大氣污染控制工程：第六章 氮氧化物控制技術(shù)

1、硫氧化物控制部分需要掌握內(nèi)容1. 燃燒前脫硫：煤炭洗選，煤炭轉(zhuǎn)化，重油脫硫2. 燃燒中脫硫：流化床燃燒脫硫的主要影響因素鈣硫比（Ca/S）；2.燃燒溫度；3.脫硫劑的顆粒尺寸和孔隙結(jié)構(gòu)；4.脫硫劑種類（分析流化床脫硫效不高的原因）3. 石灰石-石膏法濕法脫硫技術(shù)的工藝流程、機(jī)理及主要設(shè)備4. 石灰石-石膏法濕法脫硫技術(shù)的影響因素5. 石灰石-石膏法濕法脫硫技術(shù)中吸收塔結(jié)垢原因分析6. 什么是雙堿法脫硫技術(shù)？雙堿法脫硫技術(shù)的原理是什么？?jī)?yōu)缺點(diǎn)是什么？7. 氨法脫硫工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。8. 海水脫硫技術(shù)為什么現(xiàn)在不使用了，主要原因是什么。9. 簡(jiǎn)單脫硫工藝計(jì)算氮氧化物控制技術(shù)第六章目錄1. 氮氧化物的性

2、質(zhì)及來源2. 燃燒過程中氮氧化物的形成機(jī)理3. 低氮氧化物燃燒技術(shù)4. 煙氣脫硝技術(shù)第一節(jié) 氮氧化物的性質(zhì)及來源NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5大氣中NOx主要以NO、NO2的形式存在NOx的性質(zhì)N2O：?jiǎn)蝹€(gè)分子的溫室效應(yīng)為CO2的200倍，并參與臭氧層的破壞NO：大氣中NO2的前體物質(zhì)，形成光化學(xué)煙霧的活躍組分NO2:強(qiáng)烈刺激性，來源于NO的氧化，酸沉降氮氧化物的來源NOx的來源固氮菌、雷電等自然過程（5108t/a）人類活動(dòng)（5107t/a）燃料燃燒占 9095以NO形式，其余主要為NO2氮氧化物的來源氮氧化物的來源目錄1. 氮氧化物的性質(zhì)及來源2. 燃燒過程中

3、氮氧化物的形成機(jī)理3. 低氮氧化物燃燒技術(shù)4. 煙氣脫硝技術(shù)熱力型NOx空氣中的N2在高溫條件下被氧化為NOx即生成熱力型NOx。在水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須提供高溫、過量空氣等氣氛，以確保水泥熟料的煅燒品質(zhì)。煙氣在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煙氣溫度越高，熱力型NOx生成越多。約占8090% 水泥爐窯氮氧化物產(chǎn)生途徑燃料型NOx燃料中的含氮化合物被氧化成燃料型NOx，此類NOx主要在分解爐和預(yù)熱器等溫度低于1200區(qū)域生成。約占5%原料型NOx煅燒水泥的原料主要成分為石灰石，另有粘土、沙石等，不同原料中氮含量由20ppm至100ppm不等。原料型NOx主要在溫度窗口為300-800內(nèi)生成。帶預(yù)分解爐

4、或預(yù)熱器的窯型，較之其它傳統(tǒng)窯型，熟料產(chǎn)量大，生成的原料型NOx較少。 不到3%快速型NOx在還原性氣氛下燃料相對(duì)過量，過量的燃料中的自由基與助燃空氣中的N2快速反應(yīng)生成快速型NOx。貢獻(xiàn)較小，可忽略 形成機(jī)理燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx熱力型NOx高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx瞬時(shí)NO低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO第二節(jié) 燃燒過程中氮氧化物的形成機(jī)理熱力型NOx的形成產(chǎn)生NO和NO2的兩個(gè)重要反應(yīng)上述反應(yīng)的化學(xué)平衡受溫度和反應(yīng)物化學(xué)組成的影響平衡時(shí)NO濃度隨溫度升高迅速增加燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型平衡常數(shù)和平衡濃度燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型平衡常數(shù)和平衡濃

5、度燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型上述數(shù)據(jù)說明：室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉(zhuǎn)化為NO2800K左右，NO與NO2生成量仍然很小，但NO生成量已經(jīng)超過NO2常規(guī)燃燒溫度（1500K）下，有可觀的NO生成，但NO2量仍然很小燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型煙氣冷卻過程中，根據(jù)熱力學(xué)計(jì)算，NOx應(yīng)主要以NO2的形式存在，但實(shí)際9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于動(dòng)力學(xué)控制 NO/NOx Ratio boilervehicles nature gas0.91.0 internal comb. engine 0.991.0 coal0.951.0 6# fuel o

6、il0.961.0 diesel engine0.771.0燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型熱力型NOx形成的動(dòng)力學(xué)Zeldovich模型 NO生成的總速率燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型假定N原子的濃度保持不變得到代入（6）式得燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型假定O原子的濃度保持不變 最終得燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型積分得NO的形成分?jǐn)?shù)與時(shí)間t之間的關(guān)系Y=NO/ NOe0 0.5 1 1.5 2.0 Mt1.00.5燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型各種溫度下形成NO的濃度時(shí)間分布曲線燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：熱力型在各種溫度下NO濃度隨時(shí)間的變化曲線(N2O240：1) 燃燒過程N(yùn)O

7、x的形成機(jī)理：熱力型碳?xì)浠衔锶紵龝r(shí)，分解成CH、CH2和C2等基團(tuán)，與N2發(fā)生如下反應(yīng) 火焰中存在大量O、OH基團(tuán)，與上述產(chǎn)物反應(yīng)燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：瞬時(shí)NO的形成燃料中的N通常以原子狀態(tài)與HC結(jié)合，CN鍵的鍵能較N N 小，燃燒時(shí)容易分解，經(jīng)氧化形成NOx火焰中燃料氮轉(zhuǎn)化為NO的比例取決于火焰區(qū)NO/O2的比例燃料中2080的氮轉(zhuǎn)化為NOxFuel NHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslow燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：瞬時(shí)NO的形成燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理：瞬時(shí)NO的形成燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理

8、：瞬時(shí)NO的形成燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理目錄1. 氮氧化物的性質(zhì)及來源2. 燃燒過程中氮氧化物的形成機(jī)理3. 低氮氧化物燃燒技術(shù)4. 煙氣脫硝技術(shù)控制NOx形成的因素空氣燃料比燃燒區(qū)溫度及其分布后燃燒區(qū)的冷卻程度燃燒器形狀第三節(jié) 低氮氧化物燃燒技術(shù)傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù)1. 低氧燃燒降低NOx的同時(shí)提高鍋爐熱效率CO、HC、碳黑產(chǎn)生量增加傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù)2. 降低助燃空氣預(yù)熱溫度燃燒空氣由27oC預(yù)熱到315oC，NO排放量增加3倍傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù)3. 煙氣循環(huán)燃燒降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度主要減少熱力型NOx傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù)4. 兩段燃燒技術(shù)第一段：氧氣不足，煙氣溫度低，NOx生成量很

9、小第二段：二次空氣，CO、HC完全燃燒，煙氣溫度低傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù)原理：低空氣過剩系數(shù)運(yùn)行技術(shù)分段燃燒技術(shù)1. 爐膛內(nèi)整體空氣分級(jí)的低NOx直流燃燒器爐壁設(shè)置助燃空氣（OFA，燃盡風(fēng)）噴嘴類似于兩段燃燒技術(shù)先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)2. 空氣分級(jí)的低NOx旋流燃燒器一次火焰區(qū)：富燃，含氮組分析出但難以轉(zhuǎn)化二次火焰區(qū)：燃盡CO、HC等先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)3. 空氣/燃料分級(jí)的低NOx燃燒器空氣和燃料均分級(jí)送入爐膛一次火焰區(qū)下游形成低氧還原區(qū)，還原已生成的NOx先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)目錄1. 氮氧化物的性質(zhì)及來源2. 燃燒過程中氮氧化物的形成機(jī)理3. 低氮氧化物燃燒技術(shù)4.

10、 煙氣脫硝技術(shù)第四節(jié) 煙氣脫硝技術(shù)脫硝技術(shù)的難點(diǎn)處理煙氣體積大NOx濃度相當(dāng)?shù)蚇Ox的總量相對(duì)較大催化劑：貴金屬、堿性金屬氧化物還原反應(yīng)潛在氧化反應(yīng)煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)-選擇性催化還原法（SCR）尿素或氨基化合物作為還原劑，較高反應(yīng)溫度化學(xué)反應(yīng)同樣，需要控制溫度避免潛在氧化反應(yīng)發(fā)生煙氣脫硝技術(shù)-選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)-選擇性非催化還原法（SNCR）44選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，以下簡(jiǎn)稱為SCR）技術(shù)是目前降低NOx 排放量最為高效，且是國內(nèi)外應(yīng)用最多最成

11、熟的技術(shù)，脫硝率可達(dá)80以上。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)采用氨氣作為還原劑。SCR反應(yīng)器的布置位置：高溫高塵、高溫低塵、低溫低塵。選擇性催化還原技術(shù)（SCR）45NH3先被催化劑表面活性面吸收后，然后與NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和H2O。主要化學(xué)反應(yīng)： 4NO+4NH3+O24N2+6H2O NO+NO2+2NH32N2+3H2O 選擇性催化還原技術(shù)（SCR）46SCR系統(tǒng)工藝流程47三種還原劑對(duì)比還原劑優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)液氨單位用量下儲(chǔ)存體積小，技術(shù)成熟，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，能耗較低，設(shè)備投資低。液氨屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，對(duì)運(yùn)輸、儲(chǔ)存要求高，一旦泄露影響較大。氨水液體溢出后的擴(kuò)散范圍小于液氨，濃度范圍容易控制。儲(chǔ)存體

12、積大，蒸發(fā)、儲(chǔ)存設(shè)備成本較高，較大的注入管道。溢出的氨水對(duì)人體影響同于液氨。尿素產(chǎn)品無毒無害，無爆炸性，運(yùn)輸、儲(chǔ)存較安全。儲(chǔ)存需考慮產(chǎn)品吸濕性。系統(tǒng)初期投資較大，運(yùn)行成本高，能耗相對(duì)較高。48液氨卸料壓縮機(jī)液氨蒸發(fā)器液氨儲(chǔ)罐SCR系統(tǒng)組成氨站49SCR系統(tǒng)組成SCR反應(yīng)區(qū)50SCR系統(tǒng)組成SCR反應(yīng)區(qū)稀釋風(fēng)機(jī)噴氨格柵閥門站噴氨格柵混合器氨/空氣混合技術(shù)：專利號(hào)ZL 200920107341.3；有效地使氨與空氣均勻混合；多區(qū)域多孔氨噴射技術(shù)：專利號(hào)ZL200920105063.8；能控制噴入的氨與煙氣中的NOx匹配，達(dá)到更好的NOx脫除效果；51蒸汽吹灰器聲波吹灰器反應(yīng)器底部灰斗SCR系統(tǒng)組成

13、SCR反應(yīng)區(qū)靜態(tài)混合器煙氣混合技術(shù)：專利號(hào)ZL200820080620.0；能使噴入的氨/空氣混合氣體與煙氣充分混合，有利于NOx的脫除。52SCR系統(tǒng)的物模及數(shù)模脫硝系統(tǒng)物理模型冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)脫硝系統(tǒng)數(shù)值模型SCR反應(yīng)器內(nèi)氨濃度噴氨格柵上游煙氣流速分布催化劑入口處氨濃度53 催化劑一般2+1布置初裝2層、預(yù)留1層，共3層布置 催化劑有三種：蜂窩式、板式、波紋板式SCR系統(tǒng)組成催化劑54項(xiàng)目比較催化劑類型蜂窩狀波紋板式板式結(jié)構(gòu)形式加工工藝均勻擠出式覆涂式壓型覆涂式比表面積大小中等防堵灰能力較好一般更好抗中毒能力強(qiáng)中等較強(qiáng)安全性不助燃助燃不助燃持久性好較差好磨損好較差好可靠性好一般好催化劑成本好一般

14、好三種催化劑比較55 由于SCR催化劑的工作條件比較惡劣，所以存在著中毒失效問題，必須定期更換。更換時(shí)間根據(jù)具體情況而定，一般一到三年。催化劑性能下降，其主要原因有： 1、由于固體沉積物使微孔堵塞； 2、由于堿性化合物（特別是鉀或重金屬）引起中毒； 催化劑定期更換56SCR工程實(shí)例項(xiàng)目單位數(shù)值處理煙氣量Nm3/h2058545NOx濃度mg/Nm3 450粉塵含量g/Nm3 30煙氣溫度371脫硝效率%80液氨耗量t/h0.306催化劑體積m3524電耗KVA62煙氣脫硝技術(shù)-選擇性非催化還原法（SNCR）58選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）：向煙氣中噴氨水或尿素等含有NH3基的還原劑，在高溫

15、（800-1100）和沒有催化劑的情況下，通過煙道氣流中產(chǎn)生的氨自由基與NOx反應(yīng)，把NOx還原成N2。影響SNCR的主要因素: 正確的溫度窗口 合適溫度范圍內(nèi)的停留時(shí)間 良好的混合 氨氮摩爾比選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）59尿素的有效溫度窗口更窄，在8001050之間。氨水的有效范圍寬一些，在7501150，除900外效果均比尿素要好一些。還原劑選擇60SNCR工藝特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 不需要催化劑；設(shè)備簡(jiǎn)單；初期投資少；系統(tǒng)簡(jiǎn)潔；施工周期較短。缺點(diǎn)： 脫硝效率不高；還原劑耗量較大，運(yùn)行成本較高；對(duì)反應(yīng)溫度要求高，需要準(zhǔn)確控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的溫度；61SNCR工程實(shí)例項(xiàng) 目數(shù)值鍋爐容量240t/h處理前NOx原始濃度mg/Nm3（標(biāo)況、干態(tài)、6%O2）380SNCR處