scR的计算应用.doc
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1、如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流scR的计算应用【精品文档】第 35 页电站锅炉烟气脱除NO的选择性催化还原法(SCR)的计算与应用摘要氮氧化物是大气污染的主要污染物之一,是酸雨,光化学烟雾的主要形成因素,而且严重危害人体健康。氮氧化物的来源中最最主要的就是燃煤电厂,随着人们对身体健康和环境要求的提高,控制电站锅炉烟气排放中的氮氧化物已刻不容缓,而选择性催化还原方法是控制氮氧化物排放的有效方法之一。所谓NO,是对烟气中的有害氮氧化物的总称,包括NO,NO2和少量的N2O,其中主要是NO,大约占NO的95%以上。选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction
2、),简称SCR方法,通常用氨做为还原剂,喷入到从锅炉出来的烟气中,并加入特定的催化剂,使之在一定的环境温度下与烟气中的NO进行反应,而不发生与氧气的反应,最后将NO还原为无害的氮气和水排出。本文立足于电站锅炉的烟气排放,针对我国的能源结构和现状详细论述了燃煤电站锅炉尾部受热面的结构特点,燃烧烟气成分分析以及NO的危害,生成机理等。结合对国内外烟气脱硝技术发展现状的研究和对各种烟气脱硝方法的综合比较,重点阐述选择性催化还原法(SCR)脱除NO的化学反应机理,反应器布置,催化剂以及各种因素对脱硝效率的影响等。最后选取一台600MW燃煤机组,对其进行SCR物质平衡计算。关键词: 电站锅炉,烟气,选择
3、性催化还原(SCR),NOCalculation and Application of the Selective Catalytic Reduction(SCR) for NO Deprivation of Utility Boilers Flue GasABSTRACT Nitrogen oxide is one of the key pollutants for air pollution, and is the main causes for acid rain and photochemical fog, which is severely impairing human healt
4、h. Main source of nitrogen oxide is coal-fired power plant. With peoples higher requirements for health and environment, it has become urgent to control the emission of nitrogen oxide coming from utility boilers gas. While Selective Catalytic Reduction is one of the efficient ways for regulating nit
5、rogen oxides emission. NO generally refers to harmful nitrogen oxide in the flue gas, including NO, NO, and little NO. However, NO occupies a large part of NO, about 95%. Selective Catalytic Reduction, short for SCR, usually use ammonia as the reducer, squirtted into flue gas which comes out from th
6、e boiler, with specific catalyzer put in it. Finally NO is changed into innocuous nitrogen and HO. The paper is based on the gas emission of utility boiler,pointing at the structural features of rearing heating surface in coal fired power plant,composition analysis of flue gas,as well as the princip
7、le of NO formming and its harmfulness. Different kinds of methods of flue gas denitration both home and abroad are compared.And the principle of chemical reaction, reactor disposal,catalyzer as well as the influence of different kinds of factors for denitration efficiency of the Selective catalytic
8、reduction are illustrated. Finally, an examle of 600MW coal-fired unit is chosen to proceed SCR substance equilibria calculation.Key words : utility boiler, flue gas, selective catalytic reduction ( SCR), NO目录1 绪论1.1 研究背景能源和环境是人类赖以生存和发展的基本条件,是当今世界发展的两大问题,随着世界人口的增长和生活水平的提高,能源的开采和利用程度越来越高,特别是近十多年来,能源的
9、消耗迅速增长,对环境的影响和压力都达到了空前的程度。在这样的形势下,我们不得不认识到通过高消耗得到的经济数量增长的“先污染后治理”的传统模式已经不适合当今社会的发展要求,必须寻求一条可持续发展的道路。目前全球性的四大公害:大气烟尘、酸雨、温室效应、臭氧层破坏,都与能源生产和利用不当有直接关系。所以要实现我们所追求的可持续发展,就必须使能源的生产和利用与环境相协调。1.2 NO的危害和现状NO是化石燃料燃烧后的主要有害物质之一,NO的排放量和大气NO浓度的增加使得我国大气污染的性质发生了根本性的变化,大气氧化性增加,导致一系列的城市和区域环境问题,对人体健康和生态环境构成巨大威胁。其中NO的毒性
10、最高,可引起肺部损害,当其在大气中的浓度超过150ppm时可以致死,而且NO和NO分别对人体血红蛋白和温室效应造成严重影响。而且NO又是与SO一起造成酸雨的重要因素。我国NO排放量目前已经接近1600万吨,其中67%来源与煤的燃烧,鉴于我国经济将不断发展的情况下,NO也将增加,从而面临光化学烟雾的危险。目前,中国的发电能源结构以煤炭为主,大气环境主要是典型的煤烟污染,NO的排放浓度明显高于国外水平,而我国的发电机组迅速增加,最新的环境保护法规对燃煤电站NO排放的要求为400mg/m,为了进一步适应低NO排放要求,而我国目前在该领域的研究却是少之又少,所以,进行燃煤锅炉烟气脱硝技术发展已是当前的
11、重要课题。1.3 本文研究目的随着脱硝问题的日益严重和各种脱硝方法的发展,SCR方法也将日益成熟,目前关于SCR方法的反应原理,反应条件,催化剂等的研究都已经趋于成熟了,而目前对于SCR方法的计算问题却一直没有一个标准,所以,选择一个合理正确的方法将SCR的物质平衡计算,成本计算等都形成一个完善的体系,对我们更加广泛的应用SCR技术是十分有意义的。2 电站锅炉的尾部受热面及燃烧烟气分析2.1 省煤器省煤器布置在烟气温度比较低的锅炉尾部,其主要作用是:吸收尾部烟道中的低温烟气的热量,降低锅炉的排烟温度,提高锅炉热效率,节省燃料;而且提高进入锅筒的水温,降低锅筒热应力,提高其寿命。大容量,高参数锅
12、炉均采用钢管式省煤器,由许多并列的蛇形无缝钢管(外径2851mm)和进出口联箱组成。管子水平放置,水由下而上流动,便于排除水中气体,防止局部金属腐蚀,外部烟气自上而下流动,增加传热效果。现代大型锅炉通常采用悬吊式省煤器,可采用水流方向与前墙垂直或水平布置,不同方式会影响其水流速度和外部磨损,但为了防止水面附近的交变应力产生,减少金属疲劳损害,通常蛇形管的水流速度不低于1 m/s。2.2 空气预热器空气预热器是利用烟气余热来加热燃烧所需要的空气的热交换设备,它利用了烟气余热,使排烟温度降低,提高锅炉的效率,并且强化了着火和燃烧。空气预热器按照其换热方式分为传热式和蓄热式,其中传热式是指空气和烟气
13、各自有自己的通道,热量连续的通过传热面由烟气传给空气;而蓄热式是烟气和空气交替通过受热面,烟气通过时金属被加热而蓄积热量,等空气流过时就释放热量并加热空气。大型电站锅炉通常采用蓄热式回转式空气预热器,其具有结构紧凑,节省钢材,耐腐蚀,少漏风等优点。省煤器和空气预热器最多的问题是磨损,积灰和低温腐蚀,所以通常会采用低氧燃烧,降低烟气露点,烟气脱硫等各种手段来减少这些设备的损害。2.3 煤燃烧的烟气成分分析首先,如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量等于理论空气量,且使1千克燃料完全燃烧产生的烟气量称理论烟气量。从其定义可以看出,形成理论烟气量的基本物质有:燃料,理论空气量,随理论空气量进入炉膛的水
14、分。分析基本物质燃烧过程的变化,可以得到理论烟气量的组成成分:CO,SO,N,HO。但是如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量大于理论空气量,且使1kg燃料完全燃烧产生的烟气量称为完全燃烧的实际烟气量。上边讨论的是燃料完全燃烧的情况,但如果燃料不完全燃烧时,烟气的成分中还多了CO,H等,但一般工程计算中只考虑不完全燃烧产物为CO。在锅炉运行中,烟气的成分和含量直接反映出炉膛内的燃烧工况,因而,测定烟气中的成分和含量,对于判断炉膛内燃烧工况,进行燃烧调整,以及改进燃烧设备都是十分必要的。如果知道了烟气的成分和含量不但可以了解燃烧的完全程度,燃烧条件,也可以了解烟道的漏风情况等。烟气分析的方法很多,
15、有化学吸收法,电气测量法,红外吸收法及色谱分析法等。接反映出炉膛内的燃烧工况,因而,测定烟气中的成分和含量,对于判断炉膛内燃烧工况,进行燃烧调整,以及改进燃烧设备都是十分必要的。如果知道了烟气的成分和含量不但可以了解燃烧的完全程度,燃烧条件,也可以了解烟道的漏风情况等。烟气分析的方法很多,有化学吸收法,电气测量法,红外吸收法及色谱分析法等。3 电站锅炉NOx的燃烧过程中的控制方法3.1 NO生成机理煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO,另外还有少量的NO(氧化亚氮),统称为NO。其中NO占NO的90以上,NO占510,NO,仅为1左右,NO的形成机理主要有3种:3.1.1 热力型NO (
16、Thermal NO)热力型NO的形成机理是由前苏联科学家捷里多维奇(Zelidovich)提出的,系高温下空气中的氮气与氧气反应而成,该反应一般在1500以上进行,主要是在燃烧的燃烬阶段形成。对燃煤锅炉,燃烧温度为1350时,炉内生成的NO几乎100为燃料型;当温度为1600时,热力型NO可占生成总量的2530。其中生成量与温度,在高温区停留时间以及氧的分压有关。3.1.2 快速型NO (Prompt NO)快速型NO是1971年弗尼莫尔(Fenimore)通过实验发现的。碳氢化合物燃料燃烧过浓时,在反应区附近会快速生成NO。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气
17、反应生成HCN和N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成,其形成时间只需要60ms,所生成量与炉膛压力0.5次方成正比,与温度的关系不大。对煤粉燃烧,快速型NO占总生成量的5以下。3.1.3 燃料型NO (Fuel NO)燃料型NO由煤中氮化合物在燃烧中氧化而成。含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN和NH 等中间产物,然后再氧化成NO。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成,故燃料型NO的形成也由气相氮的氧化(挥发份)和焦炭中剩余氮的氧化(焦炭)两部分组成。由于煤中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度,在600800时就会生成燃料型NO,其生成量与温度关系不大,主要取决于空气与煤粉
18、的混合比,也与氧浓度密切相关。它在煤粉燃烧NO生成总量中占6080以上,是NO的主要来源。3.2 降低电站锅炉控制NO生成的途径电站锅炉NO排放控制技术可分为一次燃烧控制措施(如低NO燃烧器、OFA、燃料再燃烧等) 及二次烟气净化措施(SCR、SNCR及组合型SCRSNCR)。降低NO排放的首选燃烧控制,当采用燃烧控制措施还不能满足排放标准时,就需要安装烟气脱硝装置。近年来关注的焦点集中在一次燃烧控制措施的研究与开发。一次燃烧控制措施主要包括燃烧优化,炉内空气分级(燃烧器上部燃尽风OFA或二级燃烧),燃料分级(部分燃烧器停运、燃料浓淡分离、燃料再燃烧或三级燃烧),烟气再循环以及低NO燃烧器。采
19、用一次燃烧措施控制NO的排放有效可行。根据燃煤锅炉NO生成机理,采用分级燃烧是降低NO的最有效方法。其配风的基本原则应当是在各燃烧区保证热力型,瞬间型和燃料型NO都处于较低的生成水平。低NO燃烧组织原则既可以通过调整炉膛结构,也可以通过燃烧器结构设计及布置方式来实现。实际上,采用低NO燃烧技术,应用低NO燃烧器是降低NO排放最经济的方法。在低NO燃烧技术中,还有再燃技术(燃料分级技术)、烟气再循环技术以及采用天然气再燃技术降低NO排放技术。美国Energy and Envieronmental Research Corporation 在158MW机组锅炉上,采用天然气再燃技术和低NO燃烧器进
20、行改造,达到了减少66% NO排放的效果。此外,还可以采用洁净煤燃烧技术,大力发展循环硫化床锅炉及增压硫化床锅炉配燃气轮机的燃气蒸汽联合循环机组,以达到环保要求。3.3 低NO燃烧技术 低NO燃烧技术就是指在燃烧的过程中通过对风量,燃料量,燃烧方式等采取采取一定的措施而使得燃烧时产生的NO尽量减少的技术。主要措施我们下边分别讲述。3.3.1分级送风技术炉内空气分级技术通常称之为两级燃烧,主要是通过减少主燃烧区空气量,同时为了保证适当的总过剩空气量而将一部分空气在主燃烧区上部送入炉内以完成燃尽过程(OFA)。炉内空气分级需要将燃烧空气分成一级风与二级风两部分。一级风(约占总风量的70%90%)与
21、燃料混合反应后会形成燃烧温度较低、氧量不足、燃料富集的燃烧区域,从而抑制了NO的生成。二级风(约占总风量的10%30%) 则通过独立布置在燃烧器上部的燃尽风喷嘴送入炉内从而实现分级燃烧。在这一区域完成燃尽过程并使火焰体积增大,从而在温度相对较低的燃尽区进一步抑制了NO的生成。OFA喷嘴的相对位置及其燃尽风在炉内与烟气混合的充分性是获得高效低NO燃烧的关键。3.3.2 燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧通常采用的形式是燃料再燃烧技术,因其燃烧过程分成主燃烧区、(二次)再燃烧区及燃尽区三个区域,所以也称为三级燃烧技术。其目的是把主燃烧区域中生成的NO在次燃烧区还原成为分子氮气(N)以降低NO排放。在主燃
22、烧区,煤粉通常在低过剩空气量条件下(氧化性气氛或弱还原性气氛下)通过常规或低NO燃烧器燃烧生成NO,在再燃烧区喷入再燃烧燃料,在还原性气氛下分解生成碳氢基元,并与主燃烧区中已生成的NO反应后将其还原成为N,同时也会形成一些不希望产生的挥发分氮化合物如氨。在第三个区域即燃尽区, 加入最后一部分空气,以进一步燃尽来自再燃烧区烟气中的未燃尽燃料(主要为一氧化碳及未燃尽的碳氢化合物),从而完成整个燃尽过程。目前,尽管煤与石油作为再燃烧燃料正在示范中,但天然气还是应用最为广泛的再燃烧燃料,主要原因是天然气在再燃烧区能与烟气充分混合。利用这一原理,将80%85%的燃料送入第一级燃烧区,在A大于1的条件下燃
23、烧并生成NO。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料,其余15%20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区,在A小于1的条件下形成很强的还原性气氛,使一级燃烧区中生成的NO在二级燃烧区内被还原成氮分子(N)。二级燃烧区又称再燃区,送入的燃料又称二次燃料,或称再燃燃料。在再燃区中不仅使已生成的NO还原,同时还抑制了新NO的生成,可使NO的排放浓度进一步降低。3.3.3 低NO燃烧器低NO燃烧器总的设计原则是,使在燃烧器内部或出口射流的空气分级,设计特点是控制每只燃烧器中燃料与空气的混合过程,使燃烧推迟,延长火焰行程, 降低火焰温度峰值,从而减少NO生成量。主要措施是降低对NO生成具有关键作用的主燃烧
24、区域的氧量水平,同时减少燃烧峰值温度区域中的燃料。通过分级送入燃烧空气,煤粉则在缺氧条件下热解,促使燃烧氮(N)向分子氮的转化。在常规低NO燃烧器中, 燃烧、NO分解还原及燃尽是在三个阶段中完成的。在燃烧初始阶段,燃烧是在燃料富集、氧气不足的区域中进行的,在这一区域中生成了NO,紧接着在一个还原性区域产生碳氢基元以分解第一区域已经生成的NO,在第三个区域中,送入燃烧器内部分级空气以完成燃尽过程,但同时也会产生一些NO。这可通过在空气量不足的缺氧气氛中完成燃尽过程,降低NO的生成。低NO燃烧器可与其它一次措施如OFA、再燃烧或烟气再循环技术相结合。国外电厂实际运行经验表明,排放降低74%。浓淡型
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