中国地质大学(武汉)大气污染控制工程第09章 氮氧化物污染控制

第九章氮氧化物污染控制1.氮氧化物的性质及来源2.燃烧过程中氮氧化物的形成机理3.低氮氧化物燃烧技术4.烟气脱硝技术第一节氮氧化物的性质及来源NOx包括N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5大气中NOx主要以NO、NO2的形式存在NOx的性质N2O：单个分子的温室效应为CO2的200倍，并参与臭氧层的破坏NO：大气中NO2的前体物质，形成光化学烟雾的活跃组分氮氧化物的性质及来源NOx的性质（续）NO2:强烈刺激性，来源于NO的氧化，酸沉降NOx的来源固氮菌、雷电等自然过程（5×108t/a）人类活动（5×107t/a）燃料燃烧占90％95％以NO形式，其余主要为NO2氮氧化物的来源太湖被长三角一些城市视作区域的“心脏”。太湖，我国第三大淡水湖，面积2400平方公里，流域面积36895平方公里，是上海和苏锡常、杭嘉湖地区最重要的水源——如果把太湖流域视为人体的话，无论从其地理位置、轮廓还是战略功能上看，太湖就是上海和苏锡常、杭嘉湖7城市的“心脏”，纵横交错的河网，就是维系该地区生存、发展的各类“血管”。碧波荡漾的太湖2007年入夏以来，太湖水位出现50年以来最低水位，加上天气连续高温少雨，太湖水富营养化较重，诸多因素导致蓝藻提前一个多月爆发，形成自然灾害。5月30日，无锡市前宋巷小区居民家中的自来水伴有刺鼻异味纯净水成抢手货5月31日上午，无锡市民购买从上海调运来的纯净水无锡地区的饮用水水源水质也因此受到极大影响。从5月28日夜间起，无锡城区大部分地区的自来水突然“发臭”。氮氧化物的来源燃烧过程NOx的形成机理形成机理燃料型NOx燃料中的固定氮生成的NOx热力型NOx高温下N2与O2反应生成的NOx瞬时NO低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NONOx的形成低NOx燃烧技术原理控制NOx形成的因素空气－燃料比燃烧区温度及其分布后燃烧区的冷却程度燃烧器形状低NOx燃烧技术传统低NOx燃烧技术1.低氧燃烧降低NOx的同时提高锅炉热效率CO、HC、碳黑产生量增加传统低NOx燃烧技术2.降低助燃空气预热温度燃烧空气由27oC预热到315oC，NO排放量增加3倍传统低NOx燃烧技术3.烟气循环燃烧降低氧浓度和燃烧区温度－主要减少热力型NOx传统低NOx燃烧技术4.两段燃烧技术第一段：氧气不足，烟气温度低，NOx生成量很小第二段：二次空气，CO、HC完全燃烧，烟气温度低先进的低NOx燃烧技术原理：低空气过剩系数运行技术＋分段燃烧技术1.炉膛内整体空气分级的低NOx直流燃烧器炉壁设置助燃空气（OFA，燃尽风）喷嘴类似于两段燃烧技术先进的低NOx燃烧技术2.空气分级的低NOx旋流燃烧器一次火焰区：富燃，含氮组分析出但难以转化二次火焰区：燃尽CO、HC等先进的低NOx燃烧技术3.空气/燃料分级的低NOx燃烧器空气和燃料均分级送入炉膛一次火焰区下游形成低氧还原区，还原已生成的NOx烟气脱硝技术脱硝技术的难点处理烟气体积大NOx浓度相当低NOx的总量相对较大烟气脱硝技术大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人类生存的四大杀手；燃煤烟气中所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源；我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目，但烟气脱硝还未大规模开展；资料表明：如果不继续加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧化物的总量及其在大气污染物中所占的比重都将上升，并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。烟气脱硝技术国家环保总局2004年经修改后发布的火电厂大气污染排放标准(GB13223—2004)对火电厂NOx的排放已做出限制规定明确提出新建火电站除满足现行排放标准外还须预留烟气脱除氮氧化物装置的空间。相应的排污费征收标准管理办法从2004年7月1日起执行，每当量氮氧化物征收排污费0.6元(原来是不收)烟气脱硝技术废气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法选择性催化还原法（Selectivecatalyticreduction,SCR）选择性非催化还原法（Selectivenon-catalyticreduction,SNCR）SCR的发明权属于美国，日本率先于20世纪70年代实现商业化应用日本93%以上废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套；德国20世纪80年代引进，并规定发电量50MW以上的电厂都配备SCR；台湾有100套以上的SCR装置在运行；大庆石化、川化集团、北京燕山石化、福建漳州电厂也引进SCR装置烟气脱硝技术1.选择性催化还原法（SCR）在催化剂作用下，向温度为280℃～420℃的烟气中喷入氨，将NO还原成N2和H2O催化剂：贵金属、碱性金属氧化物还原反应潜在氧化反应322232224NH4NOO4N6HO8NH6NO7N12HO32232224NH5O4NO6HO4NH3O2N6HO由于该反应没有其他副产物产生，并且装置结构简单，因此适合处理大量烟气烟气脱硝技术1.选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝技术1.选择性催化还原法（SCR）烟气SCR脱硝法采用催化剂促进氨与还原反应。若使用钛和铁氧化物类催化剂，其反应温度为300℃至400℃，当采用活性焦炭时，其反应温度为100℃至150℃。根据CATA.反应器在锅炉尾部烟道的位置，有三种方案:(1)在空气预热器前350摄氏度位置.(2)在静电除尘器和空气预热器之间(3)布置在FGD(湿法烟气脱硫装置)之后锅炉静电除尘器SCR反应器空气预热器NH3储罐蒸发器去湿法烟气脱硫系统NH3空气NH3NH3+空气SCR反应器置于空气预热器前的高尘烟气中SCR反应器置于静电除尘器与FGD之间锅炉静电除尘器SCR反应器空气预热器NH3储罐蒸发器NH3NH3+空气湿法烟气脱硫系统空气去烟囱空气SCR反应器布置在FGD(湿法烟气脱硫装置)之后锅炉静电除尘器SCR反应器空气预热器NH3储罐蒸发器NH3NH3+空气湿法烟气脱硫系统空气气/气加热器去烟囱空气气/油燃烧器或蒸汽换热器SCR烟气脱硝工艺的影响因素/运行控制1、催化剂的活性•催化剂是SCR技术的核心，其形状一般为板式或蜂窝式；•催化剂主要成分为V2O5/TiO2；•催化剂寿命化学失活：碱金属（Na、K、Ca）和重金属（As、Pt、Pb）引起中毒物理失活：高温烧结、磨损、固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂破坏SCR烟气脱硝工艺的影响因素/运行控制2、反应温度•不同的催化剂具有不同的反应温度范围•当反应温度低于催化剂适用温度范围下限：发生副反应，NH3与SO3和H2O反应生成(NH4)2SO4或NH4HSO4•当反应温度高于催化剂适用温度范围上限：催化剂通道和微孔发生变形，失活•根据催化剂的适用温度范围，SCR工艺可分为：高温工艺（345~590℃）、中温工艺（260~450℃）、和低温工艺（150~280℃）SCR烟气脱硝工艺的影响因素/运行控制3、氨的输入量与混合•还原剂NH3的用量根据期望达到的脱硝效率，通过设定NH3和NOx的摩尔比来控制；•理论上，1mol的NO需要1mol的NH3；•催化剂活性不同，达到相同转化率所需NH3/NOX摩尔比不同•NH3与废气的混合程度也十分重要；4、NOx的在线监测•喷按量及NOx排放浓度均根据NOx在线监测仪表的指示值来控制SCR工业应用工业锅炉、燃气、燃油锅炉、柴油机、垃圾焚烧炉、工业窑炉、化工厂等烟气脱硝处理中都得到成功的应用烟气脱硝技术2.选择性非催化还原法（SNCR）尿素或氨基化合物作为还原剂，较高反应温度(930~1090℃)化学反应同样，需要控制温度避免潜在氧化反应发生3222222224NH6NO5N6HOCO(NH)2NO0.5O2NCO2HO烟气脱硝技术3.吸收法碱液吸收必须首先将一半以上的NO氧化为NOxNO/NO2＝1效果最佳2322222223322223222242NO2MOHMNOMNOHONONO2MOH2MNOHO2NONaCONaNONaNOCONONONaCO2NaNOCOMK,Na,Ca,Mg,(NH)烟气脱硝技术3.吸收法（续）强硫酸吸收4.吸附法吸附剂：活性炭、分子筛、硅胶、含氨泥煤NOx和SO2联合控制技术吸附剂：浸渍碳酸钠的-Al2O322442NONO2HSO2NOHSOHO烟气脱硝技术4.吸附法（续）NOx和SO2联合控制技术反应式再生：天然气、CO2323222223222422322232NaCOAlO2NaAlOCO2NaAlOHO2NaOHAlO2NaOHSO0.5ONaSOHO2NaOH2NO1.5O2NaNOHO2NaOH2NO0.5O2NaNOHO