燃煤氮氧化物排放控制技术刍议.pdf

G o n g y i Y u J is h u 三 至 燃煤氮氧化物排放控制技术刍议 王涛 广东省粤 电集团沙角 c电厂， 广东 东莞 5 2 3 9 3 6 摘要 对煤燃烧过程 中氮氧化物 的生成机理行 了分析探讨 ， 并提出了常用的控制 NO x 的方法 。 关键词 氮氧化物； 脱硝； 污染控制 0 引言 氮氧化 物包括 NO、 lq 『2 0、 NO 、 N2 0 等 ，化石燃料 燃烧过程 生 成 的氮氧 化物 主 要有 NO和 N 2 0，一般 把 这 2种 物质 称 为 N O ， 其中以NO为主。 N O 源 自燃料中的氮化合物和空气中氮 气 的氧 化过程 ， 因此分 为燃 料型 N0 和 热力型 NO 。燃料 中含 氮量的不同以及氮元素在燃料中赋存形式和燃烧方式的不同， 使 这 2种 氮氧 化物 的 比例 有很 大 区别 ，特 别是 在煤 的燃烧 过 程 ， 燃料型 N O 占主要部分。 1 氮氧化物 生成机 理分析 1 ． 1 NOx生 成 机 理 煤燃烧 过程中所排 放的 NO 一般是 指 N O和 NO ， 其中绝 大部分是 NO， 在火焰带下游或排放后 ， 一部分 NO转化 为 NO 。 1 热力型 N O 是由于在燃烧过程中空气 中的N 被氧化 而生成， 它主要产生于高温区。其反应如下 N2 0 No _N N O2 NO O NOH NOH 整 个反应 的速 率取决于 第一个 反应 ， 氧 原子在其 中起到 活 化链的作用。 2 快速型NO 生成量对温度的依赖性很低， 且产生于 1 的富燃料区， 在火焰面内侧快速生成。其反应如下 CHN2 HCN N CH2 N2 HCN NH HCNOH CNH2 O C N 02 CO NO CN O CO N NHOH NH2 0 NH十 0 NO H N OH NO H No2 NOO 快 速 型 N Ox生成 的关 键 是 C H 十 N 2 H C N N和 C H2 N 2 H C N N H 这 2个反应 。 从理论上讲， 没有 N 就不会生成快速型 N O ； 预混合燃烧 时， 由于在燃烧前燃料 与氧化剂 已经预先混合 好 ， 因此可 以有效地降低快速型 NO 和热力型 N0 的生成量 。 3 燃 料 中 的 C N 键 比氮 气 分 子 中的 N N 键 能 小得 多， 因此倾向于首先破坏。在生成 NO之前将会 出现低分子量 的氮化 合物 和 一些 自由基 N H 、 H C N、 C N、 N H， 等 ， 大部 分燃 料 氮首先在火焰 中转 化为 N H或 N H 2 ， NH或 N H 2 能够 和 O 2 反 应 生成 NO和 H 2 0，或 者与 NO反应 生成 N 2 和 1 - 1 2 0。燃 料型 NO 在燃烧室内局部高温条件下生成的自由基高浓度分布， 从 而影响了NO 的生成与还原。燃烧型NO 的生成与还原反应 包括挥发分 HC N和N H 的氧化与还原反应以及它们和活化 自 由基的反应、 焦炭表面的还原反应等。 一般来说， 气相中的燃料 引出线引出 1 引出线采用耐高温、 耐辐照硅橡胶线。 2 用电阻焊将线圈漆包线端头与引出线端头焊接， 焊点要光滑圆 整。 3 引出线线头处做密封处理， 以 免浸漆时 漆进入芯线。 3 棒 位探测器 线圈的真空浸漆 工艺 3 ． 1 绝 缘 结 构 棒位探测器采 用 H级绝缘 结构 ， 浸渍绝 缘漆采用恶 唑烷酮 绝缘浸渍漆， 该漆色泽浅、 外观漂亮、 贮存稳定， 其固化物强韧、 粘结力好、 电气性能优良。 3 ． 2真 空 浸 漆 工 艺 采用棒位探测器线圈绕组整体 2次真空浸漆工艺， 具体如下 1 白坯 预烘 ， 将工 件放入 1号罐 内， 以不 大于 6 0℃／ h的升温 速率加热工件 ，温度控制在 1 0 0 5 ℃范围，当缸内温度达 1 0 0℃时， 保温 3 0 mi n 。 2 第一次浸漆， 将工件放入 2号罐内， 待预烘绕组冷却到 6 5 ～7 5℃时， 抽真空， 待真空度到一 0 ． 0 9 ～ 一 1 ． 0 MP a ， 保持 1 0 mi n 。 3 滴 漆烘干 ， 滴漆时 间一般 为 9 0 mi n 。 在 1号罐内烘干， 以不大于 5 0℃／ h的升温速率加热工件， 温度 至 1 6 0℃， 保温 3 ～4h 。 4 第二次浸漆， 将工件放入 2号罐内， 待绕组冷却到 7 0 8 0℃时， 抽真空， 真空度到一 0 ． 0 9 ～一 1 ． 0 MP a ， 保持 1 0 mi n 。 5 滴漆烘干 ， 滴漆 时间一般为 9 0mi n 。 在 1 号罐 内 烘干， 以不大于 5 0℃／ h的升温速 率加热工件 ， 温度 至 1 6 0℃， 保 温 3 ～ 4h 。 4结语 棒位探测器采用整体绕制工艺， 克服了原来连接点多的弱 点。同时线圈选用耐高温抗辐照材料， 对棒位探测器线圈整体 采用二次真空浸漆绝缘处理， 使得控制棒棒位探测器的耐热等 级超 过 2 0 0℃ ， 辐 照累积 剂量 为 1 ． 9 X 1 0 O y ， 比原来 棒位探 测 器要求允许的累积辐照剂量 2 X 1 0 G y高出一个数量级。线圈 绕组与线圈接长引接线均为铜材， 在同种材料间进行电阻熔化 焊 焊接 ， 使连接 更可 靠 ， 克服 了原来 连接点采用 银焊 因时间长 而 导致其氧化 变黑 、 变脆 的缺 点。彻底 解决 了在棒位探 测器高 温和高辐射的环境下线圈断线和绝缘下降的问题， 使其工作寿 命超过 4 0年， 提高了整个棒控棒位系统的可靠性， 保证了压水 堆核 电站 的长期 安全稳 定运行 。 收 稿 日期 2 0 1 2 0 9 一 l 1 作者简介 姜迎新 1 9 6 2 一 ， 男 ， 江 苏常州人 ， 高级工程师 ， 研 究方向 机械设计。 机电信息2 0 1 3 年第 3 期总第 3 5 7 期 8 7 氮分 解和 由此 引起 的 NO 生成 与燃烧 的速度 相同， 因此燃料 型 NO 的生成特性 不仅受反应 区附近局部 空气 比和温度 的影 响， 同时还受到燃 料 的氧化 过程 、 自由基 0、 O H、 H 浓度等 局部燃 烧条件的影响。 也就是说， 与化学反应相比， 实际燃烧炉中燃料 型NO 的生成更主要的是被燃料和空气 的混合过程所控制 。 燃料型 N O 的控制方法主要是燃烧， 可分为 2大类 一是通过 改变煤 的燃烧条件 来减 少燃料 型 NO 的生成量 ，例如 分级燃 烧 ； 二是对燃烧后含 NO 的烟气进行脱硝 处理， 以减 少 NO 的 排放 量， 例如 S C R和 S N C R技术 。 1 ． 2 N ， O的生成机理 在流 化床燃 烧 温度 8 0 0 ～9 5 0℃范 围 内 ，煤 中 的挥 发 分 HC N、 N H， 与 自由基 O、 OH等发生反应生成 N 2 O ， 其反应机理是 HCN0 NC0十H HCN OH C N H2 0 CNO2 NCOO 然后 NCO NO N2 O斗 C0 NH NO N2 O H 以及 NH OH NH2 H2 0 NI - I 2 HNHH2 NHNO N2 OH NH2 N0 N2 0H2 N2 0的控制主要有 2种方法 1 通过改善燃烧抑制 N2 0， 例如提高燃烧温度和降低 o 浓度。 2 通过烟气处理来控制， 例如 烟气再燃烧 N 0 H N2 0 H， N2 0 OH Nz HO 2 ； 喷入可 燃 气体 C H 4 _ _ 4 N 2 O 4 N2 C O2 2 H2 0； 高温分解 N2 0 N 2 1 ／ 2 0 2 。 煤粉炉和流化床锅炉 N2 O排放的差异在于燃烧温度不同。 煤粉炉为 1 3 0 0℃左右， 流化床锅炉为 9 0 0℃左右， 因此煤粉炉 的 N O 浓度较高 ， 流化床锅炉 的 N2 0浓度较高 。 2 电厂中常用的控制 NO 的方法 2 _ 1 低 NO 燃 烧 技 术 1 空气分级燃烧。将燃烧所需的空气量分成 2级送入， 使 第一级燃烧区内过量空气系数在 0 ． 8左右，燃料先在缺氧的富 燃料条件下燃烧， 使得燃烧速度和温度降低， 从而抑制热力型 NO 的生成。 2 燃料分级燃烧。将燃料分级送入炉膛， 在燃烧 区火 焰的上方喷入额 外 的碳氢燃 料 ，以建立 一个 富燃料区 ， 使 生成 的 NO 转化 为 H C N， 并最终 得到无害 的 N2 。再燃 区的上 面还需布置第三级燃烧区 燃烬区 ， 以保证在再燃区中生成的 为完全燃烧产物 的燃 烬 ，所 以这种再燃法又 叫三 级燃烧技术 。 3 烟气再循环 法。除空气和燃料分级燃烧 降低 NO 的排放量 外， 目前使用较多的还有烟气再循环法。它是在锅炉的空气预 热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内参与燃烧， 或者经过 与一次风 二次风 混合 后送入炉 内， 这样不但 可以降低燃烧温 度 ， 而且还 能降低 O 浓度 ， 从而 降低 NO 的排放浓度 。除 以上 比较常用的降低 NO 的技术外， 还有低过剩空气燃烧、 浓淡偏 差燃烧 、 低 N O 燃烧 等燃烧技术 。 2 ． 2烟 气 脱 硝 技 术 烟气脱硝技术按其作用原理不同， 可分为催化还原、 吸收 和吸附 3类 。 目前 ， 催 化还 原法 占主流地 位 ， 主要是 NO 经还 原后成 为无毒 的 N2 和 H 0，副产 物便于 处理 。 目前世界 上有 9 0 ％以上的烟气 脱硝装置采用催化还 原法 。根据是否采用 催化 剂 ， 催化还原法脱 硝技术又分 为选择 性催化还 原法 S C R 和选 择性非催化还原法 S NC R 。S C R法 是 目前工业 上应用最广泛 的一种 脱硝工 艺， 可 应用于各 种 电站锅炉 、 工业锅 炉 、 内燃 机 、 化工厂及炼钢厂等 ， 其脱硝效率可达 8 5 ％以上 。 1 选择性催 化还原 S C R 烟气 脱硝技 术 。选 择性催 化还 原法脱硝 ， 是在催化剂和 0 存在 的条件 下， 采用 N H 、 C O 或碳 氢化合物等作为还原剂， 将烟气中的 NO还原为 N ， 其基本的 反应方程 式为 4NO4 NH3 02 4N2 6 H2 0 可 以作 为 S C R反应 还 原剂 的有 N H 、 C O、 H ，还 有 C H 、 C 2 H 、 C H 、 C ， H 6 等 。 以 NH 作 为还原剂 时 ， NO 的脱 除效率 最 高 。S C R反 应是 氧 化还 原反 应 ， 因此遵 循 氧 化 还 原机 理 或 Ma r s v R n K r e v e l e n - t y p e 机理 。目前， 国外学者 已经 就 S C R反应 的反应物 是 NO而不是 N O 达成 了一致， 并且 0 参与 了反应 。 S C R法所用的催化剂主要有 3 类 第一类是 P 卜R h和 P d等 贵金属类催化剂， 通常以Al O ， 等整体式陶瓷作为载体。第二类是 金属氧化物类催化剂，主要包括 V O wO 3 、 F e 2 0， 、 C u O、 C r O 、 Mn Ox Mg O、 Mo O 、 Ni O等金属氧化物或其联合作用 的混合物， 通 常以T i O 、 A 1 O 3 、 Z r O 、 S i O 、 活性炭 C 等作为载体， 且这些载体 的主要作用是提供具有大的比表面积的微孔结构， 在 S C R反应中 所具有 的活性极小。 第三类是沸石分子筛型， 主要是利用离子交换 法制成 的金属离子交换沸石 。通常采用碳氢化合物作为还原剂 。 在工程应用中， 催化剂的布置方式有 2种， 一种是平板式， 一 种是孔道式。 在孔道式结构中， 又分为 2种主要形式， 一种是 以 T i O 为代表的均质整体式蜂窝陶瓷结构，一种是具有涂层 结构的整体式蜂窝陶瓷催化剂， 通常采用具有大比表面积的材 料对 蜂窝陶瓷基体进行扩表并担载活性成 分。 S C R反应 系统的布置方式 电站锅 炉和大型工业 锅炉应用 中通常有几种 不同 的 S C R布置方式 ，其中根据 其布 置位置 的 不同， 主要包括高尘、 低尘以及尾部布置方式。 在反应器的设计 型式上， 也包括整 体式 的 S C R和烟道 中的 S C R。 2 电子 束氨 法脱硫脱硝 工业化技术是 利用 电子束辐 照烟 气， 将烟气 中的 S O 2 和 NO 转化成 NH 4 S O 和 N H4 N O， 的一 种烟气脱硫脱硝技术。 该技术脱硫脱硝效率高， 运行操作简便， 负荷跟踪 能力强 ， 无二 次污染 ， 副产物 为氮 、 硫 肥料 ， 具有 投 资 省、 运行 费用低 、 运行维护简便 、 可靠性高等特 点。 3 结语 综上所 述 ， 燃煤 脱硝技术 在 电厂 中被 广泛应 用 ， 可减 少煤 粉燃烧过 程 中氮氧化物 的 生成 ，从 而降低 其对大 气环 境 的影 响， 减少对人 体健康的危害。 [ 参考文献] [ 1 ]龚书椿． 环境化学[ M ] ． 华东师范大学出版社， 1 9 9 1 [ 2 3苏亚欣， 毛玉如， 徐璋． 燃煤氮氧化物排放控制技术 E M ] ． 化学 工业出版社 ， 2 0 0 5 收 稿 日期 2 0 1 2 1 0 2 3 作者简介 王涛 1 9 8 3 一 ， 男， 山东滨州人 ， 助理工程 师， 研究 方向 热能动力工程 。