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生物质燃烧氮氧化物的排放及降氮治理技术

文章出处:www.qanghui.cn 浏览次数:发表时间:2021-01-12 08:42
生物质燃烧氮氧化物的排放及降氮治理技术
  随着我国经济的持续快速发展,能源消耗逐年增加,大气中NOx的排放量也迅速增长. NOx成为主要的一次污染物,其中主要以NO 和NO2为主. NOx的排放引发的环境问题已经严重威胁了生态环境和人体健康,主要危害包括: 参与臭氧层的破坏; 可以与碳氢化合物形成光化学烟雾; 是形成酸雨酸雾的主要污染物; 会对植物产生损害; 对人体健康有致毒作用等. 因此,控制和治理大气中的NOx非常重要.
                                                  
NOx污染防治的紧迫性还体现在,如果不对NOx的排放进行有效的控制,NOx排放的显著上升会抵消削减SO2的努力,具体主要表现在京津冀、长三角、珠三角等经济发达地区的灰霾天数增加,污染程度加重,大气能见度下降,我国酸雨类型由硫酸型向硝酸--硫酸复合型进行转变. 因此,在“十二五”期间,我国将NOx纳入总量控制,NOx成为联防联控规划控制的重点污染物之一.
 
不同生物质成型燃料NOx排放情通过对比可以看出,尽管木质成型燃料较秸秆成型燃料的NOx排放量较低. 但是还没有完全达到现行排放标准GB13271—2014 与标准GB13271 征求意见稿--重点区域中规定的200 mg·m - 3 的标准,与新标准的80 mg·m - 3 的期望尚存在较大距离. Vassilev 等也曾比较了在燃料点火和熄火过程中木质燃料和玉米秸秆成型NOx的排放规律,在NOx组分上,研究发现秸秆成型燃料的整个点火过程中,烟气中的NOx含有NO 和质量分数为2. 6%~ 6. 9%的NO2,而木质成型燃料烟气中的NOx只有NO; 在NOx产生量上,秸秆成型燃料燃烧NOx的排放量是木质燃料的2 倍.
 
尽管目前正在实行的《锅炉大气污染物排放标准》( GB13271—2014) 并没有规定生物质锅炉NOx的排放限值,但燃烧玉米秸秆成型燃料时,生物质锅炉的NOx排放质量浓度往往在207. 9 ~ 601. 3 mg·m - 3之间,由于GB13271—2014 中的排放限值为200mg·m - 3,以此标准来衡量,玉米秸秆成型燃料时排放的NOx排放浓度超标0. 04 ~ 2. 01 倍. 《生物质能发展“十二五”规划》表明,我国生物质成型燃料年利用量将在2015 年达到1000 万吨,相应替代500 万吨标准煤( 700 万吨燃煤) ,可减少0. 91 万吨的NOx排放. 因此,开展对大气NOx的污染控制已迫在眉睫.
 
生物质锅炉有哪些降氮氧化物的治理技术?
 
美国、欧盟、日本等发达国家或地区在NOx控制工作方面上起步较早,NOx控制的相关政策也相对成熟. 目前来讲,国外发达国家主要采用烟气再循环、多级燃烧、低氮燃烧器组合等方式可以减少30% ~ 70%的NOx排放. 尽管低氮燃烧技术是我国目前主要的NOx治理技术,该技术的采用可以控制锅炉排放的NOx浓度在200 mg·m - 3以下,但是仅依靠该技术已经不能满足新标准的要求.
 
1 燃烧改进技术
 
燃烧改进技术是一种通过控制燃烧条件,调节燃烧区的温度和进气量,进而减少NOx的生成与排放的技术. 相比于其他的降氮技术,低NOx燃烧技术是一种较为简单、经济而且应用最广的方法.目前采用的低NOx燃烧技术主要有以下五种: 低NOx燃烧器、燃料再燃技术、低过量空气燃烧技术、空气分级燃烧技术和烟气再循环技术.
 
2, 低NOx燃烧器
 
低NOx燃烧器的采用,可以实现在燃料燃烧过程中对NOx排放进行控制,同时有利于燃料的稳定着火燃烧和完全燃烧.
 
低NOx燃烧器的工作原理是把燃烧一次风分成浓相和淡相两个部分在不同的位置进行燃烧: 浓相所处位置距离火焰中心较近,温度较高,但是由于氧化比例较少,因而降低了NOx的生成率; 淡相所处位置靠近水冷壁,由于该区域远离火焰中心,温度偏低,尽管在此位置的氧化比例较高,但是NOx的生成率依旧较低,最终实现了减少NOx生成与排放的目的.
 
低NOx燃烧器有低NOx预燃燃烧器、分割火焰型燃烧器、阶段燃烧器、浓淡型燃烧器、混合促进型燃烧器、自身再循环燃烧器等几大类. 脱硝效率一般在30% ~ 60%之间.
 
3. 燃料再燃
 
燃料再燃技术始于20 世纪80 年代,是一种炉内NOx控制技术. 降氮原理如下: 根据燃料在炉内的燃烧过程,沿炉膛高度方向将炉膛分成主燃区、再燃区和燃尽区三个区域; 利用燃料分级在炉膛再燃区形成强还原性气氛,在该区域将主燃区内形成的NOx还原为N2和其他含氮还原性基团( HCN 和NH3) ; 之后,由于燃烧不充分所产生的尾气排放会导致环境污染,从而在燃尽区补入部分空气,形成富氧燃烧段,从而在此区域将剩余的可燃物( CHi、CO等) 和含氮分子氧化. 再燃技术的采用可以将燃煤锅炉NOx排放量降至使用前的35%以下.
 
燃料再燃技术具有以下优点: 脱硝效率高、适用性广、锅炉改造小、运行费用低,因此该技术受到了普遍关注. 再燃燃料种类繁多,气体( 甲烷、合成气等) 、液体( 水煤浆等) 和固体燃料( 煤粉、生物质等)都可以用作再燃燃料. 由于生物质中N、S 等元素相对较少,生物质的广泛利用可以大量减少大气污染物的产生与排放,与此同时,生物质燃烧后的灰分中的钠、钾等组分对NOx的还原具有促进作用. 综上可知,生物质燃料可以作为一种较好的再燃燃料. 但是,目前对生物质再燃脱硝特性的研究相对较少. 有研究表明,将生物质作为再燃燃料将会使得NOx降低效率更高. Adams 与Harding 使用木材作为再燃燃料,将再燃技术用于旋风燃烧器排放的NOx控制中,当再燃燃料在靠近后壁的旋风桶的区域且温度接近1600 ℃时注入再燃燃料,炉内停留时间0. 3 s,可使NO 排放量降低量接近60%; 随着过热空气高速反向注入时,NOx降低效率最高,达到45%左右. Liu 等研究发现,使用再燃技术可以使得NO 质量分数降低50% ~ 60%,同时对于锅炉的操作方面没有明显的副作用.
 
4,低过量空气燃烧
 
低过量空气燃烧的原理是通过减少烟气中的过量氧气抑制NOx的生成,所以要尽可能保证燃烧在接近理论空气量的条件下进行,是一种相对简单的降低NOx排放的方法. 但是,此方法的NOx脱除效率只有15% ~ 20%,而且燃料在此燃烧环境下可能燃烧不够充分,进而会产生热损失,从而降低锅炉效率. 此外,由于过量空气较少,炉内的某些区域会形成还原性气氛,容易造成炉壁结焦和腐蚀.
 
5, 空气分级
 
空气分级于20 世纪50 年代在美国率先发展起来,是控制NOx排放的一次技术之一,目前应用较为广泛. 该技术减少了燃烧区的空气量,燃料首先在缺氧条件下燃烧,之后再送入剩余空气进一步将未燃尽的燃料燃尽. 空气分级技术的采用使得燃料与空气在一次燃烧区内混合量降低,延迟了主燃区燃烧过程; 同时,由于一次风风量的控制,一次燃烧区的氧气含量较少,使得燃料的燃烧不够充分,进而降低了燃烧温度,由于该区域的燃料含量仍然较高,因而形成还原性的气氛,在还原性的气氛中NOx的生成速率较低. 空气分级燃烧技术最高可达约30%的脱硝效率.
 
石本改等的研究表明,过剩空气系数增加,NOx的生成量明显降低. 郭飞强等用于实现燃料的层燃; 炉膛喉口处二次风,主要用于扰动挥发分; 位于气化燃烧室区的三次风用于彻底燃烧残余挥发分. 物料加入炉膛后先进入热解气化区,由于热解气化区不直接配风,所以在缺氧的条件下,生物质会生成半焦类固体可燃物和还原性烟气( H2、CO 等) . 一方面,生成的半焦类固体进入层燃燃烧区后,由于得到空气的补给,得到充分燃烧,但是产生了NOx等污染物; 另一方面,还原性烟气受到二次风的扰动,在炉膛喉口处形成强烈的燃烧漩涡,可以与层燃燃烧区产生的NOx发生还原性反应. 同时研究还表明,在过剩空气系数为1. 75 且其中一次风、二次风、三次风的体积比为7 ∶ 1 ∶ 2 时,NOx的排放质量浓度最低,可达到83. 45 mg·m - 3,接近新标准的80 mg·m - 3的期望.
 
6, 烟气再循环
 
烟气再循环技术的原理是在锅炉的空气预热器之前,抽取一部分低温烟气直接送入炉内,或者与一次风/二次风混合送入炉内,起到冷却和稀释的作用,进而降低燃烧过程中的温度和氧浓度,从而控制NOx的生成速率. 但是,烟气再循环率太高也会导致未完全燃烧热损失增加、燃烧不稳定等问题的产生,因此再循环率常常控制在10% ~ 20% 之间.Zhou 等在秸秆固定床燃烧锅炉燃烧研究中指出,将20%比例的燃气重新送入锅炉中进行再循环利用,不仅可以保证不影响燃烧效率而且还可以降低NO 的排放.
 
7, 烟气脱硝
 
根据是否使用脱硝催化剂,尾部烟气脱硝主要有以下两种: 选择性催化还原( SCR) 和选择性非催化还原( SNCR) .
 
 
8, 高级再燃
 
高级再燃技术是将燃料再燃与选择性非催化还原相结合的脱硝技术,是目前一种极具应用前景的NOx控制技术,通过与选择性非催化还原脱硝技术的结合,可以实现在燃料再燃的基础上进一步降低NOx排放的目的,使之成为一个更加彻底的NOx降低技术. 高级再燃的原理为在再燃区或燃尽区喷入还原剂,进一步减少NOx生成. 高级再燃的技术关键是通过燃料再燃和选择性非催化还原两个阶段的协同作用,拓宽反应温度窗口,减少较窄温度窗口对选择性非脱硝效率的影响.

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