定严于欧盟的国家排放标准。

3.我国火电厂NOX的控制措施

国际上控制NOx排放的措施可大致分为政策手段和经济手段两类。

所谓政策手段，是指通过制定法律和空气质量标准等方法，要求采用“最佳可用技术”对污染源进行治理，以降低NOx排放量；而经济手段则是通过排污收费、征收污染税或能源税、发放排污许可证和排污权交易等多种途径，刺激和鼓励削减NOx排放量。

针对中国NOx排放现状、发展趋势及其分布特征，参照美、日、欧等发达国家经验，结合我国经济、技术发展水平，提出如下的中国NOx排放的综合控制对策建议。

根据《大气法》的规定和要求，在NOx污染严重的部分地区进行NOx区域总量排放控制、NOx排污收费和排污许可证制度的试点工作。

建立健全国家酸雨监测网，加强NOx污染排放源的在线监测。

进一步加强城市NOx污染环境监测和污染源监测工作，完善城市和区域环境监测网络的能力。

从以上法规与标准可知，到目前为止，从国家层面上对燃煤电厂的NOx控制主要是以低NOx燃烧为控制原则，同时积极制定NOx治理规划，开展烟气脱硝的试点工作。

低NOx燃烧控制原则也是最佳技术路线控制原则，广泛应用于发达国家初期对燃煤电厂NOx的控制，以及后期作为烟气脱硝的前置控制。

4.NOx形成机理与控制技术

在燃烧过程中，产生NOx分为以下三类。

在高温燃烧时，空气中的N2和O2在燃烧中形成的NOx，称为热力性NOx。

燃料中有机氮经过化学反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。

在火焰边缘形成的快速性NOx。

正在研究中的NOx污染控制技术有很多，从方法上来看可以分为三大类：

（1）化学类：

SNCR、SCR、直接分解法；

（2）物理类：

高压电子射线技术、低温非平衡态等离子体技术；以及（3）生物类：

烟气微生物除硝等。

在实际工业应用中，目前被广泛采纳的技术主要有两类：

燃烧控制NOx技术和烟气脱硝技术。

燃烧控制NOx技术通过优化燃烧来控制NOx的生成量，主要包括：

低NOx燃烧器（LNB）、分级燃烧和再燃等技术。

而烟气脱硝技术应用较多的主要是选择性脱NOx方法，当在选择性脱NOx方法中使用催化剂时，这种方法就被称为选择性催化还原方法（SCR）。

相应的，如果没有使用催化剂，则将此方法称为选择性非催化还原方法（SNCR）。

第二章

选择性催化还原法烟气脱硝技术的原理

1.原理及流程

SCR技术是还原剂（NH3、尿素）在催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故称为“选择性”。

主要反应如下：

4NH3+4NO＋O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2＋O2→6N2+6H2O

SCR工艺的反应原理和典型工艺布置见图1、图2。

SCR系统包括催化剂反应室、氨储运系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统。

SCR工艺的核心装置是脱硝反应器，有水平和垂直气流两种布置方式，如图3所示。

在燃煤锅炉中，烟气中的含尘量很高，一般采用垂直气流方式。

（垂直布置）（水平布置）

图3

按照催化剂反应器在烟气除尘器之前或之后安装，可分为“高飞灰”或“低飞灰”脱硝，采用高尘布置时，SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间。

优点是烟气温度高，满足了催化剂反应要求。

缺点是烟气中飞灰含量高，对催化剂防磨损、堵塞及钝化性能要求更高。

对于低尘布置，SCR布置在烟气脱硫系统和烟囱之间。

烟气中的飞灰含量大幅降低，但为了满足温度要求，需要安装烟气加热系统，系统复杂，运行费用增加，故一般选择高尘布置方式。

在反应条件改变时，还可以发生以下副反应；

4NH3+3O2→2N2+6H2O+1267.1KJ（3）

2NH3→N2+3H2-91.9KJ（4）

4NH3+5O2→4NO+6H2O+907.3KJ（5）

发生NH3的反应式（4）和NH3氧化为NO的反应式（5）都在350℃以上才进行，450℃以上才激烈起来。

在一般的选择催化还原工艺中，反映温度常控制在300℃以下，这时仅有NH3氧化为N2的副反应（3）发生。

2.催化剂

选择性催化还原脱硝原理是在一定的温度和催化剂的作用下，还原剂有选择性的把烟气中的NOX还原为无毒无污染的N2和H2O，催化剂的投资占了整个系统投资的较大比例，并且催化剂的寿命一般在2～3年左右，因而催化剂更换频率影响整个脱硝系统的运行成本，催化剂的选择也是整个SCR系统中的重点。

烟气脱硝对催化剂性能上的要求：

1）较高的NOX选择性；2）在较宽范围内保持较高的催化活性；3）具有良好的化学稳定性、热稳定性及机械稳定性；4）费用较低

2.1催化反应原理

催化反应原理是NH3快速吸附在V2O5表面的B酸活性点，与NO反应，形成中间产物，分解成N2和H2O，在O2的存在下，催化剂的活性点很快得到恢复，继续下一个循环，其化学吸附与反应过程如图3所示。

反应步骤可分解为：

图4V2O5上NH3的吸附及与NO反应

（1）NH3扩散到催化剂表面；

（2）NH3在V2O5上发生化学吸附；（3）NO扩散到催化剂表面；（4）NO与吸附态的NH3反应，生成中间产物；（5）中间产物分解成最终产物N2和H2O；（6）N2和H2O离开催化剂表面向外扩散。

2.2催化剂的种类

催化剂有贵金属催化剂和普通金属催化剂之分。

贵金属催化剂由于和SOX反应，并且昂贵，实际上不予采用。

普通催化剂效率不是太高，也比较贵，并且要求较高的温度（300℃～400℃）。

最常用的金属基催化剂含有氧化钒、氧化钛、氧化钼、氧化钨等。

目前工程中应用最多的SCR催化剂是氧化钛基催化剂。

载体用TiO2、Al2O3、Fe2O3、及SiO2等，其中TiO2具有较高的活性和抗SO2性能，是最合适的脱硝材料。

V2O5是最重要的活性成分，具有较高的脱硝效率，但同时也促进了SO2向SO3的转化；而另一种活性材料WO3的添加，有助于抑制SO2的转化。

其他活性材料还有Mo、Gr等，它们可起到助催化剂及稳定剂的作用。

目前，广泛应用的SCR催化剂大多是以TiO2为载体，以V2O5或V2O5-WO3、V2O5-MoO3为活性成分。

表2-1是两种在实际运用中活得很好效果的SCR催化剂。

从中可以看出这两种催化剂均以TiO2为主，这种TiO2需做成晶体的结构，它可有效提高催化剂的活性，抑制SO3的腐蚀。

同时，还配有多种氧化剂物质如GaO、Fe2O3等，也是为了加强催化剂的活性。

另外还有一些物质如玻璃纤维等，是为了提高整个催化剂的抗冲刷强度。

WO3不仅有提高硬度的作用，还可固定烟气中砷，减少他它催化剂的毒化作用。

表2-1催化剂组成

类型

WO3为载体

MoO3为载体

类型

WO3为载体

MoO3为载体

SiO2

5.1

3.4

Na2O

0.01

0.01

Al2O3

0.65

3.9

K2O

0.02

0.01

Fe2O3

0.01

0.14

SO2

1.1

3.4

TiO2

79.7

73.3

P2O5

0.01

0.01

GaO

0.79

0.01

V2O5

0.59

1.6

MgO

0.01

0.01

MoO3

12.9

BaO

0.01

0.01

WO3

11.0

选择合适的催化剂是SCR技术能够成功应用的关键所在。

试验和研究表明，催化剂因烟气特性的不同而异。

对于煤粉炉，由于排出的烟气中携带大量飞灰和SO2，因此，选择的催化剂除具有足够的活性外，还应具有隔热、抗尘、耐腐、耐磨以及低SO3转化率等特性。

目前已实际应用的催化剂种类主要有板式、蜂窝式、波纹板型。

平板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材负载上含有活性成份的载体压制而成；蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹状催化剂是丹麦HALDORTOPSOEA/S公司研发的催化剂，外形如起伏的波纹，从而形成小孔。

加工工艺是先制作玻璃纤维加固的TiO2基板，再把基板放到催化活性溶液中浸泡，以使活性成份能均匀吸附在基板上。

各种催化剂活性成分均为WO3和V2O5。

表2-2为各种催化剂性能比较。

表2-2不同催化剂性能比较

性能参数

蜂窝式

板式

波纹状蜂窝式

基材

整体挤压

不锈钢金属板

玻璃纤维板

催化剂活性

中

低

高

氧化