集中供热锅炉NO_x的污染控制对策.pdf

集中供热锅炉 NOx的污染控制对策 李 薇 1 丁晓雯 1 马文静 2 安 楷 1 葛大陆 3 1. 华北电力大学能源与环境研究中心, 北京 102206; 2. 北京朗新明环保科技有限公司, 北京 100088; 3. 中国环境科学研究院, 北京 100012 摘要 集中供热建设项目环评中, 选择采用低过量空气系数的锅炉本体设备及加强锅炉运行管理方案来控制 NOx排 放。 选用的锅炉过量空气系数低于1. 43, 同时控制过量空气系数 α数值 , 最终烟气中 NOx排放浓度折算为143mg m3, NOx能达标排放。 关键词 集中供热 环境影响评价 NOx污染控制 0 引言 随着工业和经济的发展, 民用及工业用热量迅速 增加, 为防止由分散污染转化为集中污染 ,锅炉大气 污染物的控制是环境影响评价工作的重中之重。在 锅炉的煤燃烧过程中, 会产生烟尘 、 NOx和 SO2等大 气污染物 , NOx和SO2是形成酸雨的主要污染源, 易 与大气中的NH3、 金属氧化物等碱性物质形成气溶胶 烟雾, 降低可见度, 引起交通事故 。NOx和烃类化合 物在强烈阳光的作用下, 极易生成光化学烟雾等二次 污染物。NOx也会对臭氧层起破坏作用, 对地面生物 和人类造成危害 [ 1 -2] 。 北京市新颁布并于 2007 年 9 月 1 日开始执行的 锅炉大气污染物排放标准 DB11 139 -2007 中 ,规定 新建 、改建 、扩 建锅 炉 NOx排放 的浓 度 限值 为 150 mg m 3 。在北京某集中供热建设项目的环境影响 评价中 ,通过对 NOx控制技术的研究, 探索出一种实 用、 简易、有效的层燃燃煤热水锅炉 NOx控制方法 。 1 燃煤锅炉 NOx的形成及控制 1. 1 燃煤工业锅炉NOx的产生机理及主要影响因素 在锅炉中煤燃烧过程 NOx的产生机理如下 1 空气中体积分数约为 78的 N2在高温下被 氧化, 生成 NOx。气体温度越高, NO 的生成量越多。 高温状态下生成的 NO 经冷却, 一部分分解成 N2和 O2,一部分不分解以 NO 状态被排出 , 还有一部分则 被过量空气中的 O2氧化生成 NO2。 2 燃料中含有各种氮化物, 在燃烧时有 30～ 40 转化为 NOx。燃烧温度越高 , 过量空气系数越 大,NOx的转化率越高 [ 3 -4] 。大量测试数据表明 [ 3] , 几 乎所有锅炉 NOx排放浓度都随着炉膛出口过剩空气 系数的升高而增加, 回归分析得出 φ NOxm φ O2 n ,其中系数 m 因设备和燃烧工况而异 , φ O2 为炉膛出口烟气中氧的体积分数 。由 NOx的形 成条件可知, 燃烧区域的温度和过量空气量是 NOx 形成的关键因素 。 1. 2 对NOx的控制方法 目前国内外主要对电站燃煤锅炉 煤粉炉 的 NOx排放进行控制 ,分炉内降低NOx产生的燃烧技术 及烟气脱硝技术两类 。 1. 2. 1 炉内降低NOx的产生 即控制炉膛内燃烧过程中 NOx的生成 , 从理论 上优于烟气脱硝 。其燃烧技术如下 1低过量空气系数 α燃烧技术。从 NOx的生 成机理及影响因素来看, 燃烧过程中过量空气越少, NOx的生成量越少。在低氧量运行时 ,火焰周围将出 现大量的还原性气体及未燃烬的碳粒,这使得由燃料 氮生成的中间体 HCN ,NH3等 得不到足够的氧而无 法生成NOx, 而且还会使部分已生成的 NOx还原为 N2。但是氧量过低会使燃烬过程推迟,导致机械和化 学不完全燃烧损失增大 。因此根据设备条件和燃料 特性, 对燃烧过程的 α 进行调整 ,可以得到既安全经 济,NOx排放量又小的运行工况 [ 5-6] 。 国内对层燃燃煤工业锅炉 NOx排放的控制开展 了研究 ,中国科学院过程工程研究所通过改变小于 1 t h层燃燃煤工业锅炉炉膛燃烧结构,使 NOx排放浓 度控制在100 mg m 3左右。 2 空气分级燃烧技术 。其主要原理是将燃料的 41 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 燃烧过程分段进行。将燃烧用风分为 1、 2 次风,减少 煤粉燃烧区域的空气量 1次风 , 提高燃烧区域的煤 粉浓度, 推迟 1、 2 次风混合时间 ,这样煤粉进入炉膛 时就形成了一个富燃料区 ,使燃料在富燃料区进行缺 氧燃烧 ,以降低燃料型 NOx的生成。缺氧燃烧产生 的烟气再与2 次风混合,使燃料完全燃烧 。 3 燃料分级燃烧技术 。该技术是将锅炉的燃烧 分为 2 个区域进行,85 左右的燃料送入第 1 级燃烧 区进行富氧燃烧 , 生成大量的 NOx, 在第 2 级燃烧区 送入 15的燃料 , 进行缺氧燃烧 , 将第 1 区生成的 NOx进行还原, 同时抑制 NOx的生成 ,可降低 NOx的 排放 [ 7] 。 综上所述, 国内外对层燃燃煤工业锅炉 NOx排 放的脱硝控制措施中, 低 NOx燃烧技术措施 包括一 次措施和燃烧分级 一直是应用最广泛的措施 。 1. 2. 2 烟气脱硝技术 烟气脱硝技术是把已经生成的 NOx通过某种手 段还原为 N2。适用在役或在建的无脱硫、脱硝装置 的锅炉,可与脱硫同时进行,此项技术投资大 ,运行成 本高, 属于这类措施的有再燃烧技术、选择性催化还 原法 SCR 、选择性非催化还原法 SNCR 、 电子束及 电晕放电等技术 [ 8 -9] 。 1 SCR 烟气脱硝技术 。在催化剂作用下, 向 280～ 420 ℃的烟气中喷入 NH3, 将 NOx还原成 N2和 H2O。其不足是 NH3的刺激性大 ,必须对NH3进行严 格的化学计量, 将其排放体积分数控制在 510 -6以 下,以免造成对环境的二次污染; 液氨的运输 、 贮存和 释放系统也需严密监控, 以免发生泄露事故 ; 另外催 化剂容易堵塞, 同时由于副反应的发生会加剧空气预 热器的堵塞和腐蚀 。目前我国正处于 SCR脱硝项目 示范阶段, 已运行和在建的 SCR 装置主要处于环保 指标要求较严格的城市和新建的大型燃煤火电 机组 [ 10] 。 2 SNCR 烟气脱硝技术。 选择性非催化还原 SNCR是向烟气中喷氨或尿素等含有 NH3的还原剂, 在高温和没有催化剂的条件下, 通过烟气中 NH3与 NOx反应 , 把 NOx还原成 N2和 H2O 。在 SNCR 工艺 中,由于烟气中O2浓度一般比NOx浓度高许多, 不但 耗去大量的还原剂, 而且反应热使床温急升。实际运 行的脱氮效率也较低, 通常 NH3 NOx物质的量比为 1. 2～ 1. 5 时,去除率只有 35～ 45, 脱硝后烟气中 仍会有10～ 15 mg L的剩余氨 [ 11- 12] 。 根据火电厂大气污染物排放标准 GB13223- 2003 的国内外调研资料表明 , 烟气净化 SCR工艺脱 硝设备初投资是同容量机组脱硫设备 1. 3 ～ 1. 5 倍, 其运行费用是同容量机组脱硫设备 5 倍以上。 3 电子束或电晕放电脱硝技术 。电子束或电晕 放电法的原理是在烟气中加入少量氨、水蒸气或甲 烷,再利用电子加速器或电晕放电产生的高能电子 流,直接照射待处理的气体 ,通过高能电子与气体中 的O2及H2O 碰撞 ,使之离解 、 电离, 形成非平衡等离 子体, 其中所产生的大量活性粒子与污染物进行反 应,使之氧化去除。电子束照射法的缺点是 1 能量 利用率低。当电子能量降到3 eV以下后, 将失去分解 和电离的功能, 剩余的能量将被浪费掉; 2 电子束法 所采用的电子枪价格昂贵, 电子枪及靶窗的寿命短, 所需的设备及维修费用高昂; 3 设备结构复杂 ,占地 面积大,射线的屏蔽与防护问题不容易解决。上述原 因限制了电子束法的实际应用和推广 [ 13] 。 2 集中供热锅炉 NOx排放的控制对策 北京远郊区某开发区集中供热建设项目计划以 5 台 64MW 热水锅炉,替代现有分散锅炉房中小供暖 锅炉 。 该集中供热项目采用控制过量空气系数的低氮 燃烧技术来控制 NOx的产生。同时在烟囱和渣廊的 南部 ,预留脱氮场地 ,待经济和技术条件成熟后,选择 安装合适的烟气脱硝装置 。 1 选购低过量空气系数的锅炉本体设备 。天津 某公司生产的DZL3 型64MW 锅炉 α 1. 5 平均值为 1. 39 。其锅炉热效率及过量空气系数的热工检测结 果见表1。 DZL3型 64MW 燃煤热水锅炉采用了先进的结构 设计 ,NOx排放质量浓度为100. 1 mg m 3 ; 该公司生产 的DZL3型 70 MW 链条热水锅炉,NOx排放质量浓度 为156. 0 mg m 3 。 DZL3 型燃煤热水锅炉降低 α采取的主要措 施是 1 采用上置单锅筒 ,下置三锅壳 ,纵置式, 链条炉 排水火管专利结构; 2 锅炉的炉墙采用密封性能优良的膜式壁轻型 炉墙加外护板结构, 漏风少,保温好 ; 3 配置先进的横梁式炉排和分层分行给煤煤斗 ; 4 自控柜内配装氧化锆传感器, 可以自动及时测 42 环 境 工 程 2008年 10 月第 26卷第 5 期 试烟气中O2含量,及时了解过量空气系数,便于锅炉 运行操作管理。 2 强化运行管理 , 减少运行操作和脱硫除尘设 施的漏风 。采用低过量空气系数运行控制 NOx排放 的关键在于强化运行管理, 及时了解 α 数值, 通过烟 气在线监测仪器 ,随时了解烟气中的含氧量以控制过 量空气系数。 表 1 DZL3型大容量热水锅炉热工检测结果 锅炉容量 th- 1 热效率 正平衡反平衡 测试 负荷 过量空 气系数 α 排烟 温度 ℃ 散热 损失 65. 784 . 0285 . 78103 1 . 302 159 . 80. 93 41. 481 . 9984 . 2270. 71 . 412124 . 02. 40 83 . 0685 . 9099 . 721 . 402132 . 01. 70 82 . 6385 . 01108 . 81 . 412142 . 01. 56 10085 . 8488 . 941041 . 442156 . 00 . 8 82. 983 . 0684 . 321061 . 561135 . 00 . 8 注 1 早期产品, 炉体内未安装增加膜式水冷壁, 故过量空气系数 略高。 2 平均过量空气系数1. 39。 3 结论 集中供热锅炉运行的特点是负荷变化大 ,且居民 的采暖支出有限 。在考虑经济 、 技术和居民承受能力 的前提下, 全部要求采用烟气净化装置控制 NOx排 放的条件尚不成熟。 北京某集中供热建设项目选择了采用低过量空 气系数 α 的锅炉本体设备 , 及加强锅炉运行管理的 方案, 可使 NOx的排放低于北京市锅炉大气污染物 排放标准 DB11 139 -2007 中, 新建、改建、扩建锅炉 NOx排放的浓度限值 150 mg m 3 的要求。 参考文献 [ 1] 侯建鹏, 朱云涛, 唐燕萍. 烟气脱硝技术的研究. 电力环境保 护, 2007, 23 3 24 -27 [ 2] 苏剑波, 钟玉鸣. 氮氧化物排放控制技术的研究进展. 广东化 工, 2007, 34 1 56-62 [ 3] 付国民. 煤燃烧过程中 NOx的形成机理及控制技术. 工业安全 与环保, 2005, 31 7 14-17 [ 4] 冯攻磊, 罗永浩, 陆方, 等. 层燃炉低 NOx再燃烧技术的实验研 究. 动力工程, 2004, 24 1 29 -32 [ 5] 刘志超. 燃煤锅炉NOx排放浓度影响因素的试验和分析. 电站 系统工程, 2005, 21 5 30-34 [ 6] 王方群, 杜云贵, 刘艺, 等. 国内燃煤电厂烟气脱硝发展现状及 建议. 电力环境保护, 2007, 23 3 20 -23 [ 7] 李海生. 大型燃煤锅炉硫与氮的控制技术研究. 科技咨询导报, 2004 14 23 [ 8] Tadao Nakatsuji , Manabu Matsubara, Juhana Rouistenmaki, et al. A NOxreduction systemusingammonia-storageselectivecatalytic reduction in rich lean excursions. AppliedCatalysis B Environmental, 2007, 77 190 -201 [ 9] Javeda M T , Naseem I, Gibbs B M . Control of combustion -generated nitrogen oxides byselective non -catalytic reduction. Journalof Environmental Management, 2007, 83 251 -289 [ 10] Han K H, Lu C M. Kinetic model and simulation of promoted selective non -catalytic reduction by sodium carbonate .Chinese Journal of Chemical Engeering , 2007, 15 4 512 -519 [ 11] Habib M A , Elshafei M, Dajani M . Influence of combustion parameters on NOxproduction in an industrial boiler. Computers for construction noises, there are no constructions at night, anti noise walls are set up. Insufficient supervision of environment. less in environ - mental protection and lack of scientific management are the main factors to pollute environment by building constructions. The relevant solutions are proposed based on perfection of specifications and laws, enhancement of construction management, and improvement on construction techniques etc. Keywords building construction attitude to environmental protection questionnaire THE SIMULATION OF MASS BALANCE AND AIDED DESIGN IN SCR FUME DENITRATION SYSTEMDu Yungui Wu Qirong Yu Yu 35 Abstract SCR selective catalyst reductiondenitration technology is one of the main fume denitration technology in thermal power plants, whose mass balance calculation is an important means of guiding practice and technological design.Based on technical principle of SCR fume denitration and the experience of engineering practice, itwas explored the program for mass balance of SCR and simulated the main technological parameters of SCR system, as well as developed the auxiliary design function of each device. Keywords flue gas denitration SCR mass balance program design aided design SMOKE PURIFICATION AND ENERGY-SAVING TECHNOLOGICAL TRANSATION FOR CHARGING CAR OF COKE -OVENChen Yingying Wang Haitao 38 Abstract Smoke purification of charging car of coke -oven isone of the key points in coking plant smoke purification. This paper introduces how to trans smoke wet purification of the charging car of coke -oven to dry purification, including the effects of saving energy , water and re - ducing noise. Keywords charging car smoke purification energy -saving technology COUNTERMEASURES FOR CONTROLLING NOXPOLLUTION OF CENTRAL HEATING BOIL - ERSLi Wei Ding Xiaowen Ma Wenjing et al 41 Abstract The boilers with low excessair coefficient were chosen in the environmentalimpact assessment of a centralheating project, mean - while the scheme of enhancing managementof boiler operation was usedto control NOXemission. The low excessair coefficient of the selectedboil - erswas lower than 1 . 43, by which NOXemission concentration in fume could be reduced to 143 mg m3. The index of NOxcanmeet the emission standard. Keywords central heating environmental impact assessment control of NOXpollution THE DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY FOR ELECTROSTATIC PRECIPITATOR Liu Jun Shi Jianjiang 44 Abstract The power supply for anelectrostatic precipitator is the key part in the electrostatic precipitator system, and its perance is the key factor to improve the efficiency of the dust removal. The developmentof power supply for electrostatic precipitatorsisreviewed based on energy- saving and improvement of dust removal efficiency. It has three development trends, which is from single -phase power supply to three -phase power supply, from voltage regulation under line frequency to high frequency inverting and from one power mode to hybrid power mode. The high frequen - cy power supply for electrostatic precipitators is the developing trends andhas the advantages of flexible control, controlledwave of output high voltage and fast reaction under flashover and restart. Keywords electrostatic precipitation dedust efficiency three phase high frequency high voltage pulse MERCURY CONTROL TECHNOLOGIES FOR COAL -FIRED FLUE GAS Tian Lihui Li Caiting Zeng Guangming et al 48 3 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 5,October, 2008