（热能工程专业论文）scr烟气脱硝系统流场与浓度场的数值模拟及实验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 氮氧化物( n o x ) 是热力发电及其它涉及高温燃烧行业生产过程排放出的一 种气态污染物，因而得到广泛地关注和研究。在工程上，通常将能够抑制、预防 n o x 生成的技术统称为n o x 控制技术，而将能够分解、脱除n o x 的技术统称为 脱硝技术。 为了控制热力发电厂及其他行业的n o x 排放、保护大气环境，我国自本世 纪伊始逐步引进和推广烟气脱硝技术。其中，选择性催化还原法( s e l e c t i v e c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 作为目前国际上公认最为成熟、应用最广的烟气脱硝 技术，自然成为我国引进和消化的重点。但是，以氨气为n o x 还原剂的s c r 技 术，在脱硝效率、氨气利用率和系统适应性等方面还远非完善，这方面存在的问 题不仅影响烟气脱硝系统的经济性，而且还会引起附加污染排放。 研究表明，影响s c r 烟气脱硝系统脱硝效率、氨气利用率的因素主要包括 两个方面，一是催化剂的化学活性与表面特性，二是氨气与烟气的混合效果，目 前人们对于前者已经进行了较多的研究，但对于后者的研究则还很不充分。根据 流体力学与传热、传质学的原理，氨气与烟气的混合效果控制属于一种气流混合 动力学问题。通常，由于流道结构缺陷、混合方式不合理，均可引起混合气流的 成分偏析、催化床工作条件的恶化，从而形成还原剂氨气的无效排放，进而引起 相应的经济性和附加污染排放问题。 本研究结合国内外的相关研究成果，在全面研究s c r 烟气脱硝系统流道内 部构造、烟气流动特性、气体扩散动力学条件的基础上，以商用计算流体力学软 件f l u e n t 为平台，以国内某火电厂s c r 烟气脱硝系统为研究对象，综合考虑 流动与传质效应，对该系统流道内的速度场和氨气浓度场进行数值模拟，研究了 不同流道结构条件下的流场分布情况、不同喷氨格栅条件下的氨气浓度分布情 况，提出了相应的流道优化和喷氨格栅技术方案，并且预测了优化后的技术效果。 数值模拟结果表明，该系统内的流场分布存在较为严重的偏流问题，需要设 置导流装置，以改善其流动均匀性。设置在拐角处和反应器上方的导流板的数量 和结构形式，对于流道内的流场分布影响明显，导流板数量越多，流场分布越好， 但系统的压损也越大，其间存在优化问题。此外，喷氨格栅的喷口设置也是一个 江苏大学硕士学位论文 关键，需要根据流道系统的具体条件进行设计，使之与流道得流场分布情况相吻 合，方能达到最佳摩尔比。 然后，在数值模拟的基础上，以欧拉相似原理为前提，搭建了冷态模拟实验 台，通过对s c r 反应器入口与出口速度、浓度的实际测量，得到浓度分布状况， 从而实现模拟计算结果的验证和完善。 本研究获得的初步成果，不仅可以为s c r 烟气脱硝系统的流道优化、脱硝 反应强化、氨气利用率提高以及附加污染物控制提供理论依据，而且可以为特定 s c r 烟气脱硝系统的流道结构与喷氨格栅结构设计提供技术方法。 关键词：选择性催化还原，s c r ，数值模拟，烟气脱硝 江苏大学硕士学位论文 n i t r o g e no x i d eo n o x ) e m i s s i o n si sp o l l u t i o ne j e c t e df r o mt h e r m a lp o w e rp l a n t a n do t h e rh i g ht e m p e r a t u r ec o m b u s t i o ni n d u s t r yw h i c hi sw i d e l yc o n c e r n e da n d r e s e a r c h e d t h et e c h n o l o g yo fy i e l d i n ga n dp r e v e n t i n gt h ep r o d u c t i o no fn o xi s u s u a l l yc a l l e dn o xc o n t r o l l i n g ，a n dt h et e c h n o l o g yo fr e m o v i n ga n dd e c o m p o u n d i n g i sc a l l e dn o x d e n i t r a t i o n ，s i m p l i f i e dd e n o x f o rp r o t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n dd e c r e a s i n gn o x e m i s s i o n s ，d e n o xt e c h n o l o g y f o rf l u eg a si sg r a d u a l l yi n t r o d u c e di n t oa n di n c r e a s i n g l yw i d e l ya p p l i e di no u r c o u n t r y s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ( s c r ) t e c h n o l o g y a sam o s tp o p u l a ra n dw i d e l y a p p l i e dt e c h n o l o g yo fd e n o xi sw o r t ht ob ei n t r o d u c e da n da b s o r b e ds i g n i f i c a n t l y b u tt h es c r 耐t ha m m o n i aa sr e d u c e ri sn o tc o m p l e t e di nt h ee f f i c i e n c yo fd e n o x ， t h eu t i l i t yo fa m m o n i a , a n dt h ea p p l i c a t i o no fs y s t e m i nt h i sc a s e ，t h ee c o n o m yo f s y s t e mi sl o w , a n da d d i t i o n a lp o l l u t i o ni sc a u s e d t h ef a c t o rc o n c e r n e dw i t ht h ee f f i c i e n c yo fd e n o x ，t h eu t i l i t yo fa m m o n i ai s d i v i d e di n t ot o wp a r t s f i r s tp a r ti st h ea c t i v i 哆a n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c a t a l y z e r , t h eo t h e rp a r ti st h em i x i n gd e g r e eo ff l u eg a sa n da m m o n i a t h ef i r s ti s r e s e a r c h e dw i d e l y , b u tt h eo t h e ri sp o o r o nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo ff l u ed y n a m i c s a n dt h e r m a lt r a n s f e r , t h em i x i n gd e g r e eo ff l u eg a sa n da m m o n i ai so p t i m i z e d t h e i n a p p r o p r i a t ec o n f i g u r a t i o no ff l u ed u c ta n dt h ew a yo fm i x i n gc a l lr e s u l ti nt h ef l u e g a sd e f l e c t i o na n dd e t e r i o r a t i o no ft h ec a t a l y z e r t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ef l u eg a sd e f l e c t i o ni sh i g h a g u i d ed e v i c e i s d e s i g n e dt oi m p r o v et h ef l o we f f i c i e n c yo ft h es y s t e m t h e c o n f i g u r a t i o na n da m o u n to fg u i d ed e v i c ec o n t a c t sw i t ht h ed i s t r i b u t i o no ff l u eg a s c l o s e l y m o r eg u i d ed e v i c e ，b e t t e rd i s t r i b u t i o no ff l u eg a s ，b u tt h ep r e s s u r ed r o pi sa l s o l a r g e r t h ed e s i g no fa m m o n i ai n j e c t o rg r i d s g ) i si m p o r t a n ti nt h ec a s e i ti s n e c e s s a r yt od e s i g nt h er i g h ts y s t e mi n c l u d i n gg u i d ed e v i c ea n da i gt oo p t i m i z et h e f l o w t h e no nt h eb a s i so fe u l e rs i m i l a rp r i n c i p l e ，e x p e r i m e n te q u i p m e r i ti nr o o m i l l 江苏大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r ei sb u i l ta c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lm o d e l i n gr e s u l ta b o v e t om e a s u r et h e d i s t r i b u t i o no fv e l o c i t ya n dd e n s i t ya n da n a l y z em e a nd i f f e r e n c e ，c o n s e q u e n t l y p r o v i n gt h en u m e r i c a lm o d e l i n gr e s u l t ，a n do p t i m i z i n gt h es y s t e m t h er e s e a r c hr e s u l ti nt h i sp a p e rc a nn o to n l yp r o v i d et h et h e o r yo fo p t i m i z i n g t h ef l o wd u c t ，i m p r o v i n gt h eu t i l i t ye f f i c i e n c yo fa m m o n i a ，a n ds t r e n g t h e n i n gt h e r e a c t i o no fs c r ，b u to f f e rt h em e t h o df o rt h ed e s i g no fs p e c i f i cf l o wd u c ta n d a m m o n i ai n j e c t o rg r i do fs c r s y s t e m k e y w o r d s ：s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ，n u m e d c a ls i m u l a t i o n ，d e n o x 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：稿飘沭 而年6 月l 啦日 指导教师虢霉 伽年6 月fl 伯 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：隆诲永 日期：觥年6 月，啦日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 1 1 1 氮氧化物的危害 第一章绪论 近年来，随着工业的发展，排放到大气中的氮氧化物日益增多，对我国的环 境造成了严重危害。n o x 是氮氧化物的总称，其种类包括tn 2 0 、n o 、n 0 2 、 n 2 0 3 、n 2 0 4 、n 2 0 5 等，对大气造成污染的主要是n o 、n 0 2 和n 2 0 。燃烧过程 中产生的氮氧化物主要是n o 和n 0 2 。 n o x 对人体健康危害很大，在各种污染源排放的n o x 中，绝大部分是燃烧产 生的n o ，n o 为无色无臭气体，很容易与血液中的血色素结合，造成血液缺氧而 引起中枢神经麻痹；n 0 2 毒性更强，可引起支气管炎和肺气肿；n 2 0 俗称“笑气 ， 具有刺激神经的作用，另# f n 2 0 是破坏臭氧层的主要物质之一【l - 2 。 此外，n o x 是大气主要污染物之一，能形成光化学烟雾和酸雨。 大气中n o x 和挥发性有机物v o c 达到一定浓度后，在太阳光照射下经过一系 列复杂的光化学反应，就会产生以高浓度0 3 和细颗粒物为特征的光化学烟雾，形 成了夏季城市天空经常出现的兰色烟雾。光化学烟雾会使大气能见度降低，对人 的眼睛、喉咙有强烈的刺激作用，并会产生头痛、呼吸道疾病，严重的会造成死 亡。 由于大气的氧化性，n o x 在大气中可形成硝酸( h n 0 3 ) 和硝酸盐细颗粒物， 同硫酸( h 2 s 0 4 ) 和硫酸盐细颗粒物一起，发生远距离传输，从而加速了区域性 酸雨的恶化，导致农作物减产，环境恶化。 1 1 2 氮氧化物的生成 根据形成机理的不同，燃料燃烧过程中产生的n o x ，可以分为热力型、瞬时 型和燃料型三种类型 3 1 。 ( 1 ) 热力型n o x 燃料燃烧时，燃料和助燃空气中的氮元素，在高温作用下氧化成n o x ，这种 江苏大学硕士学位论文 机理下形成的n o x 称之为热力型n o x 。由于n 2 生成n o x 的活化能非常大，因而可 以通过降低燃烧温度来控制氮氧化物形成反应的进行，例如在1 8 0 0 k 以下热力型 n o x 生成量就很少。 ( 2 ) 瞬时型n o x 研究表明，燃烧空间温度不高的情况下也会产生n o x ，这是由于火焰锋面上 温度仍较高。同时，由于燃料分解生成的c h 和c 等原子团，与n 元素反应生成氰 化物，氰化物与火焰中大量的o 与o h 等原子团反应，从而生成n o x 。 ( 3 ) 燃料型n o x 燃料型n o x 的生成动力学较复杂，其反应机理至今尚未完全掌握，原因在于 燃料中氮的存在形式很多。燃料型n o x 主要与燃料含氮量和过剩空气系数有关， 而与燃烧温度关系不大，主要因为燃料中n 元素的热解温度比火焰温度低。 1 1 3 我国n o x 污染的发展趋势 近年来，随着我国产业结构由粗放型向集约型转变和能源消费结构的优化调 整，能源消耗排放n o x 不断增加的趋势有所缓解，1 9 9 6 年达到排放峰值。自1 9 9 7 年开始，n o x 排放量逐渐回落。但是，n o x 排放在行业、燃料及地区分布上均极 为不平衡的特征并没有根本改变：排放n o x 较多的经济行业依然是工业、电力和 交通运输部门，占排放总量的9 0 以上，且交通运输n o x 排放率稳步增长；7 0 以上的n o x 排放来自燃煤，汽油、柴油等车用燃料消耗使n o x 排放率逐年加大； 8 0 以上n o x 来自占国土面积4 5 的华东、中南、华北及东北地区，而占国土面 积5 5 的西南和西北地区n o x j e 放量不足全国排放总量的1 5 1 4 。n o x 排放大省包 括河北、江苏、辽宁、山东、广东、河南等。因此，今后我国应通过经济、技术、 法律及政策等多种手段，加大洁净煤技术的开发力度，鼓励开发利用低污染的替 代燃料( l p g 、天然气等) ，大力推进水力、核能、风能、太阳能等可再生能源 的利用，减少高污染排放的煤炭消耗，逐步改善以煤为主的能源消费结构，从而 有效控制能源消耗产生的n o x 污染。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2 燃煤电厂n o x 的排放与控制对策 1 2 1 我国燃煤电厂n o x 的排放 据联合国环境保护所( u n e p ) 项目“能源规划中综合考虑环境因素”研究的 初步估算，1 9 9 0 年我国氮氧化物的排放量约为9 1 0 万吨，其中近7 0 来自于煤炭 的直接燃烧，固定源是n o x 爿 e 放的主要来源。根据世行项目“中国机动车排放污 染控制战略研究”，1 9 9 5 年全国机动车辆( 不包括农用车辆) 的n o x 排放量为1 4 1 3 万吨，若包括农用车辆，其排放估算量可能将增加1 3 ，机动车的排放量估计占 排放总量的2 0 ，是城市的n o x 的主要来源之一。目前我国n o x 丰 e 放量估计在 1 0 0 0 多万吨。鉴于我国的能源消耗量今后将随经济的发展不断增长，n o x 排放量 也将持续增加。据有关研究的估算，至u 2 0 1 0 年，我国的n o x 丰 e 放量将达至t j 2 1 9 4 万吨【5 羽。由此可见，今后n o x 排- 放量将十分巨大。如果不加强控制，n o x 将对 我国大气环境造成严重的污染。 电力行业是国民经济的基础行业，随着经济的快速发展，我国电力需求不断 增长，大容量高参数的3 0 0 m w 及以上火电机组正成为电力工业的主力机组，火 电厂氮氧化物排放总量日益增加。我国电力结构以火力发电为主，火电厂燃煤量 占全国煤炭消耗总量5 0 左右，这个比例今后还将不断增加，其燃煤产生的大气 污染物也将持续增长。据统计，我国大气污染物中n o x 的6 0 来自于煤的燃烧， 其中，火电厂发电用煤又占了全国燃煤的7 0 。2 0 0 0 年我国火电厂氮氧化物排放 量控制在5 0 0 万吨左右，按照目前的排放控制水平，到2 0 2 0 年，氮氧化物排放量 将达到1 0 0 0 万吨以上。表1 1 、表1 2 t 7 】列出了我国最近一段时期氮氧化物的排放 情况。 表1 1 全国火电厂锅炉氮氧化物排放情况 1 9 8 7 年1 9 8 8 年1 9 8 9 年2 0 0 0 年 n o x 排放 总量万吨 1 2 0 7 l5 0 61 3 2 8 1 6 6 11 4 | 5 1 6 6 52 7 1 3 3 0 0 7 由于环保相对滞后，火电厂n o x 直接污染越来越大，n o x 的污染问题也日趋 突出，尽管目f i l f n o x 治理力度有所加强，但是由于对n o x 认识还有待于进一步提 高，可以说治理n o x 还有很长的路要走。 3 江苏大学硕士学位论文 表1 22 l 世纪初的电站锅炉n o x 排放量预测 火力发电量发电标准煤耗亿千瓦时的n o 矧 放n o x 总排放 年度 f 7 , k w hg ( k w - h 、1 量吨 量万吨 2 0 0 0 1 1 7 0 03 2 83 0 63 5 8 0 2 2 0 0 51 7 2 0 0 3 1 4 2 8 44 8 8 4 8 2 0 1 02 2 7 0 03 0 02 6 25 9 4 7 4 随着我国经济的发展，作为我国主要能源煤的消耗量将越来越大，由此可见， 今后电力工业n o x 排放量将十分巨大。如果不加强控制，n o x 将对我国大气环境 造成严重的污染。从表1 2 中n o x 总排放量的数据可以看出我国将面临巨大的 n o x 排放治理的压力。环境污染已是电力工业发展的一个制约因素。电力工业必 须解决和环境的协调发展问题，才能真正促进经济的繁荣，造福于社会。 1 2 2 我国目前电力工业n o x 控制情况 当前我国对大气污染物的控制要求也在逐步提高，新的更加严格的n o x 排放 标准也即将出台。在严格排放标准的要求下，目前国内普遍使用的低n o x 燃烧技 术已经不能满足要求，因此，寻求新的脱硝方式势在必行。在一些排放要求较高 的发达国家，如：美国、德国和日本，普遍使用的是烟气脱硝，而在烟气脱硝方 式中普遍使用而且脱硝率很高的是选择性催化还原技术( s c r ) 。 国家电力公司在制定的“十五”电力科技发展规划中，有关电力环保的技术主 要是大型火电机组低n o x 燃烧、烟气脱硝技术，高效除尘技术、火电厂废水处理 的技术，同时，国家电力公司还将实施低n o x 燃烧技术试验工程、锅炉尾部烟气 脱硝试验工程等6 项重大中试项目。通过工程实践，进一步提高这些技术的工程 实用化水平。通过1 0 。1 5 年的努力，国家电力公司将建成较为完整的科技开发与 技术创新体系。 n o x 控制问题的复杂性是基于以下事实现在的电站锅炉有不同的结构 和不同燃烧方法，建成时间从最近的1 0 年到最近的5 0 年，在可以承受成本的i j i 提 下，这些电站要求一套低成本、低年运行费用并适合电站位置等特殊问题的先进 n o x 控制系统。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 各国对燃煤电厂n o x 排放所采取的控制对策 二十世纪八十年代以来，世界上许多国家围绕n o x 排放控制问题采取了一系 列国家行动和国际性合作方案。早在1 9 7 9 年，有3 3 个国家签署了联合国经济委员 会关于欧洲长距离越境空气污染公约。1 9 8 8 年1 1 月根据该公约制定了一项议定 书，要求到1 9 9 4 年将n o x 排放冻结在1 9 8 7 年( 或更早年份) 的水平上。所有签字国 均被要求采用最佳实用技术控制新增固定源和流动源排放的n o x 。欧洲在1 9 8 8 年通过了“欧共体关于大型燃烧设备污染物排放限制法令 ，要求欧共体1 9 8 7 年7 月以前安装的、大于5 0 m w 的全部燃烧设备，其n o x 排放总量到1 9 9 3 年要在1 9 8 0 年基础上削减1 0 ，至1 j 1 9 9 8 年要削减3 0 。其中德国、比利时、法国、荷兰和卢 森堡等国至u 1 9 9 3 年削减2 0 ，1 9 8 8 年削减4 0 。除上述国际公约外，许多国家还 根据各自特点采取了相应的国家行动。如奥地利、比利时、丹麦、德国、意大利、 日本、荷兰、瑞典、瑞士、英国和美国等均制定了现有锅炉和新增锅炉的n o x 排放标准及国家控制方案。在n o x 控制技术方面，上述国家均已应用商业化的低 n o x 燃烧技术，其中奥地利、日本和德国等已应用商业化的烟气脱氮技术。在1 9 8 7 年至u 1 9 9 9 年期间，美国能源部花费在n o x 控制研究上的投资超过6 7 0 0 万美元 ( 1 9 9 9 年) 。其中，大约1 8 0 万美元用于基础研究，4 8 0 0 万美元用于示范计划，这 些计划主要是关于公益事业领域先进的氮氧化物清除系统的开发和演示，例如低 n o x 燃烧炉、选择性催化还原技术( s c r ) 、n o x 控制系统。对于基础研究和示范 计划，联邦基金分别提供了总经费的大约8 0 和4 5 t 8 1 。其余部分则由其行业提 供，主要由c c t 计划的一部分来资助。 德国是世界上n o x 控制技术的开发与应用最先进的国家之一【9 】，德国1 9 9 6 年 就在电厂脱硝技术上投资了2 1 0 亿马克，并形成0 0 2 9 马克( k w h ) 的生产成本。在 德国，随着氮氧化物对环境影响的日益严重，控制燃煤电厂n o x 的排放越来越受 到人们的重视。1 9 8 4 年原联邦德国在“大型燃烧设备规定”中制定出严格的气体污 染物排放限值，其中3 0 0 m w 以上燃煤燃烧器的烟气中n o x 浓度控制在2 0 0 l i i l 咖3 以下。随之德国大型燃煤电厂控制n o x 排放的技术水平日新月异，不断提高。如 今，德国的燃煤电厂，不仅陆续开发采用了一系列低n o x 燃烧系统，全面安装了 烟气脱硝装置，而且对老式锅炉不断进行技术改造和燃烧优化调整。虽然低n o x 燃烧系统大大降低了n o x 的生成量，但除少数现代化的褐煤发电厂外，单纯通过 5 江苏大学硕士学位论文 采用低n o x 燃烧器仍难以使烟气中的n o x 达到越来越严格的排放限值，因而德国 的燃煤电厂现在普遍采用称为二级脱硝技术的烟气脱硝装置，以降低烟气中已生 成的n o x 的排放。这些装置分为选择性催化还原( s c r ) 脱硝、选择性非催化还 原( s n c r ) 脱硝和同步脱硝脱硫等类型。 表1 3 原西德应用脱硝技术所取得的结果 参数 1 9 8 2 年1 9 9 1 年 总排放量( n o x ) l ( t a 1 3 0 2 02 6 4 0 发电厂与供热厂所占份额 2 61 3 5 公用电厂所占份额胍 2 4 58 排放因子( 公用电厂) g ( k w h ) 1 3 2 0 8 排放浓度m g n m 3 9 1 62 4 0 在日本，目前降尘和二氧化硫污染问题已基本解决，氮氧化物和光化学烟雾 问题则上升为同本大气污染的主要问题。针对氮氧化物污染问题，日本采取了一 些相应的控制措施，对中国的氮氧化物污染控制有一定的借鉴意义。固定源实施 全日本统一的排放标准，日本在1 9 7 3 年8 月第1 次规定了氮氧化物的排放标准。此 后，对排放标准进行了4 次强化。统一排放标准是污染排放的最低标准。对于那 些氮氧化物排放量较多，对大气污染严重的设备，则作为限制对象进行追加排放 标准的修正。追加排放标准是指日本都道府县从该地区的自然条件和社会条件出 发，认为在仅靠国家制定的统一排放标准不能有效地保护人民健康和充分地保障 生活环境的情况下，在政策所规定的允许范围内，在明确划定执行的地区范围之 后，制定出的更为严格的具有法律效力的排放标准，以代替国家的排放标准。r 本降低二氧化氮排放的技术措施主要有改进燃烧方式和排烟脱硝。2 0 世纪7 0 年代 初日本的排烟脱硝起步，设施数和处理能力逐年上升，如今排烟脱硝装置的设置 基数及处理能力有了切实的增加。脱硝方式大多为干式选择接触还原法( s c r ) ， 如表1 4 所示。 表1 4 日本废气脱硝技术 干法类犁数目容量( 1 0 0 0 n m 3 h ) 选择性催化还原法 2 4 01 3 0 0 0 0 选择性非催化还原法 6 07 0 0 0 其他( 包括活性炭法) 7 05 0 0 0 合计 3 7 01 4 2 0 0 0 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 氮氧化物的控制 1 3 1 低氮燃烧控制技术 国外从2 0 世纪5 0 年代就开始了燃烧过程中n o x 生成机理和控制方法的研究 工作。到了7 0 、8 0 年代，低n o x 燃烧技术的研究和开发达到了高潮，开发出一批 低n o x 燃烧器等实用装置【1 0 1 。低n o x 燃烧技术的特点是工艺成熟，投资和运行费 用低。在对n o x 扫 e 放要求非常严格的国家( 如德国和日本) ，均是先采用低n o x 燃烧器减少一半以上的n o x 后再进行烟气脱硝，以降低脱硝装置入口的n o x 浓 度，减少投资和运行费用。进入9 0 年代，有关电厂锅炉供货商又对其开发的低 n 0 x 燃烧器做了大量改进和优化，使其日臻完善。纵观 k 氏n o x 燃烧技术的发展过 程，可大致将其划分为3 代【1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 。 1 3 1 1 第1 代低n o x 燃烧技术 这一代措施的基本特征是不要求对燃烧系统做大的改动，只是对燃烧装置的 运行方式或部分运行方式做调整或改进，其燃烧技术主要有： ( 1 ) 低过量空气系数运行。这是一种优化装置燃烧、降低n o x 生成量的简 单方法。它不需对燃烧装置做结构改造，并有可能在降低n 0 x 排放的同时，提高 装置运行的经济性。这种方式抑锘u n 0 x 生成的幅度与燃料种类、燃烧方式和排渣 方式有关。但总的降低幅度有限，因为过量空气系数降低过多有可能造成受热面 粘污结渣和腐蚀、气温特性变化及因飞灰可燃物增加而导致经济性下降。 ( 2 ) 降低助燃空气预热温度。可降低火焰温度峰值，从而减少热力型n o 生 成量，但此措旌不适用燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉效果比较明显。 ( 3 ) 浓淡燃烧技术。这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧， 即燃料过浓燃烧；另一部分在空气过剩的条件下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是 过浓燃烧还是过淡燃烧，其过量空气系数( n ) 都不等于1 ，前者小于1 ，后者大于1 ， 故又称非化学当量燃烧或偏差燃烧。浓淡燃烧时，燃料过浓部分因氧气不足，燃 烧温度不高，所以燃料型和热力型n o x 都会减少。燃料过淡部分因空气量大，燃 烧温度低，热力型n o x 生成量也减少。这一方法可用于燃烧器多层布置的电厂锅 炉，在保持总风量不变的条件下，调整各层燃烧器的燃料和空气分配，便能达到 降低n o 的效果。 7 江苏大学硕士学位论丈 ( 4 ) 炉膛的烟气再循环。把烟气掺入助燃空气，降低助燃空气的氧浓度， 通常的做法是从省煤器出口抽出烟气，加入二次风或一次风中。加入二次风时， 火焰中心不受影响，唯一作用是降低火焰温度。此方法对热力型n o x 所占份额较 大的液态排渣炉、燃油和燃气锅炉有效，对于热力型n o x 所占份额不大的千态排 渣炉作用有限。 ( 5 ) 部分燃烧器退出运行。这种方法适用于燃烧器多层布置的电厂锅炉。 具体做法是停止最上层或几层燃烧器的燃料供应，只送空气。这样，所有燃料从 下面的燃烧器送入炉内，下面的燃烧器区实现富燃料燃烧，上层送入的空气形成 分级送风。这种方法尤其适用于燃气、燃油锅炉而不必对燃料输送系统进行重大 改造。德国把这种方法用于褐煤大机组，效果也较好。 1 3 1 2 第2 代低n o x 燃烧技术 这一代的特征是把助燃空气分级送入燃烧装置，降低着火区( 也称一次区) 的 氧浓度，相应降低了火焰峰值温度。属于这一代措施的有现阶段最广泛应用于电 厂锅炉的各种低n o x 空气分级燃烧器。其最具代表性的直流燃烧器当属原美国 a b b 疆公司的整体炉膛分级燃烧器( o o 、同轴燃烧系统( c f s i ，c f s i o 、低 n o x 同轴燃烧系统( l n c f s ) ) 及种类繁多的变异型式、t f s 2 0 0 0 燃烧系统；其最具 代表性的旋流燃烧器是美国b & w 公司的双调风旋流燃烧器( o r b 、e i - - d r b 、 d r 蝴c u 及原德 訇s t e i n m t i l l e r 、b a b c o c k 公司的各种旋流燃烧器。 1 3 1 3 第3 代低n o x 燃烧技术 这一代措施的特征是空气和燃料都是分级送入炉膛，燃料分级送入可在主燃 烧器下游形成一个富集n i - 1 3 、c m h n 、h c n 的低氧还原区，燃烧产物通过此区时， 已生成的n o x 会部分被还原为n 2 。属于这一代措施的典型技术是用于墙式和切圆 燃烧的三级燃烧技术。三级燃烧技术又称再燃烧炉内还原( m 陬) 或m a c t 法， 是在炉内同时实施空气和燃料分级的方法( 见图1 1 ) 。 8 江苏大学硕士学位论文 燃暴臧 二次燃辩 主燃烧曩 图1 1 三级燃烧不意图 采用此技术时，炉内形成3 个区域，即一次区、还原区和燃尽区。在一次区 内，主燃料在稀相条件下燃烧，还原燃料投入后，形成欠氧的还原区，在高温( 大 - 于1 2 0 0 。c ) 和还原气氛下析出的n i - - 1 3 、c m h n 、h c n 等原子团与来自一次区已生成 的n o x 反应，生成n 2 。燃尽风投入后，形成燃尽区，实现燃料完全燃烧。这种方 法与其它先进的手段结合，可使n o x 排放量下降8 0 左右，是目前在发达国家颇 受青睐的方法。 1 3 2 烟气脱硝技术 1 3 2 1 选择性催化还原烟气脱硝技术 选择性催化还原法( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 是指在催化剂的作 用下，以n i - 1 3 作为还原剂，“有选择性”地与烟气中的n o x 反应并生成无毒无污染 的n 2 和h 2 0 【1 5 1 。其原理如图1 2 ，首先由e i l g e l h a r d 公司发现并于1 9 5 7 年申请专利， 后来日本在该国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的v 2 0 5 爪0 2 催化剂，并分别在1 9 7 7 年和1 9 7 9 年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。s c r 技术目前己成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术，其 主要反应方程式 1 6 , 1 7 】为： 4 n h 3 + 4 n o + 0 2 屿4 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 1 ) 8 n i - 1 3 + 6 n 0 2 幽7 n 2 + 1 2 h 2 0 ( 1 1 a ) 或者 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 些b 3 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 1 b ) 9 江苏大学硕士学位论文 娃c 法八 图1 , 2s c r 反应的原理图 所 胃“选择性”是指有催化荆存存的情况下，可以使反应在3 0 0 4 0 0 的温度范1 日 内进行，并能有效地抑制其他副反臆的发生。 同前，世界上采用s c r 的装置有数百套之多，技术成熟且运行。叮靠。我嗣电 力系统目前最大的烟7e 脱硝装置福建后石电厂6 0 0 m w 机组配套烟气脱硝系 统采川的就足p m 型低n o x 燃烧器加分级燃烧结合s c r 装置的t 艺。 1322 选择性非催化还原炯气脱硝技术 s c r 技术的催化剂费用通常占习j s c r 系统初始投资的5 0 6 0 左右，其运 行成本很大程度上受催化剂寿命的影响，在这种情况f ，选择性非催化还原法应 运而生。选择性非催化还原法( s e l e c t i v en o n c a t a lv c i cr e d u c t i o n ，s n c r ) 工艺， 或被称为热力d e n o x t 艺最初由美国的e x x o n 公司发明并于1 9 7 4 在h 本成功投 入工业应用。其基本原理是式( 1 - 1 ) 所示反应，但在没有催化剂的情况下可以 存8 0 0 1 1 0 0 这狭窄的温度范围内进行，而且基奉卜不与0 2 作用。s n c r 法 的还原剂除了n h 3 以外还可以来用尿索或其它氨基，其反应机理相当复杂8 j 。当 用眯素作还原剂时其反应方程式可简单表示如f ： h 2 n c o n h 2 + 2 n o + l 2 0 2 = 2 n 2 + c 0 2 + h 2 0 ( 1 - 2 ) 同s c rj 艺类似，n o x 的脱除效率主要取决于反应温度、n h 3 与n o x 的化学 计量比、混旮程度，反应时间等。研究表明，s n c r l 。艺的温度控制至关重要， 若温度过低，n h 3 的反应币完全，容易造成n h 3 泄漏；而温度过高，n h 3 则容易 被氧化为n o ，抵消t n h 3 的脱除效果。温度过高或过低都会导致碰原剂损失和 n o x 脱除：缸下降。通常，设计合理的s n c r i 艺能达到高达3 0 - - 7 0 的脱除效 率，8 0 的效率也古文献报道。 s n c r 可能出现的问题同s c r1 1 艺相似，比女u 氧 i | f 漏，n 2 0 的产屯，当采用 尿索作还原剂叫还町能产牛c o ：敬污染等问题，然而通过合理的工艺设计和 江苏大学硕士学位论文 参数控制，这些隐患均可以降到最小。 s n c r 与s c r 相比运行费用低，旧设备改造少，尤其适合于改造机组，仅需 要氨水贮槽和喷射装置，投资较s c r 法小，但存在还原剂耗量大、n o x 脱除效率 低等缺点，温度窗口的选择和控制也比较困难，同时锅炉型式和负荷状态的不同 需要采用不同的工艺设计和控制策略，设计难度较大，s c r 工艺与s n c r i 艺的 比较如表1 5 所示。 表1 5 s c r 与s n c r 工艺比较 选择性催化氧化还原选择性非催化氧化还原法 工艺名称 s c rs n c r n o x 脱除效率( ) 7 0 9 03 0 8 0 操作温度( ) 2 0 0 5 0 08 0 0 11 0 0 n h 3 n o x 摩尔比0 4 1 o o 8 2 5 氨泄漏( p p m ) 9 0 ) ，络合吸收法处理烟气显得有特别意义。络合吸收法采用的吸收剂有 f e s 0 4 、f e ( c y s ) 2 、f e ( ) e d t a 等。目前该法最大的问题是f e ( ) 在回收过 她摊俺秘葑l耱转始玲臻 l 一滞艺耄iilov鬟鐾。o城 江苏大学硕士学位论文 程中被氧化为f e ( 1 i d ，造成吸收剂的损失，此外络合反应的速度也有待提高。 与烟气脱硫相反，烟气脱硝采用的主要手段是干法，其原因是：n o x 与s 0 2 相比，缺乏化学活性，难以被水溶液溶解吸收；而n o x 经还原后成为无毒的n 2 和h 2 0 ，脱硝的副产物易于处理，n h 3 对烟气中的n o x 可选择性吸收，是良好的 还原剂。湿法与干法相比，主要缺点排水需要处理，内衬材料腐蚀；副产物处理 较难，电耗大。 1 3 2 4 微生物吸收法 微生物吸收法【1 5 1 是国外新近提出的脱硝方法，具有工艺设备简单、能耗和处 理费用低、效率高、无二次污染等优点。微生物法利用反硝化细菌的合成代谢将 n o x 还原成有机氮化物并成为菌体的一部分，再通过分解代谢作用将n o x 最终转 化为n 2 。微生物吸收法目i i 还处于研究阶段，未见有工业应用的报道。 1 3 2 5 高能电子活化氧化法 这类方法【1 6 1 是利用高能电子撞击烟气中的h 2 0 、0 2 等分子，产生o 、o h 、 0 2 等氧化特性很强的自由基，将s 0 2 氧化成s 0 3 ，s 0 3 与h 2 0 反应生成h 2 s 0 4 ，同 时也可将n o 氧化成n 0 2 ，n 0 2 与h 2 0 生成h n 0 3 ，生成的酸与喷入的n h 3 反应生成 硫酸铵和硝酸铵化肥。 除了上述方法以外，其他烟气脱硝有非选择性催化还原法、炽热炭还原法、 催化分解法、液膜法、s m m 工艺脱硝技术、反馈式氧化吸收脱硝技术等。这些 方法有的已逐渐被淘汰，有的还处于进一步研究阶段。 1 3 2 6 各种烟气脱硝工艺的比较 我国地域大，各地情况不同，对于某一具体的工程采用何种烟气脱硝工艺， 必须因地制宜，进行技术、经济比较。在选取烟气脱硝工艺的过程中，应遵循以 下原则： ( 1 ) 氮氧化物排放浓度和排放量满足有关环保标准； ( 2 ) 技术成熟，运行可靠，有较多业绩，可用率达9 0 以上： ( 3 ) 对煤种适应性强，并能够适应燃煤含氮量在一定范围内的变化； ( 4 ) 尽可能节省建设投资； ( 5 ) 布置合理，占地面积较少； ( 6 ) 吸收剂、水和能源消耗少，运行费用较低； 江苏大学硕士学位论文 ( 7 ) 吸收剂来源可靠，质优价廉； ( 8 ) 副产物、废水均能得到合理地利用或处置。 表1 7 为各种脱硝工艺的优缺点比较 表1 7 主要烟气脱硝工艺的比较 适用性及特点 优缺点脱硝率投资 适合排气量大，二次污染小，净化效率高，技术成熟； 8 0 s c r较高 连续排放源设备投资高，关键技术含量高 9 0 适合排气量大， 不用催化剂，设备和运行费用少；n h 3 片j s n c r量大，二次污染，难以保证反应温度和 3 0 较低 连续排放源 6 0 停留时间 液体吸 处理烟气量很 t 艺设备简单、投资少，收效显著，有 小的情况f 可 些方法能回收n o x ：效率低，副产物不 效率低较低 收法易处理，目前常用的方法不适于处理燃 取 煤电厂烟气 微生物 t 艺设备简单、能耗及处理费用低、效 法 适用范围较大率高、无二次污染：微生物环境条件难 8 0 低 以控制，仍处于研究阶段 同时脱硝脱硝，回收n o x f f l l s 0 2 ，运行费 活性炭 排气量不大用低；吸收剂用量多，设备庞大，一次 8 0 高 吸附法 9 0 脱硝率低，再生频繁 等离子 适用范围较大 同时脱硝脱硝，无二次污染；运行费用 体法高，关键设备技术含量高，不易掌握 8 5 高 前面介绍的多种烟气脱硝方法中只有s c r 法和s n c r 法在大型燃煤电厂获得 商业应用。其中s c r 法在全球范围内有数百台的成功应用业绩