CN101244361B - 一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法 - Google Patents
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Abstract
一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法，涉及一种在电厂锅炉和工业炉等燃烧设备上选择性非催化还原(SNCR)脱硝过程中加入添加剂促进脱硝过程的工艺方法，属于氮氧化物控制技术领域。本发明针对常规SNCR脱硝技术应用中存在的合适的温度区间狭窄和反应停留时间不足的问题，公开了一种以超细煤粉、天然气或合成气为添加剂的选择性非催化还原氮氧化物的方法，从而提高了脱硝反应速率，拓宽了适宜SNCR反应的温度区间，提高了脱硝率并降低了氨泄漏。本发明方法改造简便，便于实施，采用的添加剂廉价易得，用量很少，不会对炉内燃烧过程产生影响，也不会产生明显的二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种在电站锅炉、工业锅炉等燃烧设备以及利用氨基还原剂脱除烟气中NOx的污染控制***上进行选择性非催化还原(SNCR)氮氧化物的工艺方法。
背景技术
燃煤电站锅炉及工业锅炉排放大量的氮氧化物(NOx)污染，严峻的氮氧化物污染现状要求对各种锅炉燃烧产生的NOx进行控制。通过燃烧控制方式减排NOx已不能满足越来越严格的排放标准，在进一步的NOx控制技术中，选择性催化还原(SCR)技术脱硝效率高，然而投资也最高，同时对已有机组的改造存在困难。再燃脱硝由于改变了炉内燃烧方式，容易引起不完全燃烧的能量损失。选择性非催化还原(SNCR)技术投资低廉，建设周期短，易于改造，脱硝效率中等，是一种性价比较高的脱硝技术。
再燃技术中将燃料分级送入炉膛燃烧，一般将80-85％的主燃料和空气通过燃烧器送入主燃区，在过量空气系数大于1的条件下进行充分燃烧，燃烧中形成NOx，在主燃区上部的再燃区喷入15-20％的再燃燃料，消耗烟气中的氧，形成富燃料的还原性气氛，利用不完全燃烧形成的碳氢化合物将NOx还原为N2，再燃区上部喷入燃尽风保证燃尽。燃烧方式的改变会引起炉膛热负荷分布的变化，影响过热器、再热器以及尾部受热面的热负荷，同时受再燃燃料燃烧特性的限制，不完全燃烧损失增大。由再燃结合SNCR技术发展来的先进再燃，在再燃区喷入氨基还原剂，可以进一步提高脱硝效率，然而燃料分级产生的影响依然存在。
SNCR技术以炉膛烟道做为反应器，在合适的温度(约950℃-1150℃)位置喷入含氮的还原剂(氨，氨水，尿素，氰尿酸，有机或无机铵盐如碳酸铵等)，无需催化剂，利用还原剂分解产生的氨选择性的将烟气中的NOx还原为N2，从而降低烟气中的NOx含量，这一过程称为选择性非催化还原(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)。适合SNCR脱硝反应的温度区间较为狭窄，在最佳反应温度(约1000℃)下SNCR反应可以达到最高约90％的脱硝效率，因此在SNCR技术中，为有效脱除烟气中的NOx，需要在合适的温度位置喷入还原剂，并保证喷入的还原剂在适宜的温度区间保持足够的停留时间以充分反应，同时还原剂与烟气的混合程度也是影响脱硝效率的重要因素。在锅炉烟道内适合SNCR反应的温度区间大概处于锅炉折焰角附近，临近对流换热面，随着烟气流动，温度迅速降低，温度梯度较大，适宜SNCR反应的温度区间狭窄，停留时间有限，喷入的还原剂难以与烟气有效混合并充分反应，很快就脱离出适宜SNCR反应的温度区间，导致SNCR技术在实际应用中脱硝效率只能达到30％-50％，而未完全反应的氨存在于尾部烟道中，形成较高的氨泄漏(15-20ppm)，容易引起尾部烟道的沾污、腐蚀和堵塞，同时也会影响飞灰的再利用，形成二次污染。在实际应用中，由于烟气温度随锅炉的负荷改变，经常在多个水平位置设置多层的还原剂喷嘴阵列，以保证在合适的温度位置喷入还原剂。
适宜SNCR反应的温度区间较为狭窄，在锅炉烟道内温度迅速降低的条件下，还原剂的停留时间有限，喷入的还原剂难与烟气中的NOx充分反应，导致SNCR技术的脱硝效率较低，而氨泄漏较高。
发明内容
本发明的目的试针对在SNCR脱硝实际应用中，炉内适宜SNCR反应的温度区间狭窄，喷入的还原剂随烟气流动温度迅速降低，在合适的温度区间内停留时间较短，还原剂难以与烟气中的NOx充分反应，导致脱硝效率较低以及较高的氨泄漏等问题，提出一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法，该方法通过在SNCR反应区喷入微量的添加剂，而不是做为还原剂，促进氨在较低的反应温度下有效的还原烟气中的NOx，在锅炉烟道内温度迅速降低的条件下，拓宽SNCR反应有效的温度区间，并加速脱硝反应速率，从而提高脱硝效率，降低氨泄漏。
本发明的技术方案如下：
一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法，其特征在于，该方法是在选择性非催化还原反应区或反应区后部喷入超细煤粉、天然气或合成气作为添加剂，利用添加剂促进选择性非催化还原氮氧化物。
本发明的上述技术方案中，喷入添加剂时的优选反应温度为600℃～1000℃，选择性非催化还原剂的喷入量以还原剂中的NH3与烟气中的NO的摩尔比表示，NH3与NO的优选比值为0.8～3.0；超细煤粉添加剂的加入量以煤粉质量与烟气中NO的物质的量之比进行表示，两者的优选比值为大于0小于150g/mol；天然气添加剂的加入量以天然气中CH4的含量与烟气中NO的含量的摩尔比表示，两者的优选比值为大于0小于2.0；合成气添加剂的加入量以合成气中CH4的含量与烟气中NO的含量的摩尔比表示，两者的优选比值为大于0小于3.0。
与现有技术相比，本发明申请具有以下优点：
①加入添加剂使SNCR脱硝的有效温度区间向低温方向拓展，改善了常规SNCR过程由于炉膛烟道内温度迅速降低而不能充分反应的状况。
②加入添加剂后不仅可拓宽SNCR反应有效的温度区间，还可加快SNCR反应速率，改善了常规SNCR反应在适宜的温度区间停留时间较短的状况。
③加入添加剂可提高氨基还原剂在较低温度下的反应活性，提高还原剂的利用效率，降低氨泄漏。
④本发明采用的添加剂(超细煤粉、天然气或合成气)廉价易得，采用的***对设备的改造简便，便于实施，并可显著提高常规SNCR过程的脱硝效率。
⑤本发明中加入的超细煤粉、天然气或合成气量很少，做为SNCR反应的助剂，不会对炉内燃烧过程产生影响，在反应过程中不会产生明显的二次污染。
附图说明
图1是实施例1煤粉炉内加入超细煤粉促进SNCR脱硝过程的装置结构示意图。
图2是加入超细煤粉对SNCR反应促进效果的曲线。
图3是实施例2煤粉炉内加入天然气促进SNCR脱硝过程的装置结构示意图。
图4是加入天然气对SNCR反应促进效果的曲线。
图5是实施例3煤粉炉内加入合成促进SNCR脱硝过程的装置结构示意图。
以上各图中，1-燃烧装置；2-燃烧器；3-炉膛内部；4-还原剂供应装置；5-还原剂喷嘴，6-添加剂供应装置；7-SNCR反应区；8-反应区后部；9-添加剂喷嘴；10-折焰角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理及具体实施作进一步的说明。本发明提供的一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法，其技术方案是在选择性非催化还原反应区或在反应区后部伴随还原剂喷入微量的超细煤粉、天然气或合成气，也可以单独在反应区后部喷入，喷入添加剂时的反应温度一般在600℃～1000℃，利用添加剂促进选择性非催化还原氮氧化物。加入的添加剂氧化过程提供激发SNCR链式反应的关键基元OH，促进还原剂在较低的反应温度下依然有效还原NOx，降低并拓宽SNCR反应中有效还原NOx的温度区间，同时加入添加剂还可以提高SNCR反应速率，使SNCR还原剂在有限的温度区间和停留时间内，更充分的还原NOx，达到提高脱硝效率和降低氨泄漏的目的。
本发明涉及产生包含氮氧化物烟气的燃烧矿物燃料的电站锅炉或工业锅炉，以及利用氨基还原剂脱除烟气中NOx的污染控制***，特别是SNCR***，其通过把氨基还原剂注入炉膛烟道中以将烟气中的NOx还原为N2和水，SNCR***包括氨基还原剂的储存、输送管路和喷射***。该方法还包括一种添加剂注入***，该添加剂注入***将超细煤粉、天然气或合成气注入烟道中的SNCR反应区，并可有效控制超细煤粉或天然气的加入量，以促进氨基还原剂选择性还原NOx的过程，提高脱硝效率，并降低氨泄漏。
图1显示具有SNCR***的燃烧装置1，燃烧装置1可以是在炉膛内部3完成燃烧的任何设备，优选的燃烧装置包括电站锅炉和工业锅炉，用于通过没有显示的传统装置产生蒸汽。燃烧装置1的侧壁或末端壁设置燃烧器2，由燃烧器2送入燃料和空气，在炉膛内部3燃烧，适合的燃料包括燃料油、煤粉和石油焦炭等，燃料中含结合氮，燃烧过程生成含有NOx的烟气。
燃烧装置1的中上部设置还原剂喷嘴5，通过常规装置从还原剂供应装置4通过多个还原剂喷嘴5向还SNCR反应区7喷入还原剂，优选的喷入还原剂位置温度约为1000℃左右。优选的还原剂实例包括氨、尿素、氰尿酸、无机和有机铵盐如碳酸铵，以及它们的混合物。
加入的还原剂量，以NH3与NO的摩尔比进行表示，优选的范围为0.8～3.0。伴随SNCR***设置添加剂注入***，通过常规装置从添加剂供应装置6与添加剂喷嘴5连接。优选的添加剂为超细煤粉、天然气和合成气。
在炉膛内部3燃烧形成的包含NOx的烟气在锅炉折焰角10位置温度降至约1000℃，此温度适宜SNCR反应发生，常规SNCR反应通过还原剂喷嘴5将氨基还原剂喷入炉内SNCR反应区7，在SNCR反应区7高温条件下还原剂分解生成NH3，NH3选择性的将烟气中的NOx还原为N2和水。由SNCR反应机理可知，NH3需要转化为NH2才能有效的与烟气中的NOx反应，将之还原为N2和水，使NH3转化为NH2的关键基元是OH等活性基元。在SNCR反应区7后部紧邻对流换热面，烟气温度迅速降低，OH等活性基元含量随之降低，不足以激发SNCR反应，NH3不能继续有效的还原NOx，NOx还原量急剧下降，即使还原剂与烟气均匀混合，也只有不到30％的NOx被还原。
本发明在SNCR反应区7或反应区后部8内注入超细煤粉、天然气或合成气添加剂，添加剂的氧化过程使反应气氛中的OH等活性基元量增加，从而激发NH3形成NH2，在较低的反应温度下有效的还原NOx，同时由于加入添加剂使活性基元量增加，提高SNCR反应速率，促使SNCR反应在更短的时间内完成，缩短脱硝反应所需的时间，提高氨基还原剂的利用效率，提高脱硝效率，减少氨泄漏。
实施例1
一种加入超细煤粉添加剂促进SNCR脱硝过程的方法，包括SNCR还原剂供应装置4和还原剂喷嘴5，超细煤粉添加剂供应装置6。
如图1所示，燃料在炉膛内部3燃烧，生成含有NOx的烟气，烟气在折焰角10位置温度下降至约1000℃，达到适宜SNCR反应的温度位置，之后烟气流动进入对流换热区，温度迅速降低，在二级过热器后部降至不到900℃，脱离最佳的SNCR反应温度区间。在折焰角10位置布置还原剂喷嘴5，还原剂由还原剂供应装置4供给并通过喷嘴5注入SNCR反应区7，SNCR还原剂的喷入量以NH3与NO的摩尔比进行表示，优选的值为0.8-3.0，超细煤粉添加剂的加入量以煤粉质量与烟气中NO的物质的量之比进行表示，优选的值为大于小于150g/mol。超细煤粉通过添加剂供应装置6供给，并随氨基还原剂喷入SNCR反应区7。添加剂的氧化过程使反应气氛中OH等活性基元增加，提高SNCR反应的速率，使SNCR反应在狭窄的温度区间和较短的停留时间内更充分的进行，而且加入添加剂使适宜SNCR反应的温度区间向低温方向偏移，促进氨基还原剂在600℃-1000℃的反应温度下依然有效的还原烟气中的NOx，从而提高SNCR反应过程的脱硝效率，降低氨泄漏。加入超细煤粉对SNCR反应脱硝过程的促进作用见图2。加入的超细煤粉在高温和氧化性的烟气气氛中被氧化为CO2，不产生明显的二次污染。
本实施实例可保证使常规SNCR过程的脱硝效率提高10％-30％，氨泄漏降低到5-15ppm。
实施例2
一种加入天然气添加剂促进SNCR脱硝过程的工艺，包括SNCR还原剂供应装置4和还原剂喷嘴5，天然气添加剂供应装置6。
如图3所示，燃料在炉膛内部3燃烧，生成含有NOx的烟气，烟气在折焰角10位置温度下降至约1000℃，达到适宜SNCR反应的温度位置，之后烟气流动进入反应区后部8，温度迅速降低，在二级过热器后部降至不到900℃，脱离最佳的SNCR反应温度区间。在折焰角10位置以及过热器和再热器之间布置多层的还原剂喷嘴5，还原剂由还原剂供应装置4供给并通过喷嘴5注入SNCR反应区7和反应区后部8，SNCR还原剂的喷入量以NH3与NO的摩尔比进行表示，优选的值为0.8-2.0，天然气添加剂的加入量以天然气中CH4的含量与烟气中NO的含量的摩尔比表示，两者的比值为大于0小于2.0；天然气添加剂通过添加剂供应装置6供给，并随还原剂喷入SNCR反应区7和反应区后部8，在反应区后部8位置由于温度较低，常规SNCR反应不能充分进行。添加剂的氧化过程使反应气氛中OH等活性基元增加，提高SNCR反应的速率，使SNCR反应在狭窄的温度区间和较短的停留时间内更充分的进行。通过常规装置控制添加剂的注入量，在SNCR反应区7内喷入较少的添加剂，而在反应区后部8内喷入相对较多的添加剂，使适宜SNCR反应的温度区间向低温方向偏移，促进氨基还原剂在600℃-1000℃较低温度下依然有效的还原烟气中的NOx，即使在二级过热器后部的温度条件下仍可有效脱除NOx，从而提高SNCR反应过程的脱硝效率，降低氨泄漏。加入天然气对SNCR反应脱硝过程的促进作用见图4。同时加入的天然气添加剂，在高温和氧化性的烟气气氛中被氧化为CO2，不产生明显的二次污染。
本实施实例可保证使常规SNCR过程的脱硝效率提高10％-30％，氨泄漏降低到5-15ppm。
实施例3
一种加入合成气添加剂促进SNCR脱硝过程的工艺，包括SNCR还原剂供应装置4和还原剂喷嘴5，合成气添加剂供应装置6和添加剂喷嘴9。
如图5所示，燃料在炉膛内部3燃烧，生成含有NOx的烟气，烟气在折焰角10位置温度下降至约1000℃，达到适宜SNCR反应的温度位置，之后烟气流动进入反应区后部8，温度迅速降低，在二级过热器后部降至不到900℃，脱离最佳的SNCR反应温度区间。在折焰角10位置布置还原剂喷嘴5，还原剂由还原剂供应装置4供给并通过还原剂喷嘴5喷入SNCR反应区7，SNCR还原剂的喷入量以NH3与NO的摩尔比进行表示，优选的值为0.8-2.0。喷入的还原剂在SNCR反应区7内与烟气中NOx发生常规SNCR反应，未完全反应的还原剂随烟气流动进入反应区后部8，温度降低不再适宜常规SNCR反应，在屏区合适位置由添加剂供应装置6供给并通过添加剂喷嘴9喷入适量添加剂，热解气添加剂喷入量以合成气中碳氢化合物含量与NO的摩尔比表示，两者的比值为大于0小于3.0。，添加剂的氧化过程使反应气氛中OH等活性基元增加，提高SNCR反应的速率，并使适宜SNCR反应的温度区间向低温方向偏移，促进氨基还原剂在600℃-1000℃的较低温度下依然有效的还原烟气中的NOx，拓宽适宜SNCR反应的温度区间，从而提高SNCR反应过程的脱硝效率，降低氨泄漏。同时加入的合成气添加剂，在高温和氧化性的烟气气氛中被氧化为CO2，不产生明显的二次污染。
本实施实例可保证使常规SNCR过程的脱硝效率提高10％-30％，氨泄漏降低到5-15ppm。
Claims (1)
1.一种促进选择性非催化还原氮氧化物的方法，其特征在于，该方法是在选择性非催化还原反应区或反应区后部喷入微量超细煤粉做为添加剂，利用添加剂促进选择性非催化还原氮氧化物；喷入添加剂时的反应温度为600℃-1000℃，选择性非催化还原剂的喷入量以还原剂中的NH3与烟气中的NO的摩尔比表示，NH3与NO的比值为0.8～3.0；超细煤粉添加剂的加入量以煤粉质量与烟气中NO的物质的量之比进行表示，两者的比值为大于0小于150g/mol。
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