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生物質鍋爐尾氣超低排放技術研究

2020年06月08日 09:53

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目前,盡管世界上的主要燃料為煤、石油、天然氣等傳統的常規能源,但是,全球目前已探明儲量的可供開采的石油、天然氣和煤炭資源分別將在25、27 和97 a 后用盡耗竭; 此外,化石燃料的開采、運輸以及使用過程中會造成較為嚴重的環境污染. 隨著化石能源的日益枯竭和環境問題的日趨嚴重,潔凈可再生能源的開發與利用已經引起了世界的廣泛關注. 生物質能是唯一一種可運輸和儲存的可再生綠色能源,并且由于具有能量高轉換效率和環境友好的優點,越來越受到世界各國的重視. 我國是一個農業大國,薪柴資源短缺,因此,國外成熟的木質生物質燃料燃燒器并不適用,需要針對我國國情,開發適合的利用方法及燃燒技術. 此外,近年來,我國空氣質量面臨嚴峻態勢,與木質燃料和傳統化石燃料相比,秸稈等生物質燃料燃燒排放的NOx含量較高,因此,對于生物質燃料的燃燒,傳統煤炭鍋爐亦不完全適用,亟需開發高效的生物質燃料燃燒器,在能源高效利用的同時降低NOx污染物的排放.

1 生物質資源的研究現狀

1.1 我國生物質資源現狀

生物質能源是一種以生物質為載體的能量,即通過光合作用將獲得的太陽能轉化為化學能并貯存在生物質中的能量形式,它直接或間接地來源于綠色植物的光合作用,是太陽能的一種廉價儲存方式.目前的技術水平下具備開發價值的農村生物質資源一般包括農作物秸稈、林木生物質殘余物、禽畜糞便與能源作物等. 從2001 年到2015 年,我國農業總產量逐年提高,2015 年農業總產量為2.24 × 1019J,其中種植業產量為1.53 × 1019 J( 68. 47%) ,林業、畜牧業與漁業產量分別為4.64 × 1018、2. 04 × 1018 與3. 89 × 1017 J,其中,可用于作為農業生物質能的資源高達9. 10 × 1018 J.

然而,我國生物質資源的品位較低,分散性較大,大量生物質資源被隨意填埋與焚燒,成為影響環境的廢棄物. 目前,生物質資源化利用率較高的為種植業副產物農作物秸稈,已被用作工業原料和生物燃料,總量為4. 29 × 1018 J,占種植業產量的27. 79%,其中,玉米、水稻、小麥等農作物秸稈產量占秸稈總產量的70. 24%. 但是,大部分的秸稈資源仍被直接焚燒或隨意丟棄,僅有極少部分秸稈被應用于鍋爐進行集中燃燒供能,燃燒效率不足15%.

1.2 生物質燃料的特性

生物質能是可再生能源,具有生態意義上的碳的零排放,燃燒產物相對清潔. 由于目前大氣污染較為嚴重而且能源日益短缺,因此開發與利用生物質能具有十分巨大的能源與環境保護戰略意義. 目前,我國還沒有頒布關于生物質固體成型燃料的統一的國家標準,普遍認為的生物質固體成型燃料是指利用農林廢棄物( 稻殼、秸桿、樹皮、木屑等) 作為原材料,通過一系列的預處理( 收集、干燥、粉碎等) ,采用特殊的生物質固體成型設備,將預處理后的生物質材料擠壓成規則的、密度較大的棒狀、塊狀或顆粒狀等形狀的成型燃料. 通過調研和文獻對比,表1 列出了各種典型的生物質燃料及傳統燃煤的工業組分、元素組成、熱值等參數的匯總結果.



由表1可見,生物質燃料產生出的熱值較高,通常為17 ~ 20 MJ·kg - 1,且秸稈與稻殼的揮發分質量分數高達70% ~ 85%,因此具有優良的點火燃燒性能以及良好的代煤效果. 此外,生物質燃料硫含量幾乎為零,氮含量極低而且灰分含量較低,因此,生物質燃料的二氧化硫( SO2) 與氮氧化物( NOx) 排放低,二氧化碳( CO2) 零排放,排渣少,飛灰少,灰渣可還田,因此,具有顯著的環保特性. 盡管生物質成型燃料的制作需要經過收集、運輸、加工等過程,會帶來一定的成本,但是與現在原煤及型煤相比,生物質原料價格低廉,因此,生物質成型燃料在價格上仍然具有較大的優勢,這也在很大程度上有助于生物質能源的推廣與使用.

雖然,生物質燃料清潔可再生,具有十分廣闊的應用潛力,但是,實現生物質燃料高效、清潔燃燒需要使用專門設計的燃燒器. 從20 世紀30 年代開始,美國、日本、芬蘭等許多發達國家逐漸重視并都投入了大量精力來研究生物質成型技術和木質成型燃料; 80 年代以后,成型技術已日漸成熟,并形成了一定的推廣規模; 到了90 年代,在木質顆粒燃料燃燒器方面,部分美歐以及日本等國家的燃燒器已經逐漸定型,而且在加熱、供暖、干燥等領域大范圍的推廣與應用該項技術,并形成了產業化規模. 就我國實際情況而言,我國是一個農業大國,具有豐富的生物質資源,一直以來,生物質能源是農村地區的主要能源之一. 在我國每年可生產7億多噸農作物秸稈,研究表明,秸稈直接燃燒值約為標準煤的55%,根據熱值,如果全部用來燃燒,可折合大約4 億噸標準煤. 然而,在我國,秸稈的利用存在較多的問題,例如利用情況落后、污染大等.此外,國外的生物質燃燒主要以木質材料為主,而我國主要為農作物秸稈,因此根據我國生物質燃燒的國情,不能照搬國外的經驗與技術.

1.3 生物質燃料的利用方式

1.3.1 直接燃燒技術

生物質直接燃燒技術就是將生物質直接作為燃料進行燃燒,利用產生的熱能來進行生產與生活.直接燃燒的技術要求較低,燃燒方式最為簡單. 駱仲泱等研究表明,自20 世紀80 年代開始,在我國政府的大力推廣下,節柴灶在農村得到廣泛使用,至1996 年底,有1. 7 億戶家庭使用節柴灶,節柴灶的推廣使用每年可以為國家減少數千萬噸標準煤的能源消耗. 但是,根據張百良的研究,舊式爐灶不但熱效率低( 通常只有10% 左右) 、浪費燃料,而且燃燒過程產生的顆粒物、硫氧化物、氮氧化物等會嚴重污染環境. 因此,這種傳統的生物質燃燒方式燃燒效率較低,大量浪費能源和資源,且污染環境.

1.3.2 鍋爐燃燒技術

隨著鍋爐燃燒技術的逐漸完善,目前已成為一種先進的生物質燃燒技術. 該技術使用鍋爐作為生物質燃燒器,以生物質作為鍋爐燃燒的燃料,通過控制燃料在鍋爐中的燃燒狀況,進而提高生物質的利用效率. 相對于直接燃燒技術,鍋爐燃燒技術更適合于生物質資源的集中、大規模利用. 但是由于鍋爐結構較為復雜,控制參數較多,因此對該技術的使用要求較高. 在國外,流化床技術是一種被廣泛采用的生物質能鍋爐燃燒技術,由于國外發展較早,該項技術已經有了相當大的規模,而且在這項技術運行方面,也有了很多較為成熟的經驗.

目前,生物質鍋爐主要有兩種爐型,即純燒生物質的水冷振動爐和混燒生物質的循環流化床鍋爐. 其中,循環流化床鍋爐是將粒徑為6 ~ 12 mm 的燃料和石灰石注入爐或燃燒室,顆粒在一股向上流動的空氣( 占總空氣體積分數的60% ~70%) 的作用下懸浮,二次風從鍋爐上方進入燃燒室,促進生物質顆粒的充分燃燒,燃燒溫度為840 ~900℃左右. 水冷振動爐通過周期性的振動,燃料在爐排上被拋起,燃燒的同時跳躍前進,爐渣也在這個過程中由爐排末端排出.

但是,水冷振動爐對燃料的適應性較差、燃燒效率低,且對燃料的水分含量要求較高,造價較昂貴,而循環流化床混燒生物質鍋爐與水冷振動爐排鍋爐相比,建設成本低,燃料適應性強,更適用于摻燒燃料的燃燒,且運行安全,環保性能優異,負荷范圍廣,因此,考慮我國生物質能源現狀,采用循環流化床摻燒生物質更適合我國國情.

此外,鏈條爐排爐和往復爐排爐也可適用于生物質燃料的層燃燃燒,但是二者也各有優缺點,鏈條爐排爐的爐排片可以循環冷卻,而往復爐排爐對燃料尺寸的要求和燃料漏料量這兩點上比鏈條爐排具有更顯著的優勢. 因此,逐步發展出了聯合爐排爐,即在燃燒設備中采用兩套不同的爐排聯合使用,例如前爐排為傾斜往復爐排,增大爐膛的容積,有利于揮發分的燃盡,后爐排連接重型鱗片式爐排,聯合爐排比單一爐排具有更好的調節性能,使得燃燒更加充分. 但是生物質燃料在這幾類鍋爐上的燃燒尚屬探索階段,技術有待進一步完善和成熟.

1.3.  生物質鍋爐目前存在的問題

生物質鍋爐燃燒技術目前存在著一些問題,比如,為保證在特定的燃燒過程中燃料在流化床中處于流化狀態,需要較為嚴格地控制鍋爐進料的顆粒大小,為解決這一問題,就需要通過干燥、粉碎等前處理步驟,使得生物質燃料在其尺寸、狀態等方面均一化. 再有,在采用稻殼、木屑等密度較小、結構松散、蓄熱能力比較差的生物質作為燃燒材料時,為了維持正常燃燒所需的蓄熱床料,在燃燒過程中還需要向燃料中不斷地添加石英砂等物質,而這會引起燃燒產生質地較硬的生物質飛灰,從而在燃燒過程中極易會對鍋爐的受熱面造成磨損,石英砂等添加劑的混入,使得對灰渣的進一步加工與利用變得更為困難.

目前,在直接燃燒生物質原料的基礎上,發展出了生物質固化成型燃料,即在一定溫度和壓力作用下,通過專門設備將生物質壓制成顆粒狀、塊狀、棒狀等形狀的成型燃料. 通過制備成型燃料,可以提高生物質燃料的儲存和運輸能力,改善燃燒性能,提高利用效率,大大擴展應用范圍,使之成為一種清潔環保的新型生物質燃料,進而能部分替代煤炭等化石燃料,減少對傳統化石能源的依賴. 在我國,使用固化成型技術將秸稈制備成的成型燃料既可作為發電供熱等工業化燃料,又可作為農村居民的炊事和取暖的燃料.

2 我國氮氧化物排放現狀

2.1 燃料燃燒NOx的生成機理

NOx是常見的大氣污染物,對居民身體健康和生產、生活有很大影響. 由于我國主要的燃料為煤炭,因此我國大氣中有67%( 質量分數) 的NOx來自燃煤排放. 燃料過程中NOx主要來自三條途徑:熱力型NOx( thermal NOx) 、燃料型NOx( fuel NOx) 和快速型NOx( prompt NOx) . 熱力型NOx約占燃料燃燒產生NOx的20%,是空氣中的氮氣在高溫下氧化生成的,熱力型NOx的生成受溫度因素的影響顯著,有研究表明,當燃燒溫度低于1300 ℃時,幾乎觀察不到熱力型NOx的生成; 而燃燒溫度高于1300℃時,熱力型NOx的生成量有著顯著增加. 燃料型NOx是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程中發生熱解,然后發生氧化反應生成的氮氧化物,燃料型NOx的生成量約占燃料燃燒產生NOx質量分數的75%~ 90%,其生成機理非常復雜,主要由揮發分氮和焦炭氮氧化而成( 圖1( a) ) . NOx的生成不僅受燃料的種類和結構的影響,也受到濃度、溫度、燃料成分等燃燒條件的影響. 快速型NOx是燃料中的碳氫化合物在高溫條件下生成的CH 原子團,與空氣中的N2分子發生撞擊,進而導致HCN 類化合物的生成,生成的HCN 進一步被氧化而生成快速型NOx( 圖1( b) ) ,快速型NOx的生成量很小,只在氧濃度較低的情況下才發生,而且生成過程不受溫度因素的制約,快速型NOx占NOx總生成量的5%( 質量分數) 以下.



燃料燃燒釋放的NOx一部分來自于燃料本身含有的燃料氮,但相比于煤燃料,生物質燃料的燃料氮含量較低. 盡管生物質燃料中含有的燃料氮含量較少,但是有研究報道,大約質量分數70% ~ 100%的燃料氮最終會在燃燒過程中轉化為NO. 我國是一個農業大國,每年產生大量的生物質材料,而生物質燃料以農作物秸稈為主,與國外常用的木質類生物質原料不同的是,秸稈類生物質燃料氮的質量分數一般較高,如玉米秸稈可以達到0. 7% 左右. 因而,生物質燃料燃燒排放的污染物中,控制NOx的排放是生物質清潔燃燒的重點. 與其他大氣污染物相比,NOx在燃料燃燒過程中所產生的量最多,質量分數在30% 以上,然而,燃料燃燒過程產生的NOx中有70%來自于煤炭的直接燃燒. 揮發分的析出、焦炭燃燒和揮發分燃燒是NOx形成的主要過程,改變爐膛內的燃燒形式可以有效地減少污染物的產生.

2.2 氮氧化物的危害

隨著我國經濟的持續快速發展,能源消耗逐年增加,大氣中NOx的排放量也迅速增長. NOx成為主要的一次污染物,其中主要以NO 和NO2為主. NOx的排放引發的環境問題已經嚴重威脅了生態環境和人體健康,主要危害包括: 參與臭氧層的破壞; 可以與碳氫化合物形成光化學煙霧; 是形成酸雨酸霧的主要污染物; 會對植物產生損害; 對人體健康有致毒作用等. 因此,控制和治理大氣中的NOx非常重要.

2.3 我國生物質燃燒氮氧化物的排放現狀

NOx污染防治的緊迫性還體現在,如果不對NOx的排放進行有效的控制,NOx排放的顯著上升會抵消削減SO2的努力,具體主要表現在京津冀、長三角、珠三角等經濟發達地區的灰霾天數增加,污染程度加重,大氣能見度下降,我國酸雨類型由硫酸型向硝酸--硫酸復合型進行轉變. 因此,在“十二五”期間,我國將NOx納入總量控制,NOx成為聯防聯控規劃控制的重點污染物之一.



不同生物質成型燃料NOx排放情況于表2 中列出,通過對比可以看出,盡管木質成型燃料較秸稈成型燃料的NOx排放量較低. 但是還沒有完全達到現行排放標準GB13271—2014 與標準GB13271 征求意見稿--重點區域中規定的200 mg·m - 3 的標準,與新標準的80 mg·m - 3 的期望尚存在較大距離. Vassilev 等也曾比較了在燃料點火和熄火過程中木質燃料和玉米秸稈成型NOx的排放規律,在NOx組分上,研究發現秸稈成型燃料的整個點火過程中,煙氣中的NOx含有NO 和質量分數為2. 6%~ 6. 9%的NO2,而木質成型燃料煙氣中的NOx只有NO; 在NOx產生量上,秸稈成型燃料燃燒NOx的排放量是木質燃料的2 倍.

2012 年我國生物質發電廠的裝機容量( 不包括蔗渣發電) 達3. 37 GW,2013 年我國生物質發電量為3. 7 × 1010 kW·h - 1,生物質能消耗量為800 萬噸( 近400 萬噸煤當量). 預計到2015 年和2020年,農林生物質直燃發電容量可分別達到4. 5 GW和7. 5 GW . NOx是生物質燃燒發電過程中產生的重要污染物之一,對其控制方法主要有燃燒控制與煙氣凈化,即燃燒控制是通過降低燃燒的溫度來防止局部產生高溫,通常采用多級送風、低氧燃燒、流化床燃燒等; 煙氣凈化包括選擇性催化還原法和選擇非催化還原法. 較燃煤不同,燃燒生物質燃料時,由于爐膛燃燒溫度較高,一般在850 ℃以上,生物質燃料含氮產物在燃燒過程中可以部分轉化為NOx,即會有大量的熱力型NOx產生. 因此,在役的生物質鍋爐比燃煤鍋爐的NOx排放量要高. 有研究發現,未經技術改造燃煤工業鍋爐在改燃生物質粒燃料時,其NOx排放質量濃度達到330 mg·m - 3 左右. 王秦超對五臺裝機容量不同的生物質鍋爐排放情況進行了研究,結果顯示,NOx排放質量濃度在207. 9 ~ 601. 3 mg·m - 3 之間,均超過排放限值,因此,應用傳統燃煤鍋爐改燃生物質燃料必須改進燃燒方式或加裝后處理裝置.

盡管目前正在實行的《鍋爐大氣污染物排放標準》( GB13271—2014) 并沒有規定生物質鍋爐NOx的排放限值,但燃燒玉米秸稈成型燃料時,生物質鍋爐的NOx排放質量濃度往往在207. 9 ~ 601. 3 mg·m - 3之間,由于GB13271—2014 中的排放限值為200mg·m - 3,以此標準來衡量,玉米秸稈成型燃料時排放的NOx排放濃度超標0. 04 ~ 2. 01 倍. 《生物質能發展“十二五”規劃》表明,我國生物質成型燃料年利用量將在2015 年達到1000 萬噸,相應替代500 萬噸標準煤( 700 萬噸燃煤) ,可減少0. 91 萬噸的NOx排放. 因此,開展對大氣NOx的污染控制已迫在眉睫.

3 生物質鍋爐的氮氧化物治理技術

美國、歐盟、日本等發達國家或地區在NOx控制工作方面上起步較早,NOx控制的相關政策也相對成熟. 目前來講,國外發達國家主要采用煙氣再循環、多級燃燒、低氮燃燒器組合等方式可以減少30% ~ 70%的NOx排放. 盡管低氮燃燒技術是我國目前主要的NOx治理技術,該技術的采用可以控制鍋爐排放的NOx濃度在200 mg·m - 3以下,但是僅依靠該技術已經不能滿足新標準的要求.

3.1 燃燒改進技術

燃燒改進技術是一種通過控制燃燒條件,調節燃燒區的溫度和進氣量,進而減少NOx的生成與排放的技術. 相比于其他的降氮技術,低NOx燃燒技術是一種較為簡單、經濟而且應用最廣的方法.目前采用的低NOx燃燒技術主要有以下五種: 低NOx燃燒器、燃料再燃技術、低過量空氣燃燒技術、空氣分級燃燒技術和煙氣再循環技術.

3.1.1 低NOx燃燒器

低NOx燃燒器的采用,可以實現在燃料燃燒過程中對NOx排放進行控制,同時有利于燃料的穩定著火燃燒和完全燃燒.

低NOx燃燒器的工作原理是把燃燒一次風分成濃相和淡相兩個部分在不同的位置進行燃燒: 濃相所處位置距離火焰中心較近,溫度較高,但是由于氧化比例較少,因而降低了NOx的生成率; 淡相所處位置靠近水冷壁,由于該區域遠離火焰中心,溫度偏低,盡管在此位置的氧化比例較高,但是NOx的生成率依舊較低,最終實現了減少NOx生成與排放的目的.

低NOx燃燒器有低NOx預燃燃燒器、分割火焰型燃燒器、階段燃燒器、濃淡型燃燒器、混合促進型燃燒器、自身再循環燃燒器等幾大類. 脫硝效率一般在30% ~ 60%之間.

3.1.2 燃料再燃

燃料再燃技術始于20 世紀80 年代,是一種爐內NOx控制技術. 降氮原理如下: 根據燃料在爐內的燃燒過程,沿爐膛高度方向將爐膛分成主燃區、再燃區和燃盡區三個區域; 利用燃料分級在爐膛再燃區形成強還原性氣氛,在該區域將主燃區內形成的NOx還原為N2和其他含氮還原性基團( HCN 和NH3) ; 之后,由于燃燒不充分所產生的尾氣排放會導致環境污染,從而在燃盡區補入部分空氣,形成富氧燃燒段,從而在此區域將剩余的可燃物( CHi、CO等) 和含氮分子氧化. 再燃技術的采用可以將燃煤鍋爐NOx排放量降至使用前的35%以下.

燃料再燃技術具有以下優點: 脫硝效率高、適用性廣、鍋爐改造小、運行費用低,因此該技術受到了普遍關注. 再燃燃料種類繁多,氣體( 甲烷、合成氣等) 、液體( 水煤漿等) 和固體燃料( 煤粉、生物質等)都可以用作再燃燃料. 由于生物質中N、S 等元素相對較少,生物質的廣泛利用可以大量減少大氣污染物的產生與排放,與此同時,生物質燃燒后的灰分中的鈉、鉀等組分對NOx的還原具有促進作用. 綜上可知,生物質燃料可以作為一種較好的再燃燃料. 但是,目前對生物質再燃脫硝特性的研究相對較少. 有研究表明,將生物質作為再燃燃料將會使得NOx降低效率更高. Adams 與Harding 使用木材作為再燃燃料,將再燃技術用于旋風燃燒器排放的NOx控制中,當再燃燃料在靠近后壁的旋風桶的區域且溫度接近1600 ℃時注入再燃燃料,爐內停留時間0. 3 s,可使NO 排放量降低量接近60%; 隨著過熱空氣高速反向注入時,NOx降低效率最高,達到45%左右. Liu 等研究發現,使用再燃技術可以使得NO 質量分數降低50% ~ 60%,同時對于鍋爐的操作方面沒有明顯的副作用.

3.1.3 低過量空氣燃燒

低過量空氣燃燒的原理是通過減少煙氣中的過量氧氣抑制NOx的生成,所以要盡可能保證燃燒在接近理論空氣量的條件下進行,是一種相對簡單的降低NOx排放的方法. 但是,此方法的NOx脫除效率只有15% ~ 20%,而且燃料在此燃燒環境下可能燃燒不夠充分,進而會產生熱損失,從而降低鍋爐效率. 此外,由于過量空氣較少,爐內的某些區域會形成還原性氣氛,容易造成爐壁結焦和腐蝕.

3.1.4 空氣分級

空氣分級于20 世紀50 年代在美國率先發展起來,是控制NOx排放的一次技術之一,目前應用較為廣泛. 該技術減少了燃燒區的空氣量,燃料首先在缺氧條件下燃燒,之后再送入剩余空氣進一步將未燃盡的燃料燃盡. 空氣分級技術的采用使得燃料與空氣在一次燃燒區內混合量降低,延遲了主燃區燃燒過程; 同時,由于一次風風量的控制,一次燃燒區的氧氣含量較少,使得燃料的燃燒不夠充分,進而降低了燃燒溫度,由于該區域的燃料含量仍然較高,因而形成還原性的氣氛,在還原性的氣氛中NOx的生成速率較低. 空氣分級燃燒技術最高可達約30%的脫硝效率.

石本改等的研究表明,過??諝庀禂翟黾?,NOx的生成量明顯降低. 郭飛強等用于實現燃料的層燃; 爐膛喉口處二次風,主要用于擾動揮發分; 位于氣化燃燒室區的三次風用于徹底燃燒殘余揮發分. 物料加入爐膛后先進入熱解氣化區,由于熱解氣化區不直接配風,所以在缺氧的條件下,生物質會生成半焦類固體可燃物和還原性煙氣( H2、CO 等) . 一方面,生成的半焦類固體進入層燃燃燒區后,由于得到空氣的補給,得到充分燃燒,但是產生了NOx等污染物; 另一方面,還原性煙氣受到二次風的擾動,在爐膛喉口處形成強烈的燃燒漩渦,可以與層燃燃燒區產生的NOx發生還原性反應. 同時研究還表明,在過??諝庀禂禐?. 75 且其中一次風、二次風、三次風的體積比為7 ∶ 1 ∶ 2 時,NOx的排放質量濃度最低,可達到83. 45 mg·m - 3,接近新標準的80 mg·m - 3的期望.

3.1.5 煙氣再循環

煙氣再循環技術的原理是在鍋爐的空氣預熱器之前,抽取一部分低溫煙氣直接送入爐內,或者與一次風/二次風混合送入爐內,起到冷卻和稀釋的作用,進而降低燃燒過程中的溫度和氧濃度,從而控制NOx的生成速率. 但是,煙氣再循環率太高也會導致未完全燃燒熱損失增加、燃燒不穩定等問題的產生,因此再循環率常??刂圃?0% ~ 20% 之間.Zhou 等在秸稈固定床燃燒鍋爐燃燒研究中指出,將20%比例的燃氣重新送入鍋爐中進行再循環利用,不僅可以保證不影響燃燒效率而且還可以降低NO 的排放.

3.2 煙氣脫硝

根據是否使用脫硝催化劑,尾部煙氣脫硝主要有以下兩種: 選擇性催化還原( SCR) 和選擇性非催化還原( SNCR) .

3.2.1 選擇性催化還原

選擇性催化還原技術是將還原劑( 常用的為NH3) 送入煙道使之與煙氣混合,在催化劑的作用下,在320 ~ 420 ℃的低溫狀態下將燃燒過程中產生的NOx還原為N2和H2O,從而實現NOx的減排.一般而言,常用的催化劑是由FeO2、Ag2O5和WO3制得的混合物.

3.2.2 選擇性非催化還原

選擇性非催化還原技術是在不加入催化劑的情況下,將氨水或尿素等作為還原劑直接噴入到900 ~1100 ℃的高溫煙氣中,在高溫條件下,氨水、尿素等還原劑先分解為NH3及其他副產物,之后,煙氣中的NOx與分解產生的NH3進一步發生氧化還原反應,將煙氣中的NOx還原為N2和H2O.

選擇性催化還原技術與選擇性非催化還原技術的區別主要在于二者的反應條件不同,具體體現在是否使用催化劑、還原劑的類型、反應溫度高低等方面.

選擇性催化還原技術與選擇性非催化還原技術的優點與不足主要體現在以下幾個方面: 選擇性催化還原技術的脫硝效率較高,可以達到80% ~90%,缺點主要體現在一次投資費用和設備的運行成本高,而且由于我國目前選擇性催化還原催化劑的技術不夠完善,較多的依賴國外技術,但是國外的專利壁壘增加了選擇性催化還原技術的運行與維護成本,在一定程度上限制了選擇性催化還原技術的推廣與使用. 選擇性非催化還原技術在脫硝過程中不需要使用催化劑,是在900 ~ 1100 ℃的窗口溫度條件下,NOx與還原劑NH3發生反應而實現脫硝,該技術的缺點主要體現在: 在實際的燃燒過程中,燃燒負荷以及燃料種類等因素都會影響爐內的溫度分布,進而會影響選擇性催化還原的窗口溫度,為了實現更好的脫硝效果,噴氨的位置也要根據窗口溫度而進行相應的調整,這在實際使用過程中增加了操作的技術難度. 目前國內大約96% 的發電廠主要采用的工藝技術是選擇性催化還原法,而約占4% 的發電廠采用的為選擇性非催化還原脫硝技術.

3.3 高級再燃

高級再燃技術是將燃料再燃與選擇性非催化還原相結合的脫硝技術,是目前一種極具應用前景的NOx控制技術,通過與選擇性非催化還原脫硝技術的結合,可以實現在燃料再燃的基礎上進一步降低NOx排放的目的,使之成為一個更加徹底的NOx降低技術. 高級再燃的原理為在再燃區或燃盡區噴入還原劑,進一步減少NOx生成. 高級再燃的技術關鍵是通過燃料再燃和選擇性非催化還原兩個階段的協同作用,拓寬反應溫度窗口,減少較窄溫度窗口對選擇性非脫硝效率的影響.

Han 等選擇高級再燃技術來降低生物質鍋爐燃燒過程中排放的NOx,首先,僅是單純通過優化操作條件,即可降低54% ~ 67% 的NOx; 繼而,繼續噴入氨水、尿素、碳酸鈉等還原劑,協同降低NOx的排放,可將NOx的去除率提高到85% ~ 92%,脫硝效果非??捎^.

3.4 生物質鍋爐NOx控制技術研究進展

目前,針對生物質鍋爐的NOx控制技術主要分為爐內脫硝和煙氣尾部脫硝兩類.

爐內脫硝即低氮燃燒技術,就生物質鍋爐而言,常用的低氮燃燒技術有煙氣再循環技術. 煙氣再循環技術有兩種流程: ( 1) 引風機后的煙氣直接引到一次風機入口. 該方案一次風機無需改動,再循環煙氣也不需要抽風機,省電節能,改造簡單,NOx質量分數可下降20% ~ 40%. ( 2) 引風機后的煙氣直接引到爐膛一次風室和二次風室. 該方案一次風機需降負荷運行,再循環煙氣也需要配備高溫抽風機,風壓與一次風機相當. 該方案增加了運行電耗,改造相對復雜,氮氧化物質量分數可下降25% ~50%. 煙氣再循環技術還會出現煙氣中二氧化硫污染物濃度升高和含水量升高的現象,但減少了煙氣排放總量.

煙氣尾部脫硝包括選擇性催化還原和選擇性非催化還原. 選擇性催化還原脫硝技術是應用最廣的,但是由于生物質燃料的特性( 熱值低、含鉀多) ,生物質鍋爐尾部煙氣溫度低( 280 ℃) 、含濕量大、飛灰細顆粒比例大、鉀金屬含量高,容易出現常規催化劑層中毒失活、堵塞、磨蝕等問題,造成NOx的超排現象. 目前,國外催化劑脫硝連續運行時間最長為三個月,因此如果采用選擇性催化還原脫硝技術必須解決催化劑中毒失活、堵塞、磨損的問題. 選擇性催化還原脫硝系統由煙氣系統、氨制備及噴氨系統、催化劑及吹灰系統組成. 其中煙氣系統包括催化劑溫度、壓力等; 氨制備及噴氨系統包括稀釋風、冷卻風、氨水、壓縮空氣等; 催化劑及吹灰系統包括聲波吹灰器、壓縮空氣、電磁閥等. 選擇性催化還原催化劑共2 層,布置在省煤器和空預器之間. 選擇性催化還原脫硝系統采用體積分數20% 的氨水溶液作為還原劑,實踐表明,選擇性催化還原脫硝系統能夠將NOx排放水平控制在50 mg·m - 3 以下,脫硝效率超80%,氨逃逸質量濃度遠低于設計要求的2. 3 mg·m - 3,滿足超低排放要求. 嘉興新嘉愛斯熱電有限公司在每小時產氣量130 t 生物質循環流化床鍋爐采用了措施: 采用板式催化劑,在催化劑層上游1. 5 m 設置自主研發設計的大顆粒飛灰收集器,有效的解決了催化劑層堵塞的問題; 適當增大催化劑層內流速,減少飛灰細顆粒的吸附概率,延長催化劑化學活性壽命. 選擇性非催化還原脫硝技術能夠有效脫除常規循環流化床燃煤鍋爐上NOx,而在每小時產氣量130 t 生物質鍋爐上達不到預期效果. 針對噴槍位置和數量做了大量的實驗,發現由于生物質鍋爐內溫度場的均勻性比燃煤鍋爐差,經常產生溫度高區域和溫度低區域交錯分布,使得噴入的還原劑( 氨水) 不能處于最佳的反應溫度區間,形成了NOx還原反應和氨氧化反應并存,且反應速率相近的狀態. 在爐膛溫度800 ℃、NH3 /NO2體積比近2 的條件下,NOx脫除的最高效率僅達15%,因此選擇性非催化還原技術不能作為全燒生物質鍋爐的脫硝技術. 脫硫塔pH 值對NOx的脫除也有一定的影響. 在體積分數0. 1% 的氧化劑、pH 值為6 的條件下,NOx脫除的最高效率31%,因此選擇性非催化還原技術不能作為全燒生物質鍋爐的脫硝技術.

4 生物質鍋爐NOx控制難點

4.1 NOx控制技術儲備不足

目前而言,我國對NOx的控制尚處于試點和起步階段,控制技術目前還不完全成熟. 再有,由于我國的生物質資源以秸稈等農業生產副產物為主,而國外長期以來以木質生物質及其成型燃料為主,因此國外的成熟經驗和技術我國并不能完全套用,發展出適合我國國情的生物質NOx控制技術尤為重要. 現階段,我國主要采用低NOx燃燒方式來降低NOx的排放,NOx控制效率約在30% ~ 50% 左右.目前,盡管也有人采用加裝尾端治理技術來實現脫硝,但運行效果和經濟效益尚未達到理想水平.

4.2 NOx控制成本大

目前,鍋爐NOx的控制改造存在著一些困難,比如,工業鍋爐的爐膛較小,若想運行低NOx燃燒技術,在改造上存在困難,減排NOx的成本過高. 現行的脫硫技術成本在每噸800 元左右,而脫硝技術每噸需要近2000 元. 燃煤鍋爐污染治理會大大增加達標成本,因此需要通過電價優惠政策給予一定的補償,《燃煤發電機組環保電價及環保設施運行監管辦法》明確規定,燃煤發電機組必須安裝脫硫、脫硝、除塵等后處理設施,其上網電量在現行上網電價基礎上執行脫硫、脫硝、除塵電價加價等環保電價政策,具體補償標準為脫硫電價加價標準為1 kW·h - 1時1. 5 分錢、脫硝電價為1 分錢、除塵電價為0. 2分錢.

但是,由于燃料、燃燒條件等因素的不同,燃煤鍋爐的煙氣脫硝技術和設備尚不能直接應用于生物質鍋爐,目前尚沒有可用于生物質鍋爐脫硝的成熟技術; 發展生物質鍋爐脫硝技術,進行低NOx燃燒改造和加裝脫硝裝置,勢必將增加環保成本,在經濟上大大增加了生物質鍋爐成本,在一定程度上限制了其發展.

5 發展趨勢與展望

( 1) 從生物質燃料本身考慮,單純燃燒秸稈( 水稻、小麥等) 成型燃料通?;曳趾枯^高,并且熱值較木質材料等較低,在原料中混入核桃皮、花生殼等農業生產副產物制備混合成型燃料可以彌補這些不足,成為生物質成型燃料制備的新發展趨勢.

( 2) 從生物質燃料的燃燒設備考慮,目前,已經成熟的商品化燃燒器對于木質生物質燃料的燃燒適用性比較強,而對于秸稈類生物質燃料燃燒能力較差,極易結焦結渣,難以最大限度的發揮燃料的熱效率,此外,即使加裝后處理裝置,產生NOx的含量也難以達到國家標準,成為目前的一大技術難關. 因此,如何對燃燒過程的溫度變化進行精準控制,實現對燃燒過程生成NOx的實時測量以及對生物質燃燒器NOx排放過程的有效控制,將成為今后的發展方向之一.

( 3) 目前亟需成熟的生物質燃料燃燒排放NOx控制技術,今后的研究應從NOx的產生機理出發,集中于優化燃料性質、進行精準的

燃燒全過程控制和開發高效低成本的煙氣脫硝后處理技術的研究,探索提高脫硝效率和降低環保成本的設計與方案,在解決我國能源窘境的同時,達到清潔生產的目的.
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