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脱硝技术的最新研究进展 全熙环保PSCR干法脱硝脱颖而出

北极星大气网  来源:全熙环保    2021/4/19 15:44:46  我要投稿  

北极星大气网讯:氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,它主要来源于石化燃料的加工和利用过程。近年来我国对NOx排放的治理取得了一定成效,但目前的脱硝技术大部分依靠进口,这势必会增加部分企业特别是中小企业的经济成本,不利于氮氧化物治理工作的推进。2018年7月,国务院在打赢蓝天保卫战三年行动计划中明确提出到2020年NOx排放总量比2015年下降15%以上。强化科技基础支撑是该减排行动中至关重要的一环,这对我国加快开发自主的脱硝技术提出了更高的要求。控制大气中NOx排放量可以从石化燃料加工和燃烧的不同阶段入手,目前的锅炉的NOx排放治理主要集中在燃烧中和燃烧后控制,分别通过低NOx燃烧技术和烟气脱硝技术实现。

1、低NOx燃烧技术

当前普遍开发的低NOx燃烧技术主要通过结合空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及低NOx燃烧器的设计等手段减少NOx的生成。

1.1、空气和燃料分级燃烧

空气分级燃烧技术是指在主燃烧区的上部引入二次风造成缺氧环境,并降低燃烧温度和燃烧速度,从而抑制该区域NOx的生成。同时未燃尽的燃料也会在二次风的作用下燃烧完全。研究表明直流锅炉模拟了炉内各区域和不同燃尽风率下的NOx生成与还原速率,分析了炉内各区域NOx的生成特性和主要控制因素,发现控制主燃区NOx的生成速率是空气分级燃烧降低NOx排放的关键。目前空气分级技术较为成熟,但是其原理决定了该技术对NOx的生成控制有限。

燃料分级燃烧技术也称为再燃烧技术,其一般和空气分级燃烧结合应用。该技术的实现路径为将燃烧装置分为三个区域,主燃烧区加入部分燃料保证其充分燃烧生成NOx, 在主燃烧区的上方设计高温还原气氛区加入部分燃料生成碳氢原子团,随后与主燃料区的NOx反应生成N2。通常又会在还原区上方安装三次燃烧区,以保证未完全燃烧产物的燃尽。一般影响燃料分级燃烧技术NOx生成率的主要条件包括:燃料的分配份额以及烟气在还原区温度和停留时间等;燃料和空气的送入方式以及各个燃区的几何尺度是设计燃烧器的主要考量。有研究表明一种新型的燃料分级燃烧低NOx燃烧器能有效抑制NOx的生成,并且通过燃料分级及多点分散燃烧大大提高了燃烧效率。燃料分级燃烧技术可大幅度降低氮氧化物的排放,但是该技术对燃料品种特别是煤粉的品种要求较高,用于天然气和液体燃料时对NOx的排放控制效果更佳。

1.2、低NOx燃烧器

低NOx燃烧器的设计是改善燃烧技术的核心部分,它关系到整个装置的经济性和可靠性。通过设计具有特殊结构的燃烧器,并结合不同的低NOx燃烧技术如降低燃烧区的温度和氧的浓度来改善燃料燃烧方式,从而抑制燃烧过程中NOx的产生。目前国内外研究和应用较多的主要有直流燃烧器和旋流燃烧器。

结合目前低NOx燃烧技术的研究现状来说,不同的燃烧系统和炉膛结构涉及了复杂的化学反应动力学以及空气动力学等,因此也对低NOx燃烧器的设计、工作特性及运行调节提出不同的要求。另外单一的低NOx燃烧技术在客观上也难以满足国家日益严格的NOx超低排放要求,必须大力研究和发展燃烧后烟气净化技术。

2、烟气脱硝技术

烟气脱硝技术即对燃烧后烟气中的NOx进行吸收再处理或转化,目前主要有湿法脱硝和干法脱硝两大类。在燃煤锅炉上应用较多的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原技术(SCR)和选择性非催化还原技术(SNCR),SCR由于脱硝率高成为目前国内外工业脱硝的主导技术。最近开发的新型高分子干法脱硝还原(PSCR)工艺技术也表现出了很好的脱硝应用前景。

2.1、湿法脱硝技术

湿法脱硝技术指使用含有对NOx作用能力较强的吸附剂溶液来吸收和净化

烟气中的NOx,从而达到消除NOx的目的。按照吸附剂的不同主要有酸吸收法、

氧化吸收法和络合吸收法等。湿法脱硝的优点是投资小,例如使用酸吸收法可以将NOx氧化为硝酸,进一步获得资源利用。但是酸碱吸收法对NO和NO2的比例有一定的要求,主要应用在我国化工行业的废气处理中,络合剂的消耗和再生仍是络合吸收法要解决的难题。因此对于以NO为主的燃煤烟气的处理目前主要运用SNCR和SCR技术。

2.2、SNCR烟气脱硝技术

SNCR 技术是指在800℃至1150℃的高温区直接将氨水或尿素等还原剂喷入炉膛内,分解的NH3与NOx进行选择性反应生成N2。从1974年SNCR工艺在日本成功实现工业化开始,SNCR技术得到了较为普遍的推广。对于SNCR系统来说,还原剂的选择需要兼顾安全、经济和脱硝效率等多个方面。氨水溶液运输方便,系统造价低廉;纯氨系统脱硝效率较高,但是需要设置额外的蒸发、喷淋、监测设备,安全性较差;尿素安全性较高,但是其脱硝效率较低,且对尿素的加热、管线都有特殊要求,初始投资较高。除了反应温度,影响 SNCR脱硝效果的因素还包括炉膛内的氨氮比、还原剂和烟气的停留时间以及分布等,反应过程若还原剂不能充分被氧化,会造成氨逃逸形成新的污染。实际应用中对于大容量的锅炉很难保证还原剂均匀分布在炉膛中,提高还原剂和烟气在炉膛中的混合程度是提高SNCR脱硝效率的关键。研究表明还原剂射流的最佳雾化粒径应随反应炉膛的高度进行分层优化,不同区域的喷枪流量应根据旋流特征调整。SNCR脱硝效率一般不超过50%,但是当其应用于循环流化床(CFB)锅炉时,由于其独特的燃烧方式和低NOx燃烧特性,可以达到70%的脱硝效率。研究发现在CFB锅炉的SNCR系统设计和运行中,喷枪位置选择、氨水稀释浓度以及喷枪雾化效果都是影响锅炉脱硝效率和氨逃逸率的重要因素。

2.3、SCR脱硝技术

SCR技术是指在中低温下直接将氨水或尿素等还原剂分解的NH3与烟气中的NOx混合,在催化剂的作用下进行选择性反应生成N2,它是目前国内外商业应用最为广泛的脱硝技术。对使用NH3作为还原剂的 NH3-SCR 脱硝技术,可以调节催化剂反应器的反应温度达到最优秀的NOx脱除效果。SCR技术是目前脱硝性能最优异的技术,其NOx脱除率最高能达到90%以上,并且与SNCR技术相比,其烟气反应温度大大降低。SCR技术的核心是催化剂,催化剂的组成直接影响烟气的反应温度和脱硝效果。目前在工业锅炉中商业最常用的仍然是V203/TiO2体系催化剂,其脱硝性能较为稳定,但是活性温度窗口较窄,高温下NOx脱除率急剧下降,因此目前对低温脱硝催化剂如分子筛催化剂的开发是SCR的研究热点之一。由于V基催化剂具有一定的物理毒性,从2015年开始脱硝催化剂已经被列为危险固废物,因此脱硝催化剂的回收和再生也是亟待解决的难题。虽然SCR的脱硝效率极高,工艺技术也较为成熟,但是其占地面积大、投资高的特点使其在中小企业的推广比较困难,而氨逃逸、催化剂的磨蚀和中毒等都是在实际运行中SCR装置需要面对的问题。

2.4、PSCR脱硝技术

开发新的烟气脱硝技术一直是研究者们努力的方向, 上海全熙环保科技股份有限公司率先推出拥有发明专利PSCR干法脱硝技术,该技术是指在炉膛合适的进料位置喷入脱硝还原剂干粉与烟气充分混合,在750℃至1150℃的高温下脱硝剂分解出的活性酰胺基团与NOx反应,生成H2O、N2、CO2等无毒气体。

脱硝剂与烟气发生的还原反应为

2R-OC-NH2+4NO+rO2-3N2+2H2O+(2r+2)CO2 (1)

2R-OC-NH2+4NO2+rO2-3N2+2H2O+(2r+4)CO2 (2)

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PSCR系统主要由脱硝剂储存、输送和分配、炉前喷射、仪器仪表电气等单元构成。PSCR工艺的关键是含有活性酰胺基团的高分子脱硝剂。在实际工业设计中,由于炉腔中烟气速度、温度分布的不均匀性,脱硝剂喷入位置的选择非常复杂。此外最佳温度窗口下的喷射位置还受到机组负荷、燃料类型和燃烧方式的影响,优化设计PSCR喷射系统除了要考虑温度、停留时间、混合等因素的非线性组合,还需要考虑与湍流流体力学、箱射和对流传热、雾滴动力学和气相化学反应之间的耦合。

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与SNCR技术相比,PSCR技术工艺具有以下优点:

1. PSCR设备一次性投资比SCR节省90%;

2. 锅炉热能增加2%-2.5%,无水无危废产生;

2. 无空预器、过热器、省煤器积灰堵塞和腐蚀现象发生;

3. 无电化学腐蚀发生、不增加风机阻力、不含重金属、无湿烟雨形成、延长锅炉使用寿命;

4. 脱硝效率高达97%,且运行稳定,不堵塞,不缩短布袋使用寿命,不影响除尘效果;

5. 固体颗粒状,运输储存维护方便,无泄漏爆炸隐患;

6. 氨逃逸满足国家最高标准,(SNCR≤10ppm、SCR≤3ppm),不腐蚀水冷壁,排除锅炉非停;

7. 占地仅需15平米,无需预留空间;

8. 不停炉改造安装,15天即可投运,如锅炉升级,设备可循环利用,亦可与SNCR脱硝技术相加使用,替代SCR。

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虽然优势明显,但PSCR技术工艺普及度并不高,因为烟气脱硝系统对排污企业非常重要,马虎不得,很多企业对于更换更先进的PSCR技术工艺仍然心存疑虑。

为了解除企业的后顾之忧,全熙环保公司与50余家上市公司、央企、民企等合作,取得了国内企业较高的认知度。公司拥有中国发明专利5项,自主知识产权30项,高级、中级技术工程师50余人,同时拥有一支经验丰富、技术过硬、凝心聚力的技术团队和售后服务团队。

公司本着先试验,后使用的原则,避免企业因盲目投资带来的风险。同时公司以诚信、务实的原则,为满足各大企业生产连续运行需要,分别在江苏、四川、辽宁、内蒙、新疆等多地建立生产基地,保证设备、药剂及时、快速供应,为保产、达标做好开路先锋。

3、结语和展望

低NOx燃烧控制技术的投资和运行费用虽然比较低,但同时也存在着不少的问题,例如NOx脱除效果难以满足环保需求、同时会造成燃料的利用率和燃烧效率下降,不能从根本上解决NOx的排放控制问题。

而PSCR干法脱硝技术在大气污染治理中由于采用高分子还原技术,没有二次污染、不产生二次费用、生命周期长、可持续使用,是一项全新节能脱硝技术。实践证明上海全熙环保的PSCR干法脱硝技术可以满足国家不同阶段脱硝标准要求,氮氧化物从高到低,从多到少,在任何一个数值上开始脱硝,均能满足国家、地方、企业标准要求,可达到超低排放(≤50mg/m3)、超超低排放(≤30mg/m3)或超净排放(≤8mg/m3),由于运行稳定、操作简单、节能环保、安全高效而无愧于在烟气脱硝领域具有权威性、专业性、实用性的品牌形象代表。

不管是新建企业还是既有企业脱硝技术改造,全熙环保都分别给出量身定制方案,供企业参考与选择。全熙环保不仅仅是送技术解决脱硝问题,更主要是和企业一起研究、制定一项既省钱又省事,又达标的脱硝方案。

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