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SNCR脱硝技术在大型煤粉炉中的应用

2021-10-27 04:50:18| 来源:| 编辑:| 点击:0次

SNCR脱硝技术在大型煤粉炉中的应用

NOx 是一种主要的大气污染物质,NOx 与碳氢化合物可以在强光作用下造成光化学污染,排放到大气中的NOx是形成酸雨的主要原因,严重危害生态环境。目前国内65%左右的NOx是由煤燃烧所产生的,因此作为主要燃煤设备的电站锅炉和工业锅炉成为今后控制 NOx排放所必须关注的焦点。目前我们已经采取诸如低NOx燃烧器、分级配风、OFA(Over Fire Air)、再燃等技术措施来降低 NOx的排放,并取得了一定的效果。但随着人们对环保要求的不断提高,今后的NOx排放标准势必也越来越严格。 北京市要求燃煤电站锅炉NOx的排放必须低于250 mg⋅Nm-3 的要求,相对于目前650 mg⋅Nm-3 的国标要求要严格得多,采用上述几种技术措施往往很难达到250 mg.Nm-3 的排放指标。作为烟气净化方式的选择性催化还原(SCR)虽然可以取得高达90%的 NOx脱除率,但 SCR 技术由于其昂贵的催化剂及寿命问题造成了投资过大(大约 40 美元⋅kW-1 ~ 60 美元⋅kW-1 ),限制了其广泛应用。而相对较廉价的选择性非催化还原(SNCR)技术(大约 5 美元⋅kW-1 ~10美元⋅kW-1 ),其最大 NOx 脱除率可达70 %~80 %。作为一种经济实用的 NOx 脱除技术,SNCR 于 20 世纪70 年代中期首先在日本的燃气、燃油电厂中得到应用,并逐步推广到欧盟和美国。到目前为止世界上燃煤电厂 SNCR 工艺的总装机容量大约在 2 GW 以上。

1 SNCR脱硝原理

选择性非催化还原(SNCR)脱除 NOx技术是把含有 NHx 基的还原剂(如氨气、 氨水或者尿素等)喷入炉膛温度为 800℃~1 100℃的区域,该还原剂迅速热分解成 NH3 和其它副产物,随后 NH3 与烟气中的 NOx 进行 SNCR 反应而生成 N2。

采用 NH3 作为还原剂,在温度为 900℃~1 100℃的范围内,还原 NOx 的化学反应方程式主要为:

而采用尿素作为还原剂还原 NOx 的主要化学反应为:

SNCR 还原 NO的反应对于温度条件非常敏感,炉膛上喷入点的选择,也就是所谓的温度窗口的选择,是 SNCR还原 NO效率高低的关键。一般认为理想的温度范围为 700℃~1 100℃, 并随反应器类型的变化而有所不同。当反应温度低于温度窗口时,由于停留时间的限制,往往使化学反应进行的程度较低反应不够彻底,从而造成 NO 的还原率较低,同时未参与反应的 NH3 增加也会造成氨气泄漏。 而当反应温度高于温度窗口时, NH3 的氧化反应开始起主导作用:

从而,NH3 的作用成为氧化并生成 NO,而不是还原 NO为 N2。总之,SNCR 还原 NO的过程是上述两类反应相互竞争、 共同作用的结果。 如何选取合适的温度条件同时兼顾减少还原剂的泄漏成为 SNCR 技术成功应用的关键。

2 SNCR脱硝的优点

选择性非催化还原技术(SNCR)具有以下优点:

(1) 系统简单:不需要改变现有锅炉的设备设置,而只需在现有的燃煤锅炉的基础上增加氨或尿素储槽,氨或尿素喷射装置及其喷射口即可,系统结构比较简单;

(2) 系统投资小:相对于SCR的大约40美元kW-1 ~60美元kW-1 的昂贵造价,由于系统简单以及运行中不需要昂贵的催化剂而只需要廉价的尿素或液氨,所以 SNCR 大约 5 美元⋅kW-1 ~10 美元kW-1 的造价显然更适合我国国情;

(3) 阻力小:对锅炉的正常运行影响较小;

(4) 系统占地面积小:需要的较小的氨或尿素储槽,可放置于锅炉钢架之上而不需要额外的占地预算。

3 SNCR系统及其影响因素

如图 1, 典型的 SNCR 系统由还原剂储槽、 多层还原剂喷入装置以及相应的控制系统组成。它的工艺简单,操作便捷。SNCR 工艺可以方便地在现有装置上进行改装。因为它不需要催化剂床层,而仅仅需要对还原剂的储存设备和喷射系统加以安装,因而初始投资相对于 SCR 工艺来说要低得多,操作费用与 SCR 工艺相当。一般情况下 SNCR 可达到 60%至 70%的 NOx 还原率,足以满足有关环保要求。

SNCR 还原 NO的化学反应效率取决于烟气温度,高温下停留时间,含氨化合物即还原剂注入的类型和数量、混合效率以及 NOx 的含量等等。

3.1 温度对 SNCR 的还原反应的影响

温度对 SNCR 的还原反应的影响最大。当温度高于 1 000℃时,NOx 的脱除率由于氨气的热分解而降低;温度低于 1 000℃以下时,NH3 的反应速率下降,还原反应进行得不充分,NOx 脱除率下降,同时氨气的逸出量可能也在增加。由于炉内的温度分布受到负荷、煤种等多种因素的影响,温度窗口随着锅炉负荷的变化而变动。根据锅炉特性和运行经验,最佳的温度窗口通常出现在折焰角附近的屏式过、再热器处及水平烟道的末级过、再热器所在的区域。

3.2 还原剂在最佳温度窗口的停留时间

还原剂在最佳温度窗口的停留时间越长,则脱除 NOx 的效果越好。NH3 的停留时间超过 1 s则可以出现最佳NOx脱除率。 尿素和氨水需要0.3 s~0.4 s的停留时间以达到有效的脱除NOx 的效果。

3.3 SNCR 工艺所用的还原剂类型

SNCR 工艺所用的两种最基本的还原剂是无水泊液氨和尿素。为了获得理想的 NOx 脱除效率,还原剂的用量必须比化学计量的要多。大多数过量的还原剂分解为氮气和 CO2,但是,也有微量的氨和 CO会残留在尾气中,造成氨的泄漏问题。其中氨的泄漏量一般小于 2.5×10-5 ,比较好的情况下可以小于 10-5 。在用尿素作还原剂的情况下,其 N2O 的生成几率要比用氨作还原剂大得多,这是因为尿素可分解为 HNCO,而 HNCO 又可进一步分解生成为 NCO,而 NCO可与 NO进行反应生成氧化二氮:

在以尿素为还原剂的操作系统中,可能会有高至 10%的 NOx 转变为 N2O,不过这可以通过比较精确的操作条件控制而达到削减 N2O 生成的目的。另外,如果操作条件未能控制到优化的状态,亦可排放出大量的 CO。

为了提高 SNCR 对 NOx的还原效率,降低氨的泄漏量,必须在设计阶段重点考虑以下几个关键的工艺参数:燃料类型、锅炉负荷、炉膛结构、受热面布置、过量空气量、NOx 浓度、炉膛温度分布、炉膛气流分布以及 CO浓度等。

4 总结

SNCR 装置简单经济、操作方便、价格低廉,是一种经济实用的 NOx 还原技术。相对于别的脱硝技术来说,它是目前适合我国国情的脱硝技术的最佳选择。

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