最新最全 国内外脱硝技术的现状及展望

把一个火焰分成数个小火焰,由于小火焰散热面积大、火焰温度低,使热反应型NOx下降的分割火焰型燃烧器;改善燃烧与空气的混合,使火焰面厚度减薄,在燃烧负荷不变的情况下烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短而使NOx生成量降低的混合促进型燃烧器;预燃室由一次风(或二次风)和燃料喷射系统等组成,燃料和一次风快速混合,在预燃室内一次燃烧区形成富燃料混合物的预燃室燃烧器。

范卫东等[6]发明了一种低NOx气体燃料燃烧器和燃烧方法,采用一次空气和二次空气的进风方式,从内向外设计1、2、3级燃气喷嘴,1、2级燃气燃烧形成主内火盘,3级燃气燃烧形成外火盘。外火盘将内火盘燃烧形成的NOx进行还原,同时捕捉逃逸的助燃空气,实现低氧运行。何宏舟等[7]发明了一种旋流浓淡煤粉燃烧器,通过补入优质烟煤的方式助燃无烟煤的点火和燃烧。

凌忠钱等[8]发明了一种耦合空气分级和燃料分级的低NOx四拱型W火焰锅炉。炉膛分为下炉膛和上炉膛,下炉膛由4个炉拱、两段式前后墙和冷灰斗组成;在上炉拱上布置外倾的煤粉燃烧器,在上部前后墙布置下倾的分级风喷口,在下炉拱上布置内倾的超细粉燃烧器,在冷灰斗上部近于水平布置保护风喷口,在上炉膛下部布置下倾的燃尽风喷口。

通过在炉内构建耦合深度空气分级燃烧和燃料分级燃烧的条件,辅以因独特的燃烧设计而延长的火焰行程和增加的火焰充满度,实现了W火焰锅炉低NOx燃烧和高效燃尽。燃料再燃烧可明显降低NOx的排放量,而超细煤粉的再燃性更加优越,将其喷入炉膛内燃烧可以在很大程度上降低NOx的排放量。王志强等[9]发明了一种烟气再循环和超细煤粉再燃的层燃炉及其燃烧工艺。

采用引射射流技术,利用再循环烟气作为引射气流将超细煤粉直接从煤斗与大颗粒煤分离,并将超细煤粉引射入炉膛再燃区,达到还原NOx的目的,并且利用循环烟气热解煤产生还原气体,使主燃区呈现还原性气氛,以降低NOx的产生,同时实现了燃料的分级燃烧。

将高温预热(助燃)空气和烟气强制循环相结合的高温低氧燃烧技术,能降低燃烧空气中的氧浓度,得到与传统火焰完全不同的火焰类型,也可有效降低NOx的排放量。邓长友等[10]发明了一种高温低氧燃烧装置。

其燃烧系统包括炉膛和一延伸入炉膛的烧嘴;蓄热系统包括第1蓄热室与第2蓄热室;烟气回抽系统包括进风管道与排风管道之间的烟气回抽管道和回抽风机,由烟气回抽系统将一定流量的不含氧气的烟气抽回进风管道,将进风管道内的助燃气体-氧气含量降低形成低氧助燃气体,再通过蓄热系统将进风管道内的低氧助燃气体预热至高温后送入炉膛与燃料混合,实现高温低氧燃烧,有效减少了NOx的排放。

2脱硝的炉内喷射技术

在炉膛上部喷射某种还原剂,使其在一定温度和没有催化剂条件下,通过产生自由基与NOx反应,把NOx还原成N2和H2O,降低NOx的排放量。

还原剂包括水、二次燃料、氨或尿素等,最常用的是氨。NH3还原NOx的反应只能在950~1050℃这一狭窄的温度范围内进行[11]。这种方法称为选择性非催化还原脱硝(SNCR)。

高洪培等[12]发明了一种适用于循环流化床锅炉的液氨法SNCR脱硝系统,通过直接利用气氨来达到脱除烟气中NOx的目的。一般来说,SNCR脱硝效率对大型燃煤机组可达25%~40%,对小型机组可达80%。SNCR法缺点是氨逃逸率高,脱硝效率低。

SNCR与其他技术,如SCR、再燃烧技术、低NOx燃烧器等技术的联合、联用是脱硝技术的一个重要发展方向。和晓刚等[13]发明了一种SNCR-SCR联合烟气脱硝工艺,利用SNCR反应区的逃逸氨作为SCR反应区的还原剂,有效提高了脱硝效率,减少了氨逃逸量。

3烟气脱硝技术

目前烟气脱硝技术种类繁多,按脱硝过程是否加水和脱硝产物的干湿形态,烟气脱硝分为湿法烟气脱硝技术和干法烟气脱硝技术。

3.1干法烟气脱硝技术

3.1.1选择性催化还原(SCR)

SCR法是采用NH3(也可以是尿素、H2、HC和CO等)作为还原剂,将NOx还原成N2和H2O。NH3选择性地只与NO反应,而不与烟气中的O2反应,O2又能促进NH3与NO的反应[14]。SCR脱硝装置主要包括SCR反应器、辅助系统、氨储存及处理系统和氨注入系统。

SCR的核心是SCR脱硝催化剂,通常被制成蜂窝式、板式或波纹式。SCR催化剂分为高温(345~590℃)、中温(260~380℃)和低温(80~300℃),不同催化剂适宜的反应温度不同,钒钨钛系催化剂的活性温度窗口为320~420℃,最佳反应温度窗口集中在340~380℃[15]。

催化剂载体包括TiO2、TiO2/SiO2、TiO2/硅酸盐、Al2O3/SiO2和活性炭等,载体可以是单组分也可以是多组分;其催化活性组分元素从W、Mo和V的氧化物向含Fe、Ce、Mn、Bi和Cu等元素的复合氧化物发展[16],同时,也有沸石分子筛、炭基催化剂、金属氧化物等催化剂。

宋存义等[17]发明的SCR脱硝催化剂以TiO2为载体,以V2O5、Bi2O3、MoO3和BaO的混合物为活性组分,各活性组分含量为:0.5%~15%的V2O5、0.01%~1%的Bi2O3、0.05%~1%的MoO3和0.05%~1%的BaO,载体为82%~99%的TiO2。

该催化剂不仅实现了NOx的低温还原,还很好地降低了SO2的氧化活性,有效延长了催化剂寿命。廖永进等[18]发明了一种SCR脱硝催化剂及其制备方法以及用途,该催化剂以钛氧化物为载体、以锰氧化物为活性成分、以铁氧化物和经硫化处理的铈氧化物为助催化剂。该Fe2O3-CeO2-MnOx/TiO2催化剂中,铁、铈、锰和钛元素的摩尔比为0.1∶0.07∶0.4∶1。该催化剂脱硝反应温度较低,脱硝效率和抗热性较好,选择性催化还原脱硝活性温度窗口较宽。

SCR催化剂性能考察包括活性、稳定性、SO2/SO3转化率、NH3逃逸、机械强度等。SCR反应通常在250~450℃进行[19],在NH3/NO摩尔比为1时,脱硝率可达80%~90%,SCR脱硝反应效率最高达约90%[15]。

SCR脱硝技术是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术,优点是没有副产物、不形成二次污染、装置结构简单、技术成熟、脱硝效率高、运行可靠、便于维护,缺点是催化剂失活和尾气中残留NH3[14],在有氧条件下,SO3与过量NH3反应生成具有腐蚀性和黏性的NH4HSO4,可导致尾部烟道设备损坏。

SCR催化剂平均寿命约为3a。SCR催化剂失活机理复杂,不同煤种导致不同的烟气组分和不同的SCR脱硝催化剂配方和成型工艺,引起SCR催化剂失活机理不同。通常,SCR催化剂失活包括碱金属(Na、K)中毒、铵盐中毒、催化剂堵塞、机械磨损,飞灰冲刷催化剂表面导致有效成分流失、热烧结导致载体TiO2晶形转变等。

再生手段包括:高效清洗,如真空吸尘或压缩空气吹灰、超声清洗和清洗液浸泡或喷淋;活性成分补充,如活性组分再浸渍和焙烧等措施。杨建辉等[20]发明了一种选择性植入活性成分的废弃脱硝催化剂的再生方法,将V2O5和/或WO3选择性地负载到离催化剂微孔200μm以内的脱硝反应区域,提高了催化剂的脱硝活性,同时控制了钒和/或钨增加对催化剂SO2氧化率的促进作用。

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