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1、氮氧化物的排放及控制 周俊虎 教授 浙江大学热能工程研究所 能源清洁利用国家重点实验室 浙江百能科技有限公司 2011.03.27,我国能源结构和消费特点, 能源资源总量多，但人均耗能少，大大低于世界平均水平； 能源消费结构不合理，仍以煤为主，洁净能源比例，如气、核能很低； 能源资源的生产和布局不协调，北煤南运，西电东送，西气东输将是长期的格局； 煤炭品质低，洗选率低，造成燃烧污染严重,全球关注的三大污染现象, 温室效应 全球变暖，主要与CO2、CH4、N20、CO、氟里昂，臭氧等。大气中CO2浓度增加1倍，地球表面大气温度升高1.54.5度。 臭氧层破坏 主要氯氟烃类化学物质（用CFCl表示
2、）， NOx ，CH4 酸雨 国土面积30%，几百亿以上损失,导致多种环境影响的空气质量管理,NO3- Deposition and NO3- Concentration in Precipitation,中国酸雨在发展,Nx污染的环境影响,诱发大气复合污染,“One Atmosphere”,能见度降低 大气氧化性增强 以城市为中心，呈区域性,氮氧化物污染受到国际同行关注,Da,Chinas spectacular economic growth has brought many benefits and some challenges: the worlds largest amount o
3、f NO2 hanging above Beijing and northeast China. reported in Nature (Sep.1,2005).,全球NOX排放量,SO2,NH3,NOX,NOx的排放趋势,不同燃料品种对NOX排放总量贡献,燃煤是最大来源： 6070% 柴油、焦炭、汽油次之,近年燃煤贡献率略有下降 汽油、柴油贡献率上升较快,不同时期各国单位发电量NOx排放水平 g/kWh,我国近15年电站锅炉NOx总排放量,火电NOx排放总量预测,若不加控制,153,153,欧盟2001年NOx排放标准（燃煤电厂）,我国的污染控制标准,2004年 火电厂大气污染物排放标准GB
4、13223-2003 火力发电锅炉机组氮氧化物最高允许排放浓度单位： mg/Nm3,NOX优先控制领域,火电厂 排放量大，排气集中有利于采取控制措施； 已有成熟的商业化控制技术； 解决我国区域酸雨污染问题的关键之一； 对地区烟霾形成的贡献 机动车 保有量增长迅速，尤其大城市； 排气高度低，地形影响大； 大城市局地空气污染的贡献大.,电站锅炉NOX控制技术选择,燃烧系统优化 燃烧改进措施 烟气脱硝技术,煤氮的反应路线取决于氮的赋存形态及其所处的反应环境!,NOx的三种生成机理,热力NO 燃料NO 快速NO 对于燃煤， 燃料NO占70%-85% 热力NO占15%-25% 其余为少量的快速NO。,简
5、单，投资少 脱除效率？,脱除效率高 燃煤灰分适应性？ 现有锅炉改装困难？ 添加 NH3 或 CmHn,脱除效率高 系统复杂 投资成本高,干法,湿法,高温 900,中温 200,低NOx燃烧,再燃,选择性非催化还原,SCR,NSCR,NOx（主要NO)脱除方法与技术现状,SCR技术发展历程,1959年在美国发明并获得专利，实现工业应用 1970年代，在日本首先用于控制电站NOx排放。 目前采用该技术改造电站锅炉的最大容量为750MW，最大新建锅炉容量为1000MW。 2000年，我国福建首先引进SCR技术控制电站NOx排放。目前我国NOX排放总量已超过1100万吨/每年，其对环境的破坏日益引起人
6、们的重视。 最大优点：脱硝率可超过90%,SCR法脱除NOx的机理图,N2 + H2O,锅炉,省煤器,入口风门,SCR旁路风门,空气,送风机,引风机,烟气,空气预热器,出口风门,SCR催化剂反应器,SCR法脱除NOx的示意图,烟气SCR脱硝法采用催化剂促进氨与还原反应。 若使用钛和铁氧化物类催化剂，其反应温度为300oC至400oC， 当采用活性焦炭时，其反应温度为100oC至150oC。 根据CATA. 反应器在锅炉尾部烟道的位置,有三种方案: (1)在空气预热器前350摄氏度位置. (2)在静电除尘器和空气预热器之间 (3)布置在FGD(湿法烟气脱硫装置)之后,SCR喷氨法催化剂反应器(S
7、CR反应器) 置于空气预热器前的高尘烟气中,锅炉,静电除尘器,SCR反应器,空气预热器,NH3储罐蒸发器,去湿法烟气脱硫系统,NH3,空气,NH3,NH3+空气,SCR喷氨法催化剂反应器置于空气预热器与静电除尘器之间,锅炉,静电除尘器,SCR反应器,空气预热器,NH3储罐蒸发器,NH3,NH3+空气,湿法烟气脱硫系统,空气,去烟囱,空气,SCR喷氨法催化剂反应器布置在FGD (湿法烟气脱硫装置)之后,锅炉,静电除尘器,SCR反应器,空气预热器,NH3储罐蒸发器,NH3,NH3+空气,湿法烟气脱硫系统,空气,气/气加热器,去烟囱,空气,气/油燃烧器或蒸汽换热器,SCR的不足,催化反应温度受限，典
8、型温度在300-400 催化剂活性维护除去烟气中硫、灰分 催化剂寿命短：一般4年，且很难再生 费用高 氨剂残留问题 系统复杂：省煤器和反应器均应设计有旁路；SCR反应器体积庞大影响空预器和锅炉运行,非选择性催化还原法SNCR,较为成熟的商业性NOx控制处理技术 SNCR方法主要使用含氮的药剂在温度区域8701200喷入含NO的燃烧产物中，发生还原反应，脱除NO，生成氮气和水 SNCR在实验室试验中可达到90以上的NO脱除率 在大型锅炉应用上，短期示范期间能达到75的脱硝效率，典型的长期现场应用能达到3050的NOx脱除率,SNCR应用情况,20世纪70年代中期在日本首次工业应用 在欧盟国家从8
9、0年代末也开始SNCR技术的工业应用 美国的SNCR技术应用是在90年代初开始 目前世界上燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量在2GW以上 浙江大学自主研发的SNCR技术目前正在北京、广州的410t/h锅炉上实施，预计明年初将投入运行。,SNCR技术优点,SNCR相对低NOx燃烧器和SCR的初投资低 停工安装期短 原理简单，硬件工艺成熟 对于改装锅炉，受锅炉设计和运行工况等因素限制，最大的问题是锅炉烟气在一定温度范围内的停留时间是否足够SNCR过程的反应需要。,SNCR的氮剂喷入位置,后燃烧区 炉膛上部 水平对流烟道,氮剂及其喷射技术,SNCR技术中脱除NO的还原剂包括： 氨 尿素 氰尿酸 各种铵
10、盐 效果最好、实际应用最广泛的是氨、尿素和氰尿酸。使用压力或者风力雾化器，在喷入炉膛之前雾化好 氨剂的喷射 使用压力或者风力雾化器，在喷入炉膛之前雾化好 用高速的携带流送入炉膛（常用空气），喷入后靠高温的烟气冲击雾化,影响SNCR脱硝效果的因素,温度范围 合适的温度范围内停留时间 混合、未控制的NOx浓度水平 还原剂与NOx摩尔比 反应气氛 添加剂种类,浙江大学研究结果,氨水温度范围较宽，在8001100，还原率50以上； 尿素在900还原效率最高达到80以上，但温度较窄，要达到50以上的还原效率，温度需在8501000。,SNCR方案 浙大热能,低NOx燃烧技术,锅炉运行燃烧优化 低氧运行燃
11、烧技术 空气分级燃烧技术 烟气再循环技术 低NOx燃烧器 燃料再燃烧技术,NOX排放控制技术多种多样，需要系统评价,低NOX燃烧技术策略 空气分级的低NOx旋流燃烧器 一次火焰区：富燃，N组分析出但难以转化 二次火焰区：燃尽CO、HC等,NOX排放控制技术多种多样，需要系统评价,低NOX燃烧技术策略 空气/燃料分级的低NOx燃烧器 空气和燃料均分级送入炉膛 一次火焰区下游形成低 氧还原区，还原已 生成的NOx,低NOx燃烧器,低NOx燃烧器投资小、见效快、适应性好、运行成本低，是应用最广泛的NOx控制技术之一。 低NOx燃烧器可单独使用，也可与烟气脱硝技术结合，实现低成本高效脱硝,浙江大学低N
12、Ox直流燃烧器,可使锅炉NOx排放降低至400mg/m3左右，已在国内近百台燃煤锅炉上获得成功应用,再燃和高级再燃,再燃技术的发展,德国Babcock公司在80年代提出的IFNR（In Furnace NOx Reduction）技术，即Reburn技术 日本三菱公司最早商业化 在600MW电站锅炉上实现NOx排放120mg/Nm3 日本三菱重工和川崎公司、德国巴布科克（Babcoak）和斯坦谬勒（Steinmuller）公司、美国通用-能源与环境研究公司（GE-EER）等都投入研究开发力量，取得了很大的成就，使再燃技术很快商业化。,煤粉炉煤粉再燃的特点（1）,优点 脱硝效果令人满意脱硝率在3
13、070%之间 燃料普遍 炉型适应性广 设备简单，安装、改造工作量小 初期投资和运行成本相对低廉 机组运行的影响小 能够和其他技术结合使用 （尤其是新建造锅炉机组）,煤粉炉煤粉再燃的特点（2）,缺点 影响燃尽度 可能加重炉膛结渣 改进 加强煤风混合 增加燃烧时间和再燃煤粉细度 近炉壁区保持富氧状态,再燃区气氛的影响,SR=0.6条件下，仅15比例再燃已能达到52.1的NO还原率； 再燃过程关键是营造局部还原性气氛，而非盲目增加再燃比例，15比例煤粉产生的CHi已足以满足还原NOx所需。 考虑到燃烬效率，煤粉再燃区化学当量比控制在0.81.0之间。,沉降炉 淮南煤 15比例再燃，t=1s， 煤粉细
14、度80m,再燃煤粉粒度对再燃效果的影响,再燃比例的影响,兖州煤（烟煤）再燃效果最好，25比例再燃时，达到了47的NOx还原率，晋城煤（无烟煤）最差，与煤种有关。 工程应用中建议选择2025左右，与炉型、煤种密切相关，同时要考虑燃烬的问题。,沉降炉 1200再燃 =1，t=1s， 煤粉细度80m,温度对煤粉再燃的影响,高温有利于加速再燃煤粉挥发份的析出，有利于NOx的还原 ； 过高的温度会引起热力型NOx的产生； 从试验结果来看，最佳温度在1300左右。,沉降炉 淮南煤 SR=1，t=1s， 煤粉细度80m,不同再燃燃料再燃效果,神华煤与淮南煤挥发份相差不大，分别为26.9和25.4； NOx还
15、原效果却有5左右的差异；,浙江大学常规煤粉再燃技术,浙江大学在广东瑞明电厂实施的SOFA技术,再燃技术效果,锅炉蒸汽压力、温度能够达到设计值 锅炉效率高 NOx排放维持在300mg/Nm3以下 NOx脱除率达到了52% 通过配风调整，NOx排放量可以进一步降低 锅炉结焦情况比改造前有所改善 飞灰含碳量平均值在2%左右 受热面壁温与改造前相比没有明显变化。 锅炉可以在180T/h450T/h负荷范围内不投油长期稳定燃烧,在北京410t/h低NOx燃烧将改前的630mg/m3左右降低到300mg/m3左右。,西安热工研究院：410t/h锅炉的测试数据,各种脱硝技术的组合,低NOx燃烧器+空气分级 低NOx燃烧器+再燃 低NOx燃烧器+SNCR 空气分级+SNCR 煤粉再燃+SNCR（高级再燃） SNCR+SCR（In-duct SCR) LNB+SNCR+SCR LNB+空气分级+SCR LNB+再燃+SCR LNB+再燃+SNCR+SCR,经济对比,谢谢！ 敬请多提宝贵 意见和建议！,周俊虎： 浙江大学 求是特聘教授 浙江大学热能工程研究所 副所长 能源清洁利用国家重点实验室 副主任 浙江百能科技有限公司 董事长 电话：13805736700 Email:enejhzhou,
