NOx排放浓度（精选7篇）
NOx排放浓度 篇1
摘要：为了准确预测燃煤电厂NOx排放量, 笔者利用BP神经网络对NOx排放浓度建立了预测模型, 对某电厂660 MW机组实时的不同机组负荷、脱销进口烟温、进口NOx浓度、进口O2浓度、出口NOx浓度的样本进行训练, 得出训练模型。实践证明, 通过训练后的BP神经网络模型对未知的NOx排放浓度进行预测, 预测精度达到93.48%以上, 完全满足实际中的预测需求。
关键词：BP神经网络,燃煤电厂,预测,NOx浓度
目前, 对燃煤电厂NOx排放量进行精确预测直接关系到电厂NOx排放量监管和国家相关政策的制定。国内外专家学者对燃煤电厂NOx排放浓度预测进行了大量研究[1,2,3,4,5], 但缺少准确快速的预测方法。因此, 本文利用BP神经网络在预测上判断能力强、预测能力强、运算速度快等优势, 构建了预测模型。经在某电厂660 MW机组运用, 验证了该预测模型预测精度和速度大大的强于传统的预测方法。
1 BP神经网络模型的建立
在人工神经网络中, BP神经网络占有非常重要的地位, 其本身具有丰富的理论基础和学习能力, 从本质上看其是采用负梯度下降算法, 目标函数采用网络函数的平方和;有较强的纠错能力, 其减小误差的方法是通过反方向传播, 并以网络的方式输出误差, 然后利用调整网络的权值连接和修正梯度下降法, 这样便可以使误差修正到最小值[6]。整个过程从两个方面展开, 一方面是正向的计算, 另一方面是反方向的传播, BP神经网络模型的建立分为如下7步:
1) 对待测数据进行初始化。利用MATLAB软件中自带的函数初始化命令对待测数据进行初始化, 这些初始化的数据包括输入向量、隐含向量相互之间的连接权值、隐含向量与输出向量相互之间的隐含神经元阈值和输出神经元阈值。
2) 对测试样本进行训练。对待测试的训练样本包括两个部分, 定义其中一部分的输入训练样本集为p=[p1, p2, …, pn]T, 所对应的另一部分输出训练样本集为t=[t1, t2, …, tn]T。
3) 计算隐层节点和输出层节点的阈值。
隐层节点的阈值函数为
输出层节点的阈值函数为
式中:k为待训练样本的第k个样本;θs为输出层的阈值;θh为隐层的阈值;f和g是采用MATLAB中自带函数sigmoid中的转移函数[7]。
sigmoid函数的数学表达式为
式中α为常数。
4) 计算网络函数的误差。误差的计算对于输入样本的准确性非常重要, 它能够有效地判断所要训练的样本和期望输出的样本差距的大小, 尽量把误差控制在最小。其中误差计算函数为
式中:Es为误差;Osk为输出层节点的阈值函数;Tsk为训练的样本的阈值函数。
5) 对训练样本是否结束进行判断。有两种情况BP神经网络的训练会结束:一种情况是当BP网络程序中的设定值大于当前运算的最大误差;另一种情况是训练的次数超过了训练程序中的最大训练次数。其它情况下则训练将会继续下去。
6) 对BP网络训练过程中输出层和隐含层的误差进行修正。输出层修正误差计算公式为
式中:osk为输出层节点的阈值函数;tsk为训练的样本的阈值函数。
隐含层修正误差为
式中:dsk为输出层修正误差;yhk为隐层节点的阈值函数。
7) 权值和阈值的调整方式。权值和阈值是按照函数最快的下降方向和梯度的负方向进行运算处理。权值通过输出层进行调整, 进而对隐含层的权值进行修正。
8) 重新回到3) 步及下面的训练, 直到达到训练结束条件为止, 即训练次数达到程序中规定的次数和BP网络训练误差不超过程序中规定的误差。
2 预测模型在燃煤电厂中预测NOx排放量的运用
选取某660 MW实时的15个学习样本, 具体的数据如表1所示。
在表1中, 输入因子为机组负荷、脱销进口温度、进口NOx浓度、进口O2浓度4个影响输出因子NOx排放浓度的学习样本, 利用BP神经网络对表1中的输入因子和输出因子进行训练。在对这些数据进行训练之前, 要对表1中的15组数据进行归一化数据整理。
在表1中输入的向量有4个输入因子, 这4个输入因子对应BP神经网络的4个神经元, 除去首尾两个神经元, 中间层有13个神经元, BP神经网络中的输出向量为出口NOx浓度, 数量为1。此处建立的BP神经网络为4×13×1的结构。
对表1某电厂660MW机组实时数据进行训练, 然后将训练后的神经网络数据作为处理分析的数据。训练次数为1000次, 训练目标为0.001, 其它BP网络中的参数为默认的数据。
利用MATLAB软件对BP神经网络训练的结果, 如图1所示。
训练结果为Y=siin (net, P_test) ;
从图1中可以看出, 整个训练过程为156次, 神经网络的误差大小符合实际工况的要求。训练后的神经网络, 可以对一组没有计算过出口NOx浓度的数据进行预测。在用于实际工况预测之前, 利用这组实际数据来检测BP神经网络对NOx排放浓度的预测精度, 测试的数据是某燃煤电厂660 MW实际运行工况下的数据, 如表2所示。
测试代码如下:
测试结果数据如下:
对测试所输出的结果进行归一化, 然后再将输出结果经过反归一化处理得到燃煤电厂NOx排放浓度的最终预测结果, 这个结果与表2中的NOx实际排放浓度相比较, 可以得出BP神经网络的预测精度, 如表3所示。
根据表3中的数据, 用MATLAB对预测精度绘制曲线, 如图2所示。
从图2可以看出, BP神经网络预测精度已经达到93.48%以上, 能够满足现场对燃煤机组NOx排放量的预测。
3 结论
1) 建立的NOx预测模型能够准确地预测某一台机组, 甚至某个电厂的NOx排放量, 有利于环保工作的制定和实施。
2) 根据某燃煤电厂660 MW机组实时数据的分析, 选取机组负荷、脱销进口烟温、进口NOx浓度、进口O2浓度作为输入因子, 出口NOx浓度作为输出因子, 建立了相应的BP神经网络预测模型, 其预测精度达到93.48%以上, 证明了其在实际工况下预测NOx排放浓度的可行性。
参考文献
[1]吴也正, 顾钧.NOx预测排放监测系统的可行性分析[J].污染防治技术, 2013 (2) :26-28.WU Yezheng, GU Jun.A feasibility analysis on the approach of PEMS to predict NOxemission concentration[J].Pollution Control Technology, 2013 (2) :26-28.
[2]LONG JIANGQI, LAN FENGCHONG.Mechanical Properties Prediction of the Mechanical Clinching Joints Based on Genetic Algorithm and BP Neural Network[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009 (1) :22 25.
[3]梁怀涛.火电行业氮氧化物排放量预测研究[D].北京:华北电力大学, 2012:25-26.LIANG Huaitao.Research on the prediction of NOxemission from thermal power plant[D].Beijing:NCEPU, 2012:25-26.
[4]刘天舒.BP神经网络的改进研究及应用[D].哈尔滨:东北农业大学, 2011:11-12.LIU Tianshu.Research and application of improved BP neural network[D].Harbin:Northeast Agricultural University, 2011:1112.
[5]师洪涛, 杨静玲.基于小波-BP神经网络的短期风电功率预测方法[J].电力系统自动化, 2011 (7) :44-48.SHI Hongtao, YANG Jingling.Prediction method of short-term wind power based on-BP neural network[J].Automation of Electric Power System, 2011 (7) :44-48.
[6]胡蓉.增量机器学习算法研究[D].南京:南京理工大学, 2013:75-76.HU Rong.Research on algorithm of incremental machine learning[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology, 2013:75-76.
[7]徐军.递归神经网络稳定性分析[D].杭州:浙江大学, 2007:66-67.XU Jun.Stability analysis of recurrent neural network[D].Hangzhou:Zhejiang University, 2007:66-67.
减少NOx排放的技术进展 篇2
1 减少NOx的关键点
预分解窑分解炉内燃料燃烧过程中, 在800℃~1000℃的燃烧温度范围内, 在活性高的碳氢化合物 (HC) 和氮水化合物 (NH3) 等的作用下, 燃料燃烧所产生的NOx量将减少。此外, 在一氧化碳 (CO) 、氢气和起催化作用的生料粉作用下, 生成的NOx将被破坏。
分解炉内燃料燃烧过程中, 下述两个重要措施可减少NOx排放。首先, 炉内浓度高的生料粉和呈还原气氛的窑气混合, 当燃料喷入混合后在还原气氛烟气内燃烧时, 将减少NOx的生成。其次, 未燃烧的燃料, 在炉内空气量少的工况下, 燃料不完全燃烧直至燃尽, 所产生的NOx数量较低。
1972年, 日本出现KSV分解炉。随着NOx的减排要求, 1976年出现了De NOx KSV系统。分解炉由装有喷嘴的料床、旋涡室、辅助喷嘴料床和周边安装多个喷嘴的混合室组成。
燃料在高浓度的生料粉内燃烧, 有利于减少NOx的生成。在燃料氮1%的工况下, 窑气生成的NOx将减少70% (图3) 。
De NOx KSV (TSC) 系统烟气出口NOx排放为250ppm (10%O2) 。此数据已能满足世界各国对水泥生产NOx的排放限令。该项技术还可进一步发展, 以满足更为严格的排放值的需求。
2 De NOx KSV (TSC型) 的技术进展
为满足日益严格的NOx排放限值, 公司在De NOx KSV基础上, 开发出De NOx KSV (TSC型) (图1) 和SN-CR结合系统。燃料燃烧和脱氮过程见图2, NOx排放量有较大幅度下降 (图3) 。
为改善脱硝效果, 开发的TSC型为两级燃烧, 所产生的NOx排放较De NOx KSV型低约20%~25%。
3 SNCR结合系统的发展
从上世纪70年代以来, 公司在锅炉、汽轮机、燃气发动机和焚烧炉上大量使用选择性催化还原系统SCR) , 从90年代起在焚烧炉上取得选择性无催化还原系统 (SNCR) 的经验。上述经验已移植到水泥预分解窑上。
为进一步优化SNCR技术, 又开发了减少氨水和尿素溶液喷量的多喷嘴技术, 以达到较高的NOx减排量。
预分解窑减少NOx排放的措施 篇3
1 Vidal Ramos水泥生产线简介
巴西Vidal Ramos水泥厂3 000t/d预分解窑生产线于2011年投产, 主要装备有带ILC分解炉的5级预热器系统, 285t/h, ATOX42.5辊式生料磨、OK-4水泥磨和一台IKN篦冷机。生产普通水泥、火山灰和抗硫酸盐水泥。为满足有关部门NOx排放650mg/m3限制值的需求, 安装了SNCR装置。
主要燃料为石油焦, 同时混以切割轮胎碎片和工业废物。SNCR装备使用40%的尿素作还原剂。
工厂试图用最少的还原剂消耗, 达到最低的NOx排放值, 对工艺装备进行了优化。
2 NOx减排的工艺装备措施
生产线操作稳定后, SNCR装备投入应用, 向烟气内喷尿素, 由于喷射部位烟气温度偏低, NOx减排效率稍差。为提高烟气温度, 对4级预热器下料管内料粉分料, 仍未达到炉内烟气所需温度, 后将尿素喷射位置改至温度较高的分解炉三次风管入口下部位置。同时对窑尾烟室的不同氧含量、4级分料改为3级分料从而改变窑内烧成带长度及适当降低窑内烟气温度、入窑燃料品种等对NOx排放值的影响均进行了试验。
2.1分料对NOx减排效率的影响
4级预热器下料管的热料, 通过分料进入烟室上下两部位, 有利于提高分解炉内温度, 对NOx排放值产生影响。图1和表2所示为分料板开度丫丫丫与预热器后、管道内的NOx排放值及NOx的减排%数之间的关系。当分料板开启的百分数增加, 则NOx减排百分数增大, 当分料板开启至80%以上, 虽然NOx减排百分数增大至39.3%, 但上升烟道出现结皮阻塞。当开启至100%时, 窑操作十分困难, 而分料板为75%, 管道内NOx排放值下降26%, 烟室虽有结皮, 但可控制。因而决定采用此值。
2.2尿素喷嘴的定位
通过4级预热器下部管道分料丫丫丫丫阀板开启的百分数变化, 以调节料粉分流的数量, 改善NOx减排效率是不够的。为此对分解炉内温度进行CFD模拟计算, 找出分解炉内不同高度及同一高度截面的温度分布 (图2) 。发现尿素喷嘴设置在三次风管入分解炉上侧, 喷射的烟气温度在830~890℃, 温度偏低。为提高尿素分解NOx的效率, 将喷嘴位置改至三次风管进口部位下部的分解炉, 烟气温度提至850~950℃, NOx效率较大幅度提高 (图3) 。
3生产操作调节
3.1窑尾氧含量的影响
当温度超过, 烟气中的N2生成热NOx, 其生成速率与温度和氧含量有关。预分解窑内烧成带热负荷、温度均高, 且氧含量高, 是NOx生成的主要部位, 但该部位上述参数难于测定, 在试验期间, 对窑尾烟气的氧含量进行了测定, 发现该部位氧含量高, 所产生的NOx值高 (图4) 。3.2
3.2窑热负荷和三级预热器料粉分料
3级预热器内预热的料粉, 通常是进入4级预热器再次预热后入分解炉。为降低NOx排放值, 进行了部分3级预热器料粉通过分料进入分解炉的试验, 分料板开度40%, 入分解炉的料粉温度稍低, 经分解炉加热分解通过管道进入窑尾的温度和分解率也稍低。此时窑内分解带长度延长以完成物料的分解, 烧成带相应缩短, 由于窑内燃烧器喷入的燃料数量未变, 窑内烟气温度相应降低。其结果是窑内产生的热NOx值从<1400mg/m3下降至~800mg/m3, 但熟料中的f Ca O却大幅上升, 从1.2~1.3g/L上升至>2g/L, 尿素喷射剂量下降, 但f Ca O值过高, 所生产的熟料强度和安定性均受影响, 难以正常生产 (图5) 。
3.3提升尿素喷射部位的烟气温度
影响氨水和尿素对x减排效率的关键因素是温度, 在900~1 000℃温度时效率最高。上述试验证实, 当窑内热负荷降低, 则NOx排放值相应减少。若能适当增加分解炉燃料, 相应提高分解炉温度, 必将提高NOx排放率。图6所示适当增加分解炉热负荷后的尿素喷射点部位的温度, 该温度有利于提高NOx减排效率。
4代用燃料和NOx排放
2013年7月, 工厂使用切割轮胎的数量为2t/h, 工业代用燃料5t/h, 热代用率为27%。在没有喷射尿素的情况下, 和煅烧石油焦相比, NOx排放值下降约30%。当工业代用燃料从4t/h增加至8t/h, 尿素喷射量正常情况下, 管道内NOx排放值从770mg/m3下降至640mg/m3。
结语
预分解窑熟料煅烧过程中, 工艺参数对NOx排放值影响较多, 由于工艺参数受原燃料性能及系统装备等多种影响, 因而生产中必须在保证熟料产质量、热耗、电耗及运转率的前提下, 对工艺参数作出调整, 以利于降低NOx的排放值。
船用柴油机NOx排放控制技术 篇4
柴油机自问世以来以其良好的动力性、经济性和可靠性在船舶领域得到了广泛的应用。据有关的资料统计, 在一般大中型民用船舶中, 有90%以上使用柴油机作为主推进装置, 同时也作为船舶发电的原动机。但由于船用柴油机强化程度高, 循环燃烧时间长, 排气中主要的有害排放物是NOX, 且对生态环境影响最大。其中NO约占95%, NO2只占其中很少的一部分。NO无色无味、毒性不大, 但排入大气后会很快被氧化为NO2。NO2是一种有刺激性气味、毒性很强 (毒性大约是NO的5倍) 的红棕色气体, 会对人的呼吸道及肺造成损害, 严重时会导致生命危险。NOX和HC在太阳光作用下会生成光化学烟雾, NOX还会增加周围臭氧的浓度, 破坏植物的生长。因此世界上几大柴油机制造厂如MAN B&W、Wartsila—New Sulzer、MTU和日本三菱公司等都采取了相应的措施来减少NOX排放。下面介绍几种比较有效的控制柴油机NOX排放的技术。
2 船用柴油机的排放法规
由于船用柴油机对环境污染的日益严重和人们对环境状况的日益关注, 国际海事组织海洋环境保护委员会 (Marine Environment Protection Committee, MEPC) 在1997年通过了《MARPOL73/78公约》的附则VI《防止船舶造成大气污染规则》, 对船舶主机排放提出了严格的限制。该规则适用于每一台安装在2001年1月1日或以后建造的船舶、输出功率大于130kW的柴油机。该法规于2005年5月19日正式生效, 截止2008年10月10日, 已经有53个国家批准了该法规。
MEPC又于2008年10月10日正式通过了附则VI的修正案, 修正案包括三个级别的IMO船用柴油机排放法规体系, 正在执行的附则VI内容被作为TierⅠ (2005年5月开始实施) 标准纳入其中, 并增加了更加严格的TierⅡ (2011年全球实施) 和TierⅢ (2016年排放控制区实施) 。IMO排放法规对NOx排放的限制如图1所示。在柴油机标定转速n<130r/min或n≥2000r/min时, NOx排放是定值;而当转速在两者之间时, NOx排放是标定转速的函数。
可以预见, 随着排放法规的实施以及排放法规的逐步严格, 将对柴油机的研制开发、制造及使用产生巨大的影响, 甚至在某种程度上引导着柴油机的发展方向。
3 控制NOX排放的技术
目前比较适用于降低船用柴油机NOX排放技术有三种:基于微调控制燃烧过程降低NOX排放技术、掺水技术和SCR技术。
3.1 控制燃烧方法
柴油机缸内燃烧过程直接决定NOX的生成量, 因此控制燃烧方法是控制NOX的基本方法。目前主要是通过采用新型燃烧室、推迟喷射、提高喷油压力和采用共轨技术等。
采用新型燃烧室。根据NOX的生成机理可知, 欲降低NOX排放, 最简单可行的方法是降低最高燃烧温度。如MAN B&W公司在其MC、MC—C系列柴油机中采用一种称为Oros的新型燃烧室结构, 其活塞顶部呈中间凸起的浅ω形, 代替原先的浅盆形, 可使活塞顶部的外壁温度下降80~90℃、燃烧阶段的平均热流量减少20%以上、局部最大热负荷降低25%~35%, 可在保持原机油耗率水平下降低NOX排放量。
推迟喷油并适当提高喷油压力。推迟喷油将降低燃烧时的最高温度, 同时又缩短了氮、氧在高温下的停留时间, 从而抑制了NO生成。Wartsila现所有中速机都已采用延迟喷油燃烧配合高压缩比及提高喷油压力, 来达到在不增加油耗率的前提下降低NOX的目的。但同时将增加排气中的黑烟以及HC, 而且经济性、动力性亦会降低。
电控共轨喷射系统是国外九十年代中期开始推向市场的一种新型柴油机电控喷射系统。其主要特点是:可实现高压喷射和引导喷射。根据工况变化对喷油定时、喷油规律和循环供油量进行最优化控制, 以获得所要求的燃烧规律, 既保证发动机性能又抑制NOx和颗粒的生成。
采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 但降低了NOX排放指标, 往往却又生成新的污染物, 或伴随着油耗的增加。另外这些技术几乎已经接近其功效的极限, 无法满足特殊海域的排放要求。
3.2 掺水技术
众所周知, 柴油机中NOx生成量取决于燃烧室中的燃烧温度, 而水对于降低燃烧过程的最高温度以减少NOx生成具有正面的影响作用。因此人们对各种掺水方法进行了试验研究, 最为广知的掺水方法有下述四种:
第一种是油水乳化技术 (FEW, Fuel Water Emulsion) 。它是水溶入油的乳化油, 在喷油之前将燃油和水进行乳化, 再喷入气缸, 可以降低NOx20%~30%。主要优点:设计上无需特别改变;对燃烧的稳定性无影响, 即使水量达30%, 对燃油消耗率也没有影响;有利于排烟;水消耗率低 (10%的水可使NOx减少10%) ;投资费用低。所存在的乳化油稳定性以及不用乳化油时柴油机性能变差、供油系统腐蚀等问题已得到了解决。MAN B&W公司主张采用这种油掺水的方法, 在中速船用柴油机12V48/60上采用FEW技术, 其乳化油含水体积比为20%, 并结合喷油延迟, 使该机型80%负荷以下的NOX排放下降54%。缺点是为保持发动机的功率输出量, 这种方法尚须使用超大尺寸的喷油装置。
第二种方法是直接喷水技术 (DWI, Direct Water Injection) , 它是通过一个独立的水喷嘴直接将水喷入气缸, 通过水份在燃烧过程吸收热量来冷却燃烧室, 降低燃烧的峰值温度, 从而降低NOx的生成。这种装置是在同一个喷油器上分别装有喷油和喷水的喷嘴, 喷水压力为20~40MPa, 喷油压力为120~200MPa。喷水定时、喷水量及持续时间由电控单元控制, 喷水时间在上止点前45°CA至上止点前10°CA左右, 接下来喷油至上止点后20°CA左右, 喷油量与喷水量之比为0.4~0.7, 可达到近似等压燃烧, 不影响柴油机功率输出。在烧重油 (HFO) 时, NOx为4~6g/ (kW.h) , 比IMO的限值低得多。主要优点:喷水系统与喷油系统安全独立, 可使发动机的运行不受喷水系统断水的影响, 喷油系统与标准机型上所用的相似;对空间要求很低, 投资费、使用费低, 投资费一般为US$20~25/kW, 使用、维修费通常为燃油费用的4%~5%。南京金陵船厂为芬兰FORTUM公司建造的25000t化学品船采用Wartsila公司的直接喷水降低NOx的9L46中速柴油机, 结果NOx排放降低50%~60%。
第三种方法是向进气管中喷水
如图2所示, 水正好在进气管的进气阀前喷射, 喷射水来自支管提供给燃油阀的冷却水, 喷水量是通过改变水喷嘴孔的数量来控制的。它可以降低NOx10%~30%。这种方法最为简单, 并可代替一部分中冷器的作用。但会有引起进气管中冷凝 (水浓度高时压缩空气瓶中的水会出现冷凝) 和进气门侵蚀的危险, 因此实际使用还存在一些问题。
第四种方法是采用HAM (humid air motor) 技术。它是德国Munters Euroform公司开发的一种改进型进气加湿系统。HAM系统是由加湿器、循环泵、增加水温的热交换器、泄放系统、水箱和过滤器等组成。其工作原理是用水蒸汽加湿进气管中的进气, 这种湿空气进入气缸燃烧, 使燃烧最高温度降低, 从而降低NOX的产生。图3是HAM系统原理图。从压气机中出来的热压空气进入被称之为“加湿器”的装置中, 通过用发动机废热加热的水不断地冲刷的热交换器表面, 使水吸热汽化。由于过热空气的放热作用, 使空气的相态发生变化, 即从过热空气变化至饱和空气, 同时使混合气温度降低。在加湿器中, 经过3级加湿, 压气机出口的约160℃的空气经加湿后的相对湿度达到98%, 温度降低到65~70℃。为确保蒸发过程良好, 在整个蒸发过程只有5%~10%的水被蒸发。HAM系统具有以下优点:
(1) 能有效的减少NOX达70%~80%。在低负荷时, 效果更好 (在50%负荷时可达80%) , 同时不会引起二次污染。如瑞典Munters Euroform公司在一台6000kW的12PC2-6V型船用中速柴油机中采用HAM技术, 使NOX的排放量降低了74%。
(2) 投资费用低。由于可以使用海水, 泵、滤器等的维护管理费用低。同时循环水的加热可使用柴油机冷却水加热或废气锅炉加热, 若没有加热, 在正常情况下也可有效减少NOX45%~65%。
(3) 操作简便。HAM系统与柴油机同时启动;停机前15min, 在柴油机怠速情况下, 关闭循环水, 以保证系统中干空气运行。
(4) 使柴油机运行优化。由于过热水蒸汽的作用, 使排气温度、气阀温度降低, 热应力也相应降低, 碳烟减少, 滑油消耗减少, 而燃油消耗率无明显影响。
(5) 系统可靠稳定。由于系统本身自控制功能, 与所工作的柴油机无关, 因此即使水循环系统中供水中断, 柴油机的工作参数也不会发生变化, 即系统的稳定性好, 对负荷的响应性好。
因此, HAM技术是柴油机减少NOX排放的经济、环保和高效的方法。
3.3 SCR (Selective Catalytic Reduction) 技术
目前降低柴油机排气中的NOX的排气后处理方法有SNCR (Selective Non Catalytic Reduction, 选择性非催化还原) , SCR (Selective Catalytic Reduction, 选择性催化还原) , NSCR (Non Selective Catalytic Reduction, 非选择性催化还原) , NSR (存储式NOX催化转换装置) 和SNR (选择性NOX回导装置) 等。其中最成熟、最有效、应用最广泛的公认为SCR技术。
SCR (图4) 技术是利用还原剂氨和尿素有选择地对NOX发生反应, 将有害的NOX转化为无害的氮气和水蒸气, 从而达到降低NOX的目的。其基本反应式为:
使用SCR实现NOx的快速、高效还原主要取决于如下几个要素:
催化剂:催化剂由蜂窝状催化剂载体和触发成份 (活性部分) 构成。目前使用的载体结构材料一般采用钛基氧化物 (如TiO2) 。触发成分即催化剂层大都采用金属氧化物, 有V2O5、WO3和MOO3等, 其中以V2O5最好。
还原剂:可以在氧元素存在情况下有选择地还原NOx的唯有氨类物质, 包括氨气 (纯氨) 、尿素、氰尿酸、密胺等。由于尿素比液氨或氨水更便于运输和存储, 安全性也好, 因此船用柴油机一般采用尿素作为还原剂。在反应器前把按一定比例配制的尿素溶液喷入排气, 产生的NH3经过反应器在催化剂作用下快速对NOx进行反应, 使之还原。现在, 无毒且易操作的碳氢类化合物 (烃) 也可用于有选择的NOx还原反应。
反应温度:虽然SCR中的还原反应是在催化剂的触发作用下进行, 但仍然对工作温度 (主要是排气温度) 有一定要求。在较低工作温度区, NH3和SO3容易生成硫酸胺吸附在催化剂载体表面, 会造成催化剂中毒而使性能下降;温度过高, 超过500℃时, NH3又会被排气中的O2氧化, 反而使NOX排放增加。因此, 要求的工作温度范围通常在320℃~480℃之间。
使用SCR装置, 即在排气最后安装催化转换装置, 使NOX的排放量大幅度降低, 可降低85%~95%, 达到NOX为2g/ (kW.h) 或更低水平 (0.5g/ (kW.h) ) 。Kjemtrup报告MAN B&W公司的船用柴油机安装SCR后NOx排放法平均降低93%。同时, 这种装置不会造成油耗和排气黑烟增加;不存在最终排放物的清除问题, 还具有消声降噪效果。
SCR系统是一项高投资的技术, 其原来投资费是船价的5%~8%, 是发动机的50%。但近几年由于很多公司对SCR系统进行了大量的研究, 并取得了显著成果, 使其投资费用大大降低。例如, 一台2.0MW的柴油机安装目前市场上的SCR系统如RJ-MARIS系统的技术费用是14000~16000美元, 这种系统至少可以降低90%NOX, 假如每年运转4000h, 其费用将低于0.025美元/ (kW.h) (或费用低于750美元/t) 。换言之, 这项费用对整台机器而言是很小的。
SCR装置只用于排放规范特别严格的地方, 如某些电站、沿海特别区域、美国加州 (EPA规定根据NOX排放值付费) 、波罗的海渡船等。
从1999年11月以来, 已有许多MC、MC-C和RTA型低速柴油机开始安装SCR或SCR与消声器结合的装置, 都取得了良好的效果。
4 结语
(1) 采用控制燃烧方法降低NOX排放, 这些措施可使NOX减少10%~30%, 可满足IMO排放法规TierⅠ及TierⅡ的要求。但无法满足特殊海域的排放要求。
(2) 使用掺水技术可大幅度降低NOx排放, 使用乳化油可使NOx排放减少50%, 通过进气增湿可使其降低70%, 但达不到特别海区等所规定的2g/ (kW.h) 排放限值。
(3) 在控制NOx排放技术中, 最成熟、最有效的公认为SCR, 使用后可将NOx排放量从15g/ (kW.h) 降到2g/ (kW.h) 。因此它在船舶NOx排放中逐步得到了推广应用。
(4) 为了满足IMO排放法规TierⅢ的排放要求, 采用共轨技术、电子喷射并与SCR技术相结合将是未来控制NOx排放的发展趋势。
摘要：本文简要介绍了船用柴油机的排放法规和现阶段国内外船用柴油机降低NOx排放的最新技术及其应用情况, 并对满足未来超低排放法规的船用柴油机NOx排放控制技术进行了展望。
关键词：船用柴油机,NOx排放,HAM,SCR
参考文献
[1]周玉明.内燃机废气排放及控制技术[M].人民交通出版社, 2001.
[2]船用柴油机排放译文集[M].上海船用柴油机研究所, 1998.
[3]顾宏中.大功率柴油机的发展与展望[J].柴油机, 2002, 1.
[4]艾舒宁摘择.直接喷水的降低NOx排放技术[J].柴油机, 2001, 5.
[5]郭修炎.船舶排污及控制措施[J].国际船艇, 2000, 1.
[6]冷先银, 隆武强.现代船用柴油机NOx排放的机内净化技术[J].柴油机, 2009, 2.
[7]张余庆, 崔文彬.船舶柴油机NOx排放控制技术现状与展望[J].航海技术, 2006, 1.
[8]柏建勇, 孟德胜.直接喷水降低NOx排放技术在船用发动机上的应用[J].柴油机, 2005, 1.
[9]刘玉柯.船舶柴油机NOx排放控制措施[J].世界海运, 2007, 3.
[10]丁洪详、魏海波.船舶柴油机SCR技术经济性分析[J].世界海运, 2007, 5.
限制NOx和SO2排放的措施 篇5
(1) 保持现有工艺不流程, 减少排放物输入 (早期措施) 。
(2) 改造现有局部或整体工艺流程 (一次措施) 。
(3) 维持现有工艺流程, 增设废气处理装置 (二次措施) 。
以NOx而言, 一次措施如还原煅烧, 二次措施如SN-CR, 目前均已广泛应用, 而人们 (往往) 忽视保持现有工艺流程, 减少排放物输入 (早期措施) 。
预分解窑NOx生成有两种, 在窑内高温煅烧时, N2和O2反应生成NO、NO2, 统称NOx, 此外在1000~1200℃的分解炉内, 含氮燃料氧化, 生成NOx。
实验数据表明, 燃烧温度越高产生的NOx越多, 但回转窑烧成带内温度高, 很难通过仪器对温度及所产生的NOx进行测试。1996年在“混凝土为人类服务”的会议上, Dhir博士提出水泥熟料煅烧从1450℃降至1350℃, NOx排放减少50%的报告, 一些生产厂家也在实践中证实了此观点。
酸熟料煅烧SR) 、铝氧温度与生料率 (AF) 有易烧性、石关, 也与二灰石饱和氧化硅的系数、硅率 (物理性能有关。通常硅酸率越高, 煅烧温度越高, 生成的NOx也越高。此外合适的铝氧率, 也有利于窑料熔体的粘度, 有利于降低熟料煅烧温度。
控制熟料率值, 有利于降低熟料煅烧温度, 相应减少NOx排放量, 节省一次或二次措施的排放费用。
对于SO2, 预分解窑燃料硫通过控制烟气成分, 将SO2转成SO3最终形成硫酸盐而固定在熟料内。原料中的硫在低温下形成, 经预热器排出, 通常预热器内生料能吸收约10%~50%排出的SO2。
NOx排放浓度 篇6
广东珠海金湾发电公司3号机和4号机是600MW超临界燃煤机组, 锅炉为螺旋管圈直流炉, 单炉膛、四角切圆燃烧, 采用低NOx同轴燃烧系统 (LNCFS-III型) 。配6层制粉系统及7层燃尽风 (5层SOFA (分离燃尽风) +2层CCOFA (紧凑燃尽风) ) 。脱硝装置为高灰型选择性催化还原烟气脱硝 (SCR) 工艺, 催化剂层数按2+1模式布置, 初装2层预留1层, 结构为平板式。
1 锅炉NOx排放现状
脱硝系统投入运行时, SCR最低连续喷氨温度为314℃, 当机组负荷低于450MW时, SCR被迫停止喷氨。而目前机组调峰频繁, 负荷经常低至300MW, 有时低至250MW。导致平均脱硝率低, 仅不到40%, 月平均排放浓度超标。此外, SCR入口NOx经常超过300mg/Nm3甚至500mg/Nm3, 当脱硝不投入喷氨时, 锅炉NOx排放小时平均值超标 (表1) 。因此, 如何降低NOx最高排放浓度及提高脱硝系统投入率成为紧迫任务。
2 降低SCR连续喷氨温度运行
从国内多个 电厂经验看, 盲目降低S C R喷氨温度 至ABS (硫酸氢氨析出温度) 以下 (即290℃以下) 会迅速造成空预器严重堵塞, 且影响催化剂寿命。根据厂家提供的信息, SCR正常最好在MOT (最低连续运行温度) 之上运行, 最低喷氨温度不能低于MIT (最低可喷氨温度) 。MIT方式运行时, 需要定期提高负荷以恢复催化剂活性, 否则催化剂活性仍会下降。同时, 禁止在ABS温度以下运行, 否则会导致催化剂活性无法恢复并导致空预器严重堵塞。ABS是硫酸氢氨的特性, 与催化剂无关, 因此无论什么催化剂, 失活的温度是相同的。
结合以上两点, 本公司SCR降温运行以厂家提供的MIT为基础, 对SCR喷氨温度控制曲线进行修改, 表2所示为修改后的定值。该值是一个变值, SCR连续喷氨运行温度根据烟气中SO2与NOx的浓度不同在293~312℃之间变化。同时为确保催化剂活性及空预器运行安全, 对脱硝喷氨量进行控制, 如表3所示。
通过控制燃煤硫分, 可以减少硫酸氢铵生成, 从而提高可喷氨温度。降低喷氨温度运行后, SCR投入负荷由450MW降低至380MW, 提高了脱硝投入率。运行接近一年, SCR催化剂及空预器没有发生堵塞迹象, SCR在MIT之上运行是可行的。
3 通过燃烧调整降低NOx
3.1 锅炉燃烧调整可行性
3.1.1 氧量调整
锅炉原掺烧煤种多为低熔点煤, 存在结渣和再热器减温水大的问题, 故主燃烧器区域氧量原设置较高。目前所燃煤种多数灰熔点高于设计及校核煤种。锅炉受热面较为干净, 炉底无大渣排出, 排烟温度较高, 炉膛氧量有降低空间。
3.1.2 风门开度调整
锅炉水冷壁 表面温度一 般在5 0%以上负荷时均 高于350℃, 燃煤硫含量一般小于1.0%, 且主燃烧区域的辅助偏转风和主燃烧器有一定夹角, 形成风包粉的燃烧模式, 水冷壁贴壁为富氧燃烧, 燃烧区域为缺氧燃烧, 这样既抑制NOx的生成又防止水冷壁高温腐蚀, 故水冷壁发生高温腐蚀可能性小。为控制再热器减温水量, SOFA风上两层 (IV、V) 开度较小, 而目前锅炉结渣少, 不存在再热器超温, 故SOFA风具有调整空间。
3.2 NOx生成及调整原理
煤粉在燃烧过程中生成的NOx有3种形成机理:热力型、瞬间型和燃料型, 主要来自于燃料型NOx。
在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA喷咀, 将炉膛分成3个相对独立的部分实现空气分级:主燃烧区、NOx还原区和尽区。通过调整总OFA风量、CCOFA和SOFA分配以及总过量空气系数, 从而调整每个区域的过量空气系数, 达到降低NOx排放作用。同时寻找出氧量、SOFA风、煤种、煤层等与NOx的关系。
3.3 省煤器出口氧量和NOx排放关系
通过降低氧量来降低NOx浓度的效果 (表4) 。600MW时NOx降低效果不明显, 说明该负荷下现行氧量可有效抑制NOx生成。随着负荷降低, NOx的降低空间越大, 尤其是250MW, NOx排放浓度可达232mg/Nm3。说明低负荷下NOx排放浓度较高和氧量偏高有关, 亦表明氧量对锅炉NOx排放浓度具有显著影响。修正低负荷氧量应同时考虑燃烧稳定安全余量及提高再热汽温。降低氧量运行后各负荷段烟气CO小于100mg/Nm3, 一般小于30mg/Nm3, 氧量足够。
3.4 SOFA风开度和NOx排放关系
通过调整SOFA风门开度来降低NOx浓度的效果如表5中数据所示。增加CCOFA1、CCOFA2、SOFA1、SOFA2和SOFA3开度对降低NOx排放浓度不明显, 而通过增大SOFA4和SOFA5开度则效果较好, 且随着负荷的降低, 其降低NOx排放效果越明显。这是由于原下三层SOFA风门度已较大, 而SOFA4和SOFA5原开度较小且在最顶部的原因。SOFA4、5风量的增大, 降低了主燃烧器区域燃烧份额, 有利于高度方向的燃烧分级, 故可明显降低NOx的生成。低负荷下通过同时降低氧量和增大上层SOFA风开度可更有效降低NOx排放浓度。
500MW时通过控制SOFA风门开度, 其NOx排放浓度可比600MW更低, 这是由于该负荷段下炉膛温度水平较600MW低, 且该负荷段氧量与600MW比变化不大, 燃烧较为充分。对于燃烧平朔煤:伊泰煤:石炭煤=1:3:1煤种, NOx可以降至200mg/Nm3以下。同时对于燃烧伊泰煤, 若氧量降至4.6%, NOx排浓度亦可降至200mg/Nm3以内。300~600MW时SOFA1~3开度基本在50%~75%、CCOFA开度基本在10%~50%, 调整后的SOFA4、5风门开度如表6所示。
3.5 炉膛风箱差压和NOx排放关系
炉膛与风箱压差的变化引起的NOx的变化幅度在5%以内, 影响较小。在SOFA、CCOFA及周界风开度不变的情况下, 炉膛与风箱压差变化, 直接改变了辅助风风门开度, 影响了主燃烧区域二次风风量和上部燃尽风区域的风量分配, 但影响有限。降低氧量及开大SOFA风量运行后, 低负荷时辅助风风门开度会低至5%, 甚至全关。故降低该压差主要从稳燃角度考虑, 如表7所示。
3.6 煤种和NOx排放关系
金湾公司来煤较杂, 主要煤种有神混、伊泰、菲律宾、平朔、内蒙古、石炭、澳洲、俄罗斯、印尼煤等。总的来说, 来煤热值偏低、水份偏高、挥发份偏高, 但和设计及校核煤比偏差不大, 从运行参数看, 燃煤较为适宜, 实际运行中经常掺烧两种或三种煤。
燃料型NOx的生成和控制规律十分复杂, 影响NOx生成的因素很多。煤质因素主要包括煤的软化温度、挥发份、灰分、氮含量及水份等。实际情况下, 煤种变化对NOx影响较大 (表8) 。
各煤种NOx排放浓度从高到低分别为:煤种1>煤种2>煤种6>煤种5>伊泰煤及其他只掺烧伊泰、平朔或石炭煤的混煤。
3.7 煤层与NOx排放关系
燃烧下层制粉系统时, NOx排放略低<30mg/Nm3, 这是因为燃烧分级更明显的缘故。以2014年6月4日, 负荷600MW, 由ABCDE切至ABCDF磨运行时, NOx下降3mg/Nm3;6月5日, 负荷300MW, 由CDEF切至BDEF磨运行时, NOx下降30mg/Nm3;由BDEF切至ABDF磨运行时, NOx下降18mg/Nm3;7月12日, 负荷300MW, 由BCDE切至ABDE磨时, NOx下降27mg/Nm3。实际运行中, 煤层的选择首先从稳燃性考虑而非控制NOx排放。掺烧类似于菲律宾、印尼煤时, 可放在C、D或E层, 高熔点煤放在A或B层。高负荷时, 保持一台高熔点煤, 低负荷时把高熔点煤停运, 尽量保持高水分低熔点煤的掺烧比例。这主要考虑到高负荷防结焦及低负荷提高再热器汽温。
3.8 燃烧调整效果
3.8.1 灰渣含碳量及效率
燃烧调整 后锅炉炉 渣含碳量 在1 . 0 % 左右, 飞灰含碳量在0. 24%~0. 3% (燃烧调整前分别为0. 34%~5. 9%、0.16%~0.31%) 。说明锅炉仍保持充分燃烧, 由于氧量调低, 烟气流量及排烟温度有所降低, 故锅炉效率提高, 尤其低负荷下提升较为明显。利用反平衡法实测600MW时锅炉效率为94.04% (原设计93.87%) 。
3.8.2 NOx降低量及其它影响
燃烧调整前后NOx排放对比如表9所示。
通过燃烧调整降低省煤器入口NOx含量, 可明显减少喷氨量, 有效防止空预器堵塞。降低氧量的同时开大了SOFA风, 因此再热汽温基本不受影响;由于氧量降低, 锅炉排烟温度降低约10℃。
4 燃煤掺烧措施
由于燃煤 对锅炉N O x排放具有 明显影响 , 负荷在300~450MW时, 如SCR入口NOx或SO2的浓度较高, 也会超出允许连续喷氨的温度范围, 使脱硝系统自动退出, 为此必须减少高灰份、低水份煤种掺烧力度, 防止NOx严重超标。实际中发现掺烧印尼煤或神华煤时, 锅炉NOx排放较低。目前机组负荷率不高, 为加大其掺烧力度, 采取如下控制措施:
1正常情况下的配煤方案为:ABDF仓低熔点神华煤, CE仓印尼煤。在高负荷段, 根据汽温、减温水量、结焦情况运行A~E磨或B~F磨;在低负荷段运行A~D磨, 保证一定的神华煤比例, 控制NOx浓度。
2当锅炉结焦加剧, 再热器减温水增加时, 掺烧一台高熔点的石炭煤或伊泰煤, 直至结焦减少, 配煤方案:ADF仓低熔点神华煤、B仓高熔点煤、CE仓印尼煤 (或低熔点神华煤) 。
单位:mg/m3
3控制来煤平均硫份<0.6%, 以减少SO2, 降低喷氨温度。
5 减少省煤器吹灰
为解决380MW以下排烟温度低脱硝系统不能喷氨的问题, 采取减少省煤器吹灰的方法, 控制措施如下:
1省煤器最底部第三层每天白班只吹一半。
2当空预器入口烟气温度达到365℃时, 投运省煤器第一、二层的吹灰器运行, 直至空预器入口烟气低于360℃。
底层保持较多吹灰是为了防止酸性腐蚀。采取以上控制措施后, 各负荷段排烟温度提高约20℃, 300MW时烟气温度到300℃以上, 保证了脱硝系统可投入, 省煤器差压没有上升迹象, 数据如表10所示。减少省煤器吹灰可能会导致严重积灰, 且锅炉效率下降约0.8%, 省煤器出口水温降低约5℃。所以这只是权宜之计, 要永久提高SCR入口温度最终还要依靠技术改造解决。
6 250MW调整手段
机组负荷有时调峰至250MW附近, 此时SCR入口烟气温度基本都低于293℃, 不具备脱硝系统投入条件。操作员通过继续降低氧量、开大SOFA4或SOFA5风门20%~30%、加大神华煤量掺烧力度等手段, 可降低100mg/Nm3左右, 使NOx排放浓度<300mg/Nm3 (小时平均值) 。如采取上述措施后仍超标, 则采用手动少量喷氨方式 (目前此方式未使用过) 。其它负荷段NOx排放高时, 也采取手动调整方法, 当燃用高熔点煤较多时, 可进一步降低氧量:600MW不小于2.0%, 500MW不小于2.5%, 其它负荷段0.3%~0.5%。
7 结语
采取上述措施后的锅炉NOx排放及SCR投运情况如表10所示。
NOx排放浓度 篇7
关键词：不锈钢酸洗,NOx废气,SCR法,脱硝,低温催化剂
2005年, 我国NOx排放总量约为1.94×107t。随着国民经济继续发展、人口增长和城市化进程的加快, 2020年和2030年, 我国NOx排量将分别达到3.00×107t和3.54×107 t。在不锈钢表面处理的生产过程中, 广泛采用HF+HNO3混酸酸洗, 也会产生高浓度的NOx废气, 由于其中NO2的含量较高, 一般表现为烟囱“冒黄龙”现象。据中国特钢企业协会不锈钢分会统计, 2006年起, 我国不锈钢粗钢产量及钢材产量已居世界第一。2004年至2011年的八年之间, 我国不锈钢粗钢产量从236.4万吨飙升至1259.1万吨, 净增1022.7万吨, 年均增长达127万吨, 这在世界不锈钢发展史上也是没有过的。面对如此严峻的NOx废气排放形势, 必须采取切实可行的方法予以处理。
目前, 针对高浓度NOx废气的处理方法主要有干法、湿法和干湿连用技术。湿法主要以各种吸收剂溶解在水中, 然后再采用喷淋的方法来吸收NOx并与之反应, 最终达到降低NOx浓度的目的。湿法实际上是一种“污染转移”的处理方式, 并未彻底解决污染治理的问题。干法即SCR法, 是指在催化剂存在的条件下, 采用NH3、CO或碳氧化合物等作为还原剂, 将烟气中的NOx还原为N2和H2O;其中NH3-SCR技术较为成熟可靠, 目前已在全球范围, 尤其是发达国家中得到广泛应用。王海林等详细对比了液体吸收法和SCR法的优缺点, 得出结论:采取何种形式的处理方法, 一方面取决于废气中NOx的含量和气体组分, 另一方面, 取决于废气的排放制度。
依据酸洗NOx废气的低温、低尘、高氧化度、高浓度等特点, 本文尝试采用“喷淋吸收+预热+换热+加热+SCR反应+换热”的工艺, 对某钢厂酸洗线产生的高浓度NOx废气进行工程实际处理, 结果显示脱硝效果优异, 大大减少了NOx废气的排放, 由此可产生巨大的环境效益和一定的经济效益, 因此该工艺可以作为示范工程, 应用于NOx废气的处理领域。
1 工艺选择
1.1 NOx废气排放要求
排放烟囱数据应符合《大气污染物综合排放标准》GB16297-1996中的新污染源大气污染物排放限值二级排放标准。NOx排放浓度<240mg/Nm3, NOx排放速度<0.77kg/h (15m烟囱计) , 颗粒物<120mg/m3, 颗粒物排放速率<3.5kg/h (15m烟囱计) 。同时, 还应符合《恶臭污染物排放标准》 (GB14554-93) 中规定的恶臭污染物排放标准值:NH3排放速率<4.9kg/h (15m烟囱计) , 臭气浓度<2000 (无量纲, 15m烟囱计) 。
1.2 工艺的选择
1.2.1 混酸酸洗NOx废气和燃煤烟气的区别
混酸酸洗NOx废气和燃煤烟气存在许多不同点, 表1是混酸酸洗NOx废气和燃煤烟气的对比表。
结合表1中混酸酸洗NOx废气和燃煤烟气的各项比较参数的区别, 将会在NOx废气的实际处理工艺上体现差异。
1) 排气温度
酸洗NOx废气的排气温度一般最高不会超过60℃, 这就决定了需要通过加热NOx废气的方式来达到SCR的反应温度区间。因此, 应该尽量选择具有低温催化性能的催化剂, 这样, 可以最大限度的节省加热及换热设备投资。而燃煤烟气的排放温度区间正好是V/Ti系催化剂的反应区间, 因此, 无需额外的增加能耗既能够让SCR反应持续。
2) 含尘量
酸洗时, 脱硝系统收集的废气主要来源于外环境中渗入酸洗槽的空气和酸洗液本身挥发及反应后分解产生的废气, 所以, 废气中的尘含量与外环境大气中的尘含量基本相当。因此, 在酸洗NOx废气脱硝系统的设计时一般不用考虑催化剂的防尘性能。所以, 催化剂的节距可以设置的更小。
而在燃煤烟气中, 煤质燃烧产生大量的粉尘, 这些粉尘和废气一并进入到脱硝系统。因此, 在燃煤烟气的脱硝系统设计时, 第一层的催化剂一般需要坚硬化或者锐化处理, 在SCR反应器内还需要设置吹灰装置, 同时, 蜂窝催化剂的节距一般都比较大, 这样才能基本确保催化剂不被堵塞。
3) NOx浓度
在酸洗NOx废气的排放中, 根据酸洗对象的不同, 产生的NOx废气浓度可能忽高忽低或持续在高位。因此, 在设计脱硝设备时, 需要针对NOx废气排放的浓度特征进行针对性的考虑。而在燃煤烟气的排放实例中, 燃煤持续的在比较均匀的燃烧环境中燃烧, 因此, 排放的NOx废气浓度也是比较稳定的。
4) 废气中的组分
酸洗NOx废气的组分一般比较简单, 主要是HF、NOx、HNO3等。在系统设计时, HF和HNO3在进入SCR系统之前就需要基本完全去除, 而SCR系统将被设计为专门去除NOx。
燃煤烟气中除了有NOx之外, 还有SOx、CO等其他多种组分。由于SO2和CO等均有可能对NOx的SCR反应进行干扰, 严重的甚至可以引起催化剂的中毒。因此, 在催化剂的设计时, 也要采用针对性的措施, 确保NOx催化反应的顺利进行。
5) NOx氧化度
酸洗废气中的NOx氧化度常规在50%左右, 最高可达90%以上, 这是金属及其氧化物与酸液在一个强氧化环境下发生反应的必然结果。
在燃煤燃烧过程中, NOx的生成机理非常复杂。但是, 从总的趋势来看, 由于气体的温度比较高, NO2容易分解为NO, 同时, N的“争氧”能力也不如C、CH等。综合各种因素之后, 最终导致燃煤烟气中的NOx氧化度一般只有10%左右。
1.2.2 酸洗NOx废气SCR处理的设计要点
1) 酸洗NOx废气中其他污染物的去除
在酸洗NOx废气中, 除NOx这个主要污染因子外, 还有HF、HNO3 (g) 等对环境有害的污染物。酸洗NOx废气中产生的HF浓度在1000mg/m3以下, HNO3 (g) 浓度在2000mg/m3以下。而两种气体都极易溶解于水。因此, 常规的处理工艺都是采用水或者稀碱液来吸收以上两种污染物, 去除率可高达99%以上。一般采用填料洗涤塔来吸收HF和HNO3。填料洗涤塔的空速控制在0.8m/s~1.8m/s左右, 填料可选用高比表面积的规整填料, 比表面积最高可达500m2/m3, 理论塔板数可达4~4.5m-1, 可节省塔体高度, 提高吸收能力。
2) 防结露与废气预热及加热
由于酸洗NOx废气的排放温度一般在常温 (20℃~60℃) 之间, 而SCR反应的温度区间则在200℃~400℃之间, 因此, 一般通过换热器预升温后, 再通过燃气升温或者电加热升温即可达到反应温度。换热器内的高温气体来自SCR反应器处理后的尾气。
板式换热器的换热元件一般采用波纹板, 板厚在0.6mm~1.5mm之间, 板间距在3mm~41mm之间自由选择, 总压损一般在1KPa~3KPa之间。在同等换热能力下, 板式换热器的体积和重量均只有管壳式换热器的1/3左右。
一部分SCR反应器处理后的高温尾气引入到吸收塔后、换热器前的管道上, 将进入换热器的温度提高10℃~30℃左右, 从而避免废气的湿度饱和, 也有效的阻止了结露。
3还原剂的选择
还原剂一般采用氨基, 目前, 市面上主要有液氨、氨水和尿素三种还原剂。
注: (1) 还原剂价格为2012年9月份上海市场价, 氨水价格因地区差异变动较大;
(2) 折合氨单价未考虑原料含杂质情况。
通过上表可以看出, 液氨的使用要求和管理要求均较高, 初始投资也较高, 但是运行费用较低。然而, 液氨在使用时一般不允许用尽, 所以当液氨采用现场储罐形式供应时, 液氨的使用成本是较低的。而采用液氨钢瓶供应时, 钢瓶内经常残留部分液氨, 该部分液氨不允许回收。同时, 液氨对于环境安全的要求非常高, 操作人员也需要具备特种作业人员的资质。因此, 在实际项目中, 尿素已经逐步成为一种主流的还原剂, 广泛应用于各种SCR场合。
4催化剂的选择
SCR系统中, 催化剂是最关键的核心部分。由于酸洗NOx废气具有低温、微尘、不含SO2及CO等、浓度高或者浓度波动大、氧化度高等特点, 在催化剂的选择上, 需要尽量选择低温型的催化剂, 同时, 不用过多的考虑飞灰、SO2等带来的不利影响。在催化活性上, 也要更加倾向于NO和NO2的联合去除。
目前商用的催化剂类型主要是蜂窝式催化剂。而蜂窝式又可分为两种, 一种是燃煤电厂经常使用的V/Ti系催化剂, 一类是上海同济科蓝环保设备工程有限公司生产的具有低温特性的GJ-HC型催化剂。下表是两种催化剂的对比。
从表3中可以得出, 在酸洗NOx废气的SCR处理中, 由于无需考虑飞灰影响, 因此可选用较低节距的金属氧化物蜂窝陶瓷催化剂, 提高反应空速, 降低使用量。同时, 与V/Ti系催化剂相比, 金属氧化物催化剂的最佳反应区间整整降低了100℃, 极大的节省了废气加热所需的能源, 同样的, 低温反应也相应的延长了设备的使用寿命。
2 工艺流程及说明
2.1 工艺设计
根据某不锈钢厂的设计要求、工程设计规范、能源介质条件, 并考虑当地的气候条件进行工艺设计。
2.2 设计工艺流程
酸洗NOx废气从酸洗槽中通过收集管道集中到一根总排管道中, 进入SCR处理系统。工艺流程图如图1所示:
酸洗槽排出的NOx废气首先进入填料洗涤塔内, 去除大部分的HF和HNO3之后, 通过酸雾风机送入前置预热器内进行预热, 随后进入气气换热器中进行换热升温, 升温后的废气再通过燃气烧嘴加热到反应温度, 此时, 尿素喷入尿素喷射混合器内, 迅速雾化成细微颗粒, 并在高温环境下热解为NH3和CO2, 再与NOx废气在四阶段混合器内进行充分的混合之后, 继而进入SCR反应器内进行SCR反应。反应后的尾气一部分进入气气换热器内放热, 一部分直接回到前置预热器内与进气混合。放热后的尾气排入烟囱。
3 运行效果及处理成本说明
3.1 运行效果
在SCR系统运行时, 当地环境监测部门对该项目进行了监测, 主要监测项目为排气温度、标干排气量、NOx浓度及排放速率、HF浓度及排放速率、NH3浓度及排放速率等, 结果见表4。
注:ND, 未监测到。
3.2 处理成本说明
SCR系统运行时, 运行费用见表5, NOx处理费用见表6:
4 结论
1) 由脱硝系统运行工况和实际运行效果来看, 脱硝效率及各种相关参数都符合设计要求;
2) 本SCR脱硝系统设计成熟, 系统运行可靠, 稳定性较好, 脱硝效率较高;
3) 本项目实施的意义:大大减少了NOx废气的排放, 减轻了其对环境的危害, 产生了优异的环境效益;减少了因NOx废气产生的污染而花费的治理费用, 间接的产生了一定的经济效益。
参考文献
[1]张楚莹, 王书肖, 邢佳, 等.中国能源相关的氮氧化物排放现状与发展趋势分析.环境科学学报, 2008, 28 (12) :2470-2479.
[2]王军, 曾庆福, 陈磊, 等.间歇式高浓度氮氧化物废气的治理技术.武汉科技学院学报, 2003, 16 (5) :26-31.
[3]孙永强, 陈建孟, 宋爽.旋流板塔处理含氮氧化物废气的工程实践.科技通报, 2007, 23 (5) :751-754.
[4]任晓莉, 张卫江, 杨宝强, 等.工业废气中氮氧化物的治理研究.环境工程学报, 2007, 1 (6) :87-90.
[5]梁开玉, 周应林, 秦大超.硝酸尾气中氮氧化物净化技术研究.渝州大学学报 (自然科学版) , 2002, 19 (3) :27-31.
[6]Pio F.Present status and perspectives in de-NOx SCR catalysis, Applied Catalysis A:General, 2001, 222 (1-2) :221-236.
[7]覃秀凤.氨选择性催化还原处理硝酸尾气NOx工艺优化探讨.广西工学院学报, 2009, 20 (1) :52-56.
[8]赵明, 张奇兵.选择性催化还原脱硝法 (SCR) 治理硝酸尾气的应用.化学工程师, 2010, 172 (1) :38-39, 42.
[9]Jose L.Valverde, Fernando Dorado, Paula Sanchez, et al.Synthesis and Characterization of Cu-TiPILCs for Selective Catalytic Reduction of NO by Propylene in the Presence of Oxygen and H2O: Influence of the Calcination Temperature, the Copper Content, and the Cation Promoter (Ce/Ag) [J].Ind.Eng.Chem.Res.2003, 42, 3871-3880.
[10]Petros G.Savva and Costas N.Costa.Hydrogen Lean-DeNOx as an Alternative to the Ammonia and Hydrocarbon Selective Catalytic Reduction (SCR) , Catalysis Reviews, 2011, 53 (2) : 91-151.