0 引言
加强节能减排, 实现低碳发展是生态文明建设的重要内容, 是促进经济提质增效升级的必由之路。为确保全面完成“十二五”节能减排目标, 工业锅炉的大气污染物排放越来越受到重视。随着新的《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014的实施, 作为清洁能源的燃油、燃气工业锅炉的排放达标问题受到挑战。锅炉烟气中氮氧化物主要以NO、NO2等形式出现, 统称为NOx。NO和NO2会破坏同温层中的臭氧层, 使其失去对紫外光辐射的屏蔽作用, 危害地面生物。NOx与SOx、粉尘形成酸雨, 对人类和自然界存在危害, 据有关研究指出, 每年我国酸雨污染造成的经济损失约5000亿元。另外, NOx会影响大气的氧化性, 造成光学污染、二次颗粒物增加、雾霾等问题, 烟气中的NOx的生成和排放必须受到控制。
我国烟气脱硝技术在火电行业应用较广, 随着环保要求的提高, 使用天然气和油作为燃料的工业锅炉的烟气也需要进行NO2脱除。本文通过介绍几种脱硝方式, 结合燃油、燃气锅炉的结构特点, 提出合理的适用于燃油、燃气锅炉烟气脱硝的技术方案。
1 脱硝工艺
1.1 NOx的生成
燃料燃烧生成的氮氧化物中NO占90%, 其余多为NO2, 燃料燃烧生成的氮氧化物的来源分为三类[1]:燃料型、温度型和快速温度型。燃料型NO主要由燃料中含有氮的有机物在燃烧条件下生成, 与燃料的含氮量有关;温度型是助燃空气中的氮在高温下氧化产生, 生成量与燃烧温度有关;快速型式燃料挥发物中的碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中的氮气反应生成HCV和N, 经过进一步与氧气作用, 以极快的速度生成的氮氧化物。
1.2 低氮燃烧法
1.2.1 低氮燃烧工艺原理
决定NOx生成量的因素是燃烧区域的温度和过量空气量。低氮燃烧技术就是通过控制燃烧区域的温度和空气量, 以达到阻止NOx生成、降低排放量的目的。
1.2.2 低氮燃烧方式选择
低氮燃烧技术分为:燃烧优化、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术。
燃烧优化技术通过控制燃烧空气量、保持燃烧器的配风平衡、降低燃料中心的温度, 使燃料型NOx的生成降到最低, 从而达到控制NOx排放的目的。
烟气再循环技术是将锅炉尾部的低温烟气返送回炉膛, 降低了燃烧区域的温度, 同时降低了燃烧区域的氧的浓度, 从而降低NOx的生成量。
根据多年的运行经验, 采用低氮燃烧方式的燃气锅炉的烟气基本达标, 可降低30%~60%的NOx生成量。但燃油低氮燃烧器的脱硝效果较差, 需要与其它方式的脱硝技术联合使用。
1.3 选择性非催化还原法-SNCR法脱硝工艺
1.3.1 SNCR法脱硝工艺原理
SNCR[2]利用还原剂在不需要催化剂的情况下, 有选择性的与烟气中的氮氧化物NOx发生化学反应, 生成氨气和水。还原剂被喷入炉膛或炉膛出口, 与烟气中的NOx发生反应, 脱硝率可达到40%。常用还原剂如液氨、氨水或者尿素等。采用氨为还原剂时, 适用的炉膛温度区间为850~1100℃, 采用尿素为还原剂时, 适用的炉膛温度区间为850~1250℃。
1.3.2 SNCR法脱硝工艺流程
SNCR系统包括还原剂制备与存储系统、输送、喷射系统等。通常采用尿素溶液为脱硝还原剂。尿素溶液通过加入泵送入存储罐;脱硝时, 输送泵将尿素溶液输送到喷射装置, 雾化后喷入到烟气中, 从而去除烟气所含的NOx。
因为氨水 (液氨) 有一定的危险性, 在实际应用中多采用尿素作为还原剂。
1.4 选择性催化还原法-SCR法脱硝工艺
1.4.1 SCR法脱硝工艺原理
SCR法脱硝是烟气在催化剂的作用下, 在反应器内和还原剂 (氨或尿素) 有选择性的与将NOx反应, 并生成无毒、无污染的氮气和水。反应器安装工作温度在300~420℃的催化剂, 还原剂经循环系统喷入反应器, 脱除烟气中的NOx。
1.4.2 SCR法脱硝工艺流程
SCR系统包括烟道、SCR反应器、催化剂, 还原剂喷射系统, 脱硝剂存储、制备、输送系统和控制系统等。催化剂常采用蜂窝式、板式、波纹式。燃油、燃气锅炉的催化剂通常孔径、节距较小。常用还原剂如液氨、氨水或者尿素等。因为氨水 (液氨) 有一定的危险性, 在实际应用中多采用尿素作为还原剂。
2 燃油、燃气工业锅炉脱硝方式的选择
燃油、燃气工业锅炉可分为水管锅炉和火管锅炉, 锅炉通过燃烧器将燃料喷入炉膛, 采用火室燃烧, 锅炉结构紧凑。当锅炉容量≥30t/h时, 燃油、燃气锅炉多为水管锅炉, 水管锅炉通常有水冷壁、对流管束、锅筒组成。火管锅炉多为WNS型卧式内燃火管锅炉, 出力一般不超过15~30t/h。炉胆是锅炉的燃烧室, 高温烟气经过烟管在水域中经过一次或两次折返释放热量, 从而加热热水。
对于水管结构的燃油燃气锅炉来说, 锅炉结构可以满足炉内安装还原剂喷嘴的要求, 脱销可采用低氮燃烧+SNCR法和低氮燃烧+SCR法。相对于SNCR法, SCR法的投资高, 占地大, 需要设置反应器和催化剂, 烟道阻力加大, 选择时需结合项目环评要求并考虑项目的经济性。
对于火管结构的燃油燃气锅炉来说, 锅炉多卧式内燃型, 没有尾部烟道安装还原剂喷嘴的位置和空间, 脱硝工艺推荐低氮燃烧+SCR法。
以某工程为例介绍SNCR的主要设备配置。
某工程建有两台7MW燃油、燃气两用锅炉, 燃料采用柴油和天然气。
根据工程环境评价要求, 脱硝采用低氮燃烧+SNCR法相结合的方式。为了满足SNCR法的安装要求, 锅炉选用SZS型双锅筒纵置式室燃炉, 在锅炉尾部水冷壁上开孔, 安装喷嘴。锅炉房设置脱销设备间, 安装布置脱销系统工艺设备。脱硝系统主要设备配置见表1。
本工程锅炉通过使用低硫、低氮的轻质柴油和清洁的天然气作为燃料, 并采取低氮燃烧技术+SNCR法进行脱硝处理。低氮燃烧减少氮氧化物的排放量40%以上, SNCR法脱硝效率40%。采取上述措施后, 烟气中NOx的含量约74.2mg/m3, 锅炉烟气中污染物浓度可满足《锅炉大气污染物排放标准》 (GB13271-2014) “燃油锅炉”标准中不高于200mg/m3的要求。
3 燃油、燃气工业锅炉脱硝注意问题
我国的烟气脱硝技术首先在火电行业开始应用, 随着我国新的《锅炉大气污染物排放标准》的颁布实施, 对NOx的排放控制日趋严格, 原来使用清洁燃料的油、气锅炉同样面临着严峻考验, 尤其对于石化行业的中小型工业燃油、燃气锅炉、加热炉的烟气脱硝技术应用开始起步, 针对小型燃油、燃气锅炉的烟气脱硝方式有几点注意问题。
(1) 脱硝方式的选择应结合锅炉炉型、烟气温度条件, 对于具备尾部烟道的锅炉并且温度较高时可采用SNCR法, 否则只能选择SCR法。
(2) 选用SCR法时, 应根据烟气性质选择催化剂。不易结垢的燃气锅炉、轻柴油锅炉的烟气脱硝优先选用结构紧凑的板式或波纹状蜂窝式结构型式的催化剂;温度变化范围较大或易结垢的燃重油或渣油锅炉烟气脱硝优先选用孔径较大的蜂窝式结构型式的催化剂。
(3) 由于氨作为还原剂具有易燃、易爆、有毒、有腐蚀的特性, 必须设置专门的区域, 占地面积大, 工艺复杂, 中小型工业锅炉烟气脱硝还原剂优先考虑尿素。
(4) SCR法反应器的设置位置应结合催化剂、烟道走向, 选择在催化剂适宜温度的烟道中布置, 对于改造工程, 烟道增设反应器应核算烟风系统阻力, 不能影响锅炉的正常运行。
4 结语
烟气脱硝技术在中小型燃油、燃气工业锅炉和加热炉中的应用不存在技术难题。中小型燃油、燃气锅炉在工业生产、生活中无法完全取代, 为了适应新的环保法和《锅炉大气污染物排放标准》, 中小型燃油、燃气锅炉烟气脱硝应用必将得到推广。
摘要：本文通过对新版《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014的解读, 针对目前环保要求, 减少大气污染物排放, 通过对SNCR法的工艺及系统组成进行分析, 对其在燃油、燃气工业锅炉的烟气脱硝中的应用方式进行探讨, 推广SNCR法脱硝技术在燃油、燃气工业锅炉实际工程中的应用。
关键词：工业锅炉,烟气脱硝,低氮燃烧,SNCR,SCR, 环保
参考文献
[1] 刘勇, 吴国忠.NOX的生成机理[J].油气田地面工程, 2007, 4 (26) 4.
[2] 火电厂烟气脱销工程技术规范-选择性非催化还原法HJ563-2010[S].