《大气污染物控制工程》固定源氮氧化物污染控制课件

1、第九章 固定源氮氧化物的污染控制9-1 概述第1页，共54页。主要内容氮氧化物的性质、来源及影响低氮氧化物燃烧技术烟气脱硝技术烟气同时脱硫脱硝技术固定源氮氧化物控制技术评价我国氮氧化物排放控制策略第2页，共54页。一、氮氧化物的种类和性质NOx(NOy、NOz) NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、 N2O5、N2O2、N4ONOx = NO + NO2NOy = NO + NO2 + HNO2 + HNO3 + PAN + RNO3 +pNO3-+NOz=NOyNOx第3页，共54页。一、氮氧化物的种类和性质NOx(NOy、NOz) NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、 N2O5

2、、N2O2、N4ONOx = NO + NO2NOy = NO + NO2 + HNO2 + HNO3 + PAN + RNO3 +pNO3-+NOz=NOyNOx第4页，共54页。一、氮氧化物的种类和性质NOx(NOy、NOz) NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、 N2O5、N2O2、N4ONOx = NO + NO2NOy = NO + NO2 + HNO2 + HNO3 + PAN + RNO3 +pNO3-+NOz=NOyNOx第5页，共54页。 我国的氮氧化物排放二、氮氧化物的来源与排放3000250020001500100050002007201120132014NOx排放

3、，万吨2012年份工业生活机动车集中式环保部环境统计公报第6页，共54页。电力20%工业燃料燃烧11%其他燃烧4%石化过程2%其他工业2%道路交通33%非道路交通25%其他2%美国的氮氧化物排放二、氮氧化物的来源与排放第7页，共54页。电力20%工业燃料燃烧11%其他燃烧4%石化过程2%其他工业2%道路交通33%非道路交通25%其他2%美国的氮氧化物排放二、氮氧化物的来源与排放第8页，共54页。二、氮氧化物的来源与排放氮氧化物排放来源 自然源 人为源自然界中的固氮菌、雷电等自然过程所产生多集中于城市、工业区等人口稠密地区第9页，共54页。三、氮氧化物排放的环境影响 NOx排放对NO2浓度的影响

4、我国北京及东北部二氧化氮污染严重Richter et al., 20088%55%35%2%2020-4040-60不同浓度区间城市比例60 /3图中颜色深浅表示1996-2004年NO2柱浓度变化纬度经度环保部环境统计公报第10页，共54页。 NOx排放对O3的影响2NO+HC+O NO +O23光照三、氮氧化物排放的环境影响NO2NOO3+hOHROHCRO2HO2RCHO第11页，共54页。NOx排放对PM2.5的影响PM2.5中NO3-的比例三、氮氧化物排放的环境影响城市时间PM2.5NO3-，%SO42-，%北京2012-20131716石家庄2013-20141016济南2010-

5、201312.522.5杭州201228.119.3第12页，共54页。103025201550硫酸根 硝酸根 氟离子 氯离子 铵离子 钙离子 镁离子 钠离子 钾离子 氢离子当量浓度比例，%NOx排放对酸雨的影响三、氮氧化物排放的环境影响8.3第13页，共54页。NOx污染控制的环境效益SO2NOXNH3VOC一次 PM一次污染酸沉降地表O3细颗粒物富营养化三、氮氧化物排放的环境影响第14页，共54页。热力型NOx高温下N2与O2反应生成的NOx四、氮氧化物减排措施与途径燃烧过程产生的NOx燃料型NOx 燃料中的固定氮 生成的NOx瞬时型NOx 低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的 NOx第1

6、5页，共54页。固定燃烧源氮氧化物排放控制技术四、氮氧化物减排措施与途径NOx控制技术燃烧调整烟气脱硝低 氧 燃 烧烟 气 再 循 环分 段 燃 烧再 燃 技 术低 氮 燃 烧 器选 择 性 催 化 还 原 法选 择 性 非 催 化 还 原 法吸 收 法吸 附 法电 子 束 法第16页，共54页。固定燃烧源氮氧化物排放控制技术四、氮氧化物减排措施与途径NOx控制技术燃烧调整烟气脱硝低 氧 燃 烧烟 气 再 循 环分 段 燃 烧再 燃 技 术低 氮 燃 烧 器选 择 性 催 化 还 原 法选 择 性 非 催 化 还 原 法吸 收 法吸 附 法电 子 束 法第17页，共54页。固定燃烧源氮氧化物排

7、放控制技术四、氮氧化物减排措施与途径NOx控制技术燃烧调整烟气脱硝低 氧 燃 烧烟 气 再 循 环分 段 燃 烧再 燃 技 术低 氮 燃 烧 器选 择 性 催 化 还 原 法选 择 性 非 催 化 还 原 法吸 收 法吸 附 法电 子 束 法第18页，共54页。第九章 固定源氮氧化物的污染控制选择性催化还原技术第19页，共54页。温度：290430。还原剂：氨、尿素潜在副反应：(450)一、选择性催化还原技术(SCR)原理4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O2NH3 N2 + 3H24NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O2SO2 + O2 2SO3催化剂：贵金属、金属氧化物、炭基催化

8、剂、分子筛。主反应4NH3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O8NH3 + 6NO2 7N2 +12H2O吸附催化剂表面解吸附扩散反应4NO O24NH34N2扩散6H2O第20页，共54页。一、选择性催化还原技术(SCR)原理N2H2OHHNHHOO-Me-O- -Me- NH3吸附于活性中心H O活性中心NH3H2OO2NO4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2OONHHHNHOO-Me-O- -Me-NO同NH3反应HOHO-Me-O- -Me-活性中心再生B酸中心O新催化剂 -Me-O- -Me-快反应慢反应第21页，共54页。类型WO3MoO3类型WO3MoO3S

9、iO25.13.4Na2O0.010.01Al2O30.653.9K2O0.020.02Fe2O30.010.14SeO21.13.4TiO279.773.3P2O50.010.01CaO0.790.01V2O50.591.6MgO0.010.01MoO3/12.9BaO0.010.01WO311.0/SCR催化剂的化学组成催化剂载体TiO2活性组分V2O5；V2O5-WO3；V2O5-MoO3二、SCR催化剂第22页，共54页。板式蜂窝式说明抗飞灰磨损能力优一般板式不锈钢作为基料抗堵塞能力优一般板式几何形状弯角较少烟气阻力良一般蜂窝式与烟气接触面积大催化剂体积一般优蜂窝式比表面积大，体积小机

10、械强度优一般抗热冲击能力一般优板式多层结构催化剂可再生性差优一般组合成211m3的 模块，其比表面积为 5001000 m2/m3SCR催化剂的结构形式二、SCR催化剂第23页，共54页。SCR催化剂的烧结、中毒和结垢 催化剂烧结：通过加入钨解决二、SCR催化剂PRIMARY PARTICLE OF TIO2SECONDARYPARTICLE OF TIO2FRESH CATALYSTHEAT SINTERED CATALYSTTPiORIM2 ARYPARTICLE OF一级颗粒TIO2新催化剂热烧结的催化剂一级颗粒TiO2二级颗粒TiO2一级颗粒新催化剂热烧结的催化剂第24页，共54页。S

11、CR催化剂的烧结、中毒和结垢 碱金属中毒：要求灰分中Na2O1.0%, K2O3.0%。FRESHGASEOUS ARSENIC DETERIORATUIONFR新催化剂ESHGASEOUS A催化剂砷中毒RSENIC DETERIORATUION-Me-O-Me-O-Me-HOOOOOO-As-O-As-O - As- OOO-Me-O-Me-O-Me-As2O3O2催化剂砷中毒新催化剂二、SCR催化剂FRESH CATALYSTAKALINE DETERIORATIONHOO-Me-O- - Me-Na (K) OO-Me-O- - Me-NaNa+ (K(K=)新催化剂失活的催化剂 砷中

12、毒：要求煤中砷浓度低于5mg/kg。Na+(K+)第25页，共54页。SCR催化剂的烧结、中毒和结垢 结垢：非金属氧化物的沉积二、SCR催化剂FRESH新FRESH催化剂CCaSOaSO44CCaSOaSO44新催化剂新催化剂结垢的催化剂2NH3 +SO3 +H2O (NH4)2SO4CaSO4CaSO4第26页，共54页。三、SCR工艺布置SCR脱硝工艺：高温高尘布置 烟气温度满足催化剂运行条件； 催化剂应防中毒和堵塞；省煤器 旁路 二氧化硫氧化 WO3竞争表面的碱性位锅炉烟气排放旁路第27页，共54页。 热端电除尘器去除灰分，并有较适宜的催化温度； ESP在高温下很难正常运行，因此工业应用

13、不多； 二氧化硫氧化。SCR脱硝工艺：高温低尘布置三、SCR工艺布置150370370经济旁路热静电 除尘器氨气注入及分布370SCR烟气至锅炉二次空气锅炉第28页，共54页。SCR脱硝工艺：低温低尘布置 对催化剂材料没有要求； 催化剂使用寿命长； 不存在三氧化硫问题； 需要配备GGH，将烟气加热 到一定温度，以满足催化剂 的运行要求； 投资和运行成本高于高尘布 置方式； 适合于老厂改造。三、SCR工艺布置3701509060340370370锅炉SCR反应器空气预热器空气电除尘器湿法脱硫装置气/气加热器氨第29页，共54页。三、SCR工艺布置空气预热器液氨储罐锅炉负荷信号NOx监测仪FIC锅

14、炉烟气喷氨栅格SCR反应器稀释空气去ESP/FGD氨蒸发器第30页，共54页。四、SCR脱硝反应器气流 入口氨喷射格栅气体混合器检修门吹灰器单轨系统气流出口催化剂装载门备用催化剂层催化剂模块SCR反应器折角导流栅整流栅第31页，共54页。时间，年脱硝效率，%安装备用催化剂更换80更换更换391215四、SCR催化剂工程催化剂的寿命管理第32页，共54页。温度铂、钯等贵金属：175290金属氧化物： 260450沸石： 345590活性炭： 100150五、SCR脱硝效率影响因素NOx转化率，%第33页，共54页。NH3/NOx摩尔比五、SCR脱硝效率影响因素脱硝效率，%NH3逃逸率，10-61

15、0090807060500.50.71.31.51009080706050反应温度：3500.91.1NH3/NOx摩尔比第34页，共54页。停留时间五、SCR脱硝效率影响因素脱硝效率，%10080604020050100150200250300停留时间，ms当停留时间 t 较短时，NOx去除效率 随 t 增加而增加，当 t 大于200ms， 逐渐下降。第35页，共54页。SCR优点:工艺成熟，广泛应用于燃气、燃油和燃煤锅炉；NOX削减率可以达到9095以上；氨泄漏量低，02.5 mg/m3。六、SCR与SNCR技术比较第36页，共54页。第九章 固定源氮氧化物的污染控制9-2 低氮氧化物燃烧

16、技术第37页，共54页。 燃烧区温度及其分布一、影响NOx形成的因素1000NOX排放量，ngJ-11000120014001600温度，500400热力型300200燃料型瞬时型第38页，共54页。一、影响NOx形成的因素空气过剩系数cNO，mgmN-3 燃烧区温度及其分布 氧浓度：空气燃料比； 反应时间：燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间；第39页，共54页。二、传统低氮氧化物燃烧技术传统低NOx燃烧技术低氧燃烧降低助燃空气预热温度烟气循环燃烧分段燃烧技术再燃技术第40页，共54页。二、传统低氮氧化物燃烧技术燃烧器出口O2含量，%NOx，mgm-3低氧燃烧与燃料种类、燃烧方式以及

17、排渣方式有关；CO、HC、碳黑产生量增加。最小空气过剩系数第41页，共54页。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；降低火焰区的温度峰值，适合燃气锅炉。二、传统低氮氧化物燃烧技术NOx，mgm-3空气预热温度，第42页，共54页。降低氧浓度和燃烧区温度主要减少热力型NOx再循环风机去引风机送风机空气烟气混合器空气 预 热 器锅 炉烟气循环燃烧二、传统低氮氧化物燃烧技术第43页，共54页。二、传统低氮氧化物燃烧技术烟气再循环，%NOx降低百分数，%烟气循环燃烧适合液态排渣炉、燃油和燃气锅炉；不适于固态排渣炉。第44页，共54页。燃尽风喷口一次风、煤粉 和二次

18、风保证完全 燃烧低氧燃烧 抑制NOx 生成燃尽风风量：5%30%喷嘴位置分段燃烧技术 第一段：氧气不足，烟气温度低，抑制燃料型和热力型NOx生成； 第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低， 动力学上限制了NOx的生成。二、传统低氮氧化物燃烧技术第45页，共54页。二、传统低氮氧化物燃烧技术NOx生成量，ng/J空气过剩量，%燃尽风风量一般为理论空气量的5-30%煤分段燃烧时NOx的生成量第46页，共54页。 在炉膛的特定区域内注入再燃燃料(占燃料总量的10% 30%)； 再燃燃料：天然气；微细的煤粉(停留时间长)； 与燃尽风配合使用可减少60%的氮排放。再燃技术二、传统低氮氧化物燃烧技术过燃 空气再燃燃料主燃 料燃烧空气燃尽区：正常过量空气再燃区：燃料稍富余NOx被还原成N2主燃区：降低的燃烧速率低过量空气较低的NOx第47页，共54页。二、传统低氮氧化物燃烧技术再燃燃料的种类对NOx排放浓度的影响无再燃燃料NOx，ppm第48页，共54页。三、先进低氮氧化物燃烧技术空气/燃料分级低氮燃烧器第三代低氮燃烧器炉膛内整体空气分级的低氮直流燃烧器第二代空气分级的低氮旋流燃烧器第49页，共54页。 减少NOx排放20%60%三、先进低氮氧化物燃烧技术炉膛整体空气分级的低NOx燃烧器 燃尽风量：5 %30%，燃煤炉20%。四角切圆燃烧器