|
工業鍋爐NOx控制技術指南 （試行）
環境保護部華南環境科學研究所 目 次
1 適用范圍本指南適用于以煤、油和氣為燃料，單臺出力10~65 t/h的蒸汽鍋爐、各種容量的熱水鍋爐及有機熱載體鍋爐；各種容量的層燃爐、拋煤機爐。 使用型煤、水煤漿、煤矸石、石油焦、油頁巖、生物質成型燃料等的鍋爐，參照本指南。 本指南不適用于以生活垃圾、危險廢物為燃料的鍋爐。 2 引用文件下列文件中的條款通過本指南的引用而成為本指南的條款。凡是不注日期的引用文件，其最新版本適用于本指南。 GB 13271 鍋爐大氣污染物排放標準 HJ 462 工業鍋爐及爐窯濕法煙氣脫硫 工程技術規范 HJ 562 火電廠煙氣脫硝工程技術規范 選擇性催化還原法 HJ 563 火電廠煙氣脫硝工程技術規范 選擇性非催化還原法 DB44/765 廣東省地方標準 鍋爐大氣污染物排放標準 3 術語和定義3.1 工業鍋爐 industrial boiler指提供蒸汽或熱水以滿足生產工藝、動力以及采暖等需要的鍋爐。 3.2 氮氧化物 nitrogen oxides, NOx指由氮、氧兩種元素組成的化合物。工業鍋爐煙氣中的氮氧化物主要為一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）兩種。 3.3 控制技術 control technology針對生活、生產過程中產生的各種環境問題，為減少污染物的排放，從整體上實現高水平環境保護所采用的與某一時期的技術、經濟發展水平和環境管理要求相適應，在公共基礎設施和工業部門得到應用的，適用于不同應用條件的一項或多項改進、可行的污染防治工藝和技術。 4 工業鍋爐氮氧化物排放特性工業鍋爐排放的氮氧化物（NOx）來自燃料燃燒過程，主要類型包括：空氣中的氮氣在高溫下被氧化生成熱力型NOx，燃料中各種含氮化合物被分解并氧化生成燃料型NOx，空氣中的氮和燃料中的碳氫粒子團反應生成快速型NOx。燃煤鍋爐和燃油鍋爐以燃料型NOx和熱力型NOx為主。 工業鍋爐NOx的生成量與燃燒區溫度、反應區氧濃度和燃料在高溫區的停留時間有關，其濃度范圍因燃料類型和爐型而異，具體見表1。 表1 工業鍋爐NOx排放濃度范圍
5 氮氧化物控制技術5.1 低氮燃燒技術5.1.1 技術特點低氮燃燒技術（簡稱低氮燃燒）主要通過改進燃燒技術來降低燃燒過程中NOx的生成與排放，其主要途徑有：降低燃料周圍的氧濃度，減小爐內過剩空氣系數，降低爐內空氣總量，或減小一次風量及揮發分燃盡前燃料與二次風的混和，降低著火區段的氧濃度；在氧濃度較低的條件下，維持足夠的停留時間，抑制燃料中的氮生成NOx，同時還原分解已生成的NOx；在空氣過剩的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成。 低氮燃燒技術一般可使NOx的排放量降低10%～40%。 5.1.2 技術分類低氮燃燒技術大致可分為低氮燃燒器、空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術三類。 低氮燃燒器通過特殊設計的燃燒器結構，改變經過燃燒器的風煤比例，使燃燒器內部或出口射流的空氣分級，控制燃燒器中燃料與空氣的混合過程，盡可能降低著火區的溫度和氧濃度，在保證燃料著火和燃燒的同時有效抑制NOx生成。低氮燃燒器主要有旋流式和直流式兩類。 空氣分級燃燒技術將燃料的燃燒過程分階段完成，將燃燒用風分為一、二次風，減少煤粉燃燒區域的空氣量（一次風），使得在燃燒器出口附近的著火區形成一個貧氧富燃料區域，并推遲二次風的混入過程，使得燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒。缺氧燃燒生成的CO與NO進行反應生成CO2與N2，燃料氮分解而成的中間產物（如NH、CN、HCN和NH3等）相互作用或與NO反應生成N2，從而抑制燃料型NOx的生成。二次風延遲與燃料的混合，燃燒速度降低，火焰溫度也降低，從而抑制熱力型NOx的生成。燃燒所需的其余空氣則通過燃燒器上面的燃盡風噴口送入爐膛與第一級所產生的煙氣混合，完成整個燃燒過程。空氣分級燃燒主要有軸向分級燃燒、徑向分級燃燒等。 燃料分級燃燒技術又稱為再燃燒技術或三級燃燒技術，將燃燒分成主燃燒區、再燃燒區和燃盡區三個不同區域。主燃燒區內呈氧化性或弱還原性氣氛，會生成NOx；在再燃燒區內，二次燃料被送入爐內，使其呈還原性氣氛，在高溫和還原氣氛下，生成碳氫原子團，該原子團與主燃燒區生成的NOx反應生成N2。 5.1.3 成本評價與分析低氮燃燒技術僅需對鍋爐爐膛設施系統進行改造，只有一次性投資，無運行成本。 5.2 選擇性非催化還原脫硝技術5.2.1 技術特點選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術無需催化劑，在爐膛或煙道合適溫度的位置噴入還原劑（氨或尿素），在一定的溫度范圍內，還原劑將NOx還原為N2。根據還原劑不同，SNCR脫硝技術分為尿素—SNCR和氨—SNCR兩種。 SNCR 脫硝技術具有工藝簡單、系統阻力小、占地面積小、建設周期短、易于改造等技術特點，脫硝效率一般為30%~50%。 5.2.2 工藝流程與系統組成5.2.2.1 工藝流程 典型的SNCR工藝流程如圖1所示。 5.2.2.2 系統組成 SNCR系統通常由還原劑制備儲存系統、還原劑輸送系統、稀釋/計量模塊、分配模塊、爐前噴射系統、電器控制系統及煙氣在線監測系統組成。 尿素溶液制備儲存系統由尿素儲放、尿素溶液配制和尿素溶液儲存等部分組成，主要設備包括尿素溶解罐、尿素溶液儲罐、尿素溶液輸送泵等。 尿素溶液輸送系統將尿素溶液儲罐內的尿素溶液經輸送泵送至噴射系統，將回流液自動返回尿素溶液儲罐。
圖1 SNCR工藝流程示意圖 稀釋計量模塊為SNCR系統提供定量的還原劑和調節壓力，包括稀釋泵、用于計量的調節閥和流量計、用于控制壓力的控制閥和壓力傳送器等。 分配模塊由自由基座、空氣壓力調節器、還原劑流量表、手動噴射區隔斷閥及儀表組成，用來控制每個噴槍的霧化/冷卻空氣、混合的化學劑和冷卻水的流量。 爐前噴射系統由若干噴射層和噴射器組成，噴射層均布于爐膛燃燒區上部和爐膛出口處，以適應鍋爐負荷變化引起的爐膛煙氣溫度變化。每個噴射器插入爐膛的地方可設套管固定，當噴射器不投運時，可將噴射器從爐膛退出以避免高溫受熱。 電氣控制系統由數據通訊網絡、控制器及現場儀表等組成，分為公用配置控制系統和脫硝工藝控制系統。公用配置控制系統可實現脫硝尿素溶液循環組件、尿素溶液制備、輸送等過程的自動控制。 在SNCR裝置出口應對煙氣進行連續在線監測，監測NOx濃度、O2濃度、煙氣溫度等數據，監測數據反饋至控制系統。 5.2.3 關鍵工藝參數5.2.3.1 還原劑類型 尿素和氨水為SNCR工藝最常用的還原劑，二者的特性詳見表2。 表2 尿素溶液和氨水的特性
選用還原劑時應考慮投資、運行成本和安全等因素。氨水易分解出氨氣，可形成爆炸性氣氛，溫度越高，分解速度越快。若遇高熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸危險。使用氨水作為還原劑時，應采取消防措施和泄露應急方案。尿素作還原劑時，常采用40%~50%的水溶液，需配備攪拌溶解裝置。尿素無毒、揮發性較弱、儲運方便、安全系數高，更適合用作SNCR工藝的還原劑。 5.2.3.2 氨逃逸 氨逃逸會引發諸多不良影響，如生成硫酸銨和硫酸氫銨，造成空預器、煙氣管道、風機等設備的堵塞和腐蝕，同時造成飛灰品質下降，不僅產生空氣污染，也給飛灰的儲存和填埋帶來難題。SNCR氨逃逸應控制在8 mg/m3以下。 5.2.3.3 反應溫度 反應溫度宜控制在800~1100 ℃，反應溫度過低時反應速率較慢，脫硝效率低且易增加氨逃逸，反應溫度過高時會發生副反應，可能產生二次污染物。 5.2.3.4 停留時間 停留時間決定了SNCR反應是否能完全進行，較長的停留時間可保證傳質過程和化學反應的順利完成，有利于脫硝效率的提高。工業鍋爐SNCR反應區停留時間不宜低于0.5秒。 5.2.3.5 氣體混合 噴入的還原劑應與NOx充分混合，混合不充分或混合時間過長會降低脫硝效率和反應選擇性。還原劑與NOx的混合主要通過噴射系統控制，噴射角度和噴射速率對混合效果影響甚大，宜通過流體模擬進行優化設計。 5.2.3.6 氨氮比 SNCR工藝的理論氨氮比為1，增大氨氮比有利于提高脫硝效率，但會增加氨逃逸量和運行費用。氨氮比不宜超過2，宜控制在0.5~1.6。 5.2.4 成本評價與分析SNCR脫硝系統的投資成本分為直接投資成本和間接投資成本，直接投資成本主要包括SNCR系統設備、電氣自控系統、附屬設施、土建、設備運輸及安裝等；間接成本主要包括技術費、設計費、調試費、稅費及其它等。SNCR系統的運行成本包括電費、還原劑耗費、水費、運行管理人工費、設備維護及修理費等。SNCR脫硝系統投資成本一般較低。 5.2.5 工程管理SNCR脫硝工程的設計、施工、驗收、運行和維護參考HJ 563。
5.3 選擇性催化還原脫硝技術5.3.1 技術特點選擇性催化還原（SCR）脫硝技術是指在催化劑的作用下，還原劑（氨等）選擇性地與煙氣中的NOx反應生成N2和H2O的過程。 SCR脫硝工藝占地面積大，但脫硝效率高，一般為80%以上。 5.3.2 工藝流程與系統組成5.3.2.1 工藝流程
圖2 典型SCR脫硝系統工藝流程示意圖 5.3.2.2 系統組成 一套完整的SCR脫硝系統必須包括供氨系統、注氨系統、反應器、吹灰系統、控制系統和煙氣在線監測系統。 供氨系統包括液氨卸料壓縮機、液氨儲存罐、液氨蒸發器、氨緩沖槽、氨稀釋罐等設備，另外還必須備有噴淋設施、廢水泵、廢水池等附屬設施，同時安裝計量和監測儀表。 注氨系統包括稀釋風機、供氨母管及集管和注氨格柵。為保證氨注入煙道的絕對安全以及均勻混合，需要引入稀釋風，將氨濃度降低到爆炸極限以下，一般控制在5%以內。注氨格柵一般采用碳鋼，布置在省煤器出口與催化反應器入口之間的煙道上。反應器主要包括外部框體結構、內部填放的催化劑，是發生脫硝化學反應的場所。吹灰系統用于催化劑的在線清灰，可采用聲波吹灰器或蒸汽/空氣吹灰器。蒸汽吹掃較傳統，可靠性高，應用廣泛。聲波發生器操作時振動或流化飛灰顆粒，并讓煙氣夾帶顆粒流出反應器。催化劑宜分多層設計，每層催化劑上方均應布置吹灰器，用于除去覆蓋催化劑活性表面及堵塞氣流通道的顆粒物。控制系統包括氨氣注入量控制單元、氨氣管線保護單元、風機控制單元、催化反應器保護單元和控制器單元等。控制系統應保證被控制參數不超出允許值。在SCR裝置的出口應對煙氣進行連續在線監測，監測出口NOx濃度、出口O2濃度、煙氣溫度等數據，監測數據反饋至控制系統。 5.3.3 關鍵工藝參數5.3.3.1 還原劑類型 SCR脫硝還原劑通常為液氨、尿素和氨水，三者的對比詳見表3。液氨的投資、運輸和使用成本最低，應用最廣，但具有安全隱患，必須配備嚴格的安全防火措施。尿素具有安全性能高的優勢，在人口密度高、安全要求高的地區宜優先選用。 表3 SCR脫硝還原劑比較
5.3.3.2 催化劑 SCR脫硝系統需使用催化劑，以TiO2為載體、V2O5－WO3（MoO3）等金屬氧化物為活性組分的催化劑應用最為廣泛。脫硝催化劑的選擇依據主要為煙氣工況、灰質特征和脫硝效率，應滿足催化活性、選擇性、使用壽命、外形和尺寸等方面的要求。 常用的脫硝催化劑有蜂窩式、波紋式和板式三種，其中蜂窩式應用最廣。當氣體流速確定時，蜂窩式催化劑的孔間距過大會導致進入催化劑內部的氣體量減少，過小會導致催化劑積灰和堵塞，這兩種情況均會降低脫硝效率。 中毒、燒結、堵塞和磨損會使催化劑活性下降，脫硝效率下降。脫硝效率降低到80%以下宜更換催化劑。對于燃煤鍋爐，脫硝催化劑壽命宜為10000~30000小時，對于燃油或燃氣鍋爐，脫硝催化劑壽命宜超過30000小時。 催化劑的非選擇性行為表現為SO3和N2O的生成。SO3會導致亞微米級的H2SO4酸霧形成，引發藍煙/黃煙，并給機組設備帶來堵塞、低溫腐蝕和高溫結垢等危害；N2O是溫室氣體，且會破壞臭氧層。對于V2O5－WO3（MoO3）/TiO2催化劑，400 ℃以下時N2O生成量極低，SO2/SO3轉化率應控制在1%以內。 5.3.3.3 反應溫度 SCR脫硝催化劑僅在某一特定溫度區間內具有較高活性，1%V2O5－WO3/TiO2催化劑的最佳反應溫度區間為300~400 ℃。催化床層溫度過低時，反應速率降低且氨逃逸量增加，催化床層溫度過高時，催化劑易燒結且會生成N2O，一般要求反應器進口煙氣溫度大于300 ℃。 5.3.3.4 氣體混合 SCR工藝在反應器前的管道內完成氣體混合，應保證注氨格柵與反應器間的管道足夠長，或安裝靜態混合器改善混合效果。 5.3.3.5 停留時間和氣體空速 SCR系統的停留時間是指反應氣體在反應器內停留的時間，增大停留時間可提高脫硝反應速率。停留時間常通過氣體空速來表示，二者呈反向相關，氣體空速宜取5000～15000 h-1。 5.3.3.6 氨氮比 SCR工藝的理論氨氮比為1，氨氮比過高會增加投資成本和運行成本，過低則可能降低脫硝效率，應根據實際需求選定，宜取0.6～1.1。 5.3.3.7 氨逃逸 SCR工藝存在氨逃逸，會因氨逃逸量過大而產生設備堵塞和腐蝕、飛灰品質下降等問題，氨逃逸量應控制在2.5 mg/m3以下。 5.3.3.8 系統壓降 SCR脫硝系統的壓降宜小于1500 Pa，宜通過設置導流板、整流器等措施降低系統壓降。 5.3.4 成本評價與分析SCR脫硝系統投資成本分為直接投資成本和間接投資成本，直接投資成本主要源于SCR系統設備、催化劑、電氣自控、附屬設施、土建、設備運輸及安裝等；間接成本主要包括技術費、設計費、調試費、稅費及其它等。SCR系統的運行成本包括電費、還原劑耗費、水費、運行管理人工費、設備維護及修理費等。SCR工程投資和運行費用相對較高，根據脫硝效率不同，投資費用存在一定差別。 5.3.5 工程管理SCR脫硝工程的設計、施工、驗收、運行和維護參考HJ 562。 5.4 化學吸收技術5.4.1 技術特點化學吸收技術（簡稱化學吸收）通過吸收劑與煙氣中的NOx反應使其凈化，通常可同時去除NOx、SO2、重金屬等污染物，實現多污染物一體化凈化。該技術工程應用脫硝效率一般為40～60%，會產生吸收尾液。 5.4.2 工藝流程與系統組成化學吸收系統主要包括吸收塔、吸收液配置及循環系統、尾液處理系統、電氣控制系統和煙氣在線監測系統。化學吸收技術的典型工藝流程如圖3所示。
圖3 化學吸收工藝流程示意圖 5.4.3 關鍵工藝參數5.4.3.1 吸收劑 常用脫硝吸收劑有尿素、氨水、黃磷乳濁液、高錳酸鉀、漂白粉、雙氧水及其它合成物質等溶液。 5.4.3.2 空塔氣速 吸收塔空塔氣速對吸收效果有重要影響，空塔氣速越小，氣體在吸收塔內停留時間越長，吸收效果越好，但設備尺寸越大、造價越高；空塔氣速太大，吸收效果差。空塔氣速宜取1～4 m/s。 5.4.3.3 液氣比 在一定的液氣比范圍內，脫硝效率隨著液氣比的增加而升高。但液氣比增加，要求循環水泵流量增大，導致系統阻力增大，水泵與風機的功率增大。液氣比宜取1.0～4.0 L/m3。 5.4.4 成本評價與分析化學吸收技術的投資成本分為直接投資成本和間接投資成本，直接投資成本主要包括吸收塔設備、電氣自控、附屬設施、土建、設備運輸及安裝等；間接成本主要包括技術費、設計費、調試費、稅費及其它等。運行成本包括電費、吸收劑耗費、水費、運行管理人工費、設備維護及修理費等。化學吸收技術的成本與吸收劑類型及尾液的處理方法相關。 5.4.5 工程管理采用化學吸收技術時，循環尾液必須進行處理，根據吸收尾液的不同，可采用回收或無害化處理方式，防止造成二次污染。化學吸收法脫硝總體設計、施工與驗收、運行與維護參考HJ 462。 5.5 組合技術低氮燃燒、SNCR、SCR及化學吸收四種單項技術可以組合成低氮燃燒+SNCR、低氮燃燒+SCR、SNCR+SCR、低氮燃燒+化學吸收、SNCR+化學吸收及低氮燃燒+SNCR+化學吸收等組合技術。組合技術可達到更高的脫硝效率，也會增加投資成本，宜根據排放濃度控制需要進行選擇。組合技術應滿足各單項技術的關鍵工藝參數。SCR作為組合技術的一部分時，宜根據排放標準調節催化劑用量。 6 控制技術選用建議低氮燃燒、SNCR、SCR、化學吸收及其組合技術均可作為工業鍋爐NOx的控制技術，各項技術的適用性見表4。基于不同類型工業鍋爐的NOx排放特性差異及各控制技術不同的適用性，表5列出了不同類型工業鍋爐NOx排放控制技術選用建議。控制技術應用后，氮氧化物排放應符合GB 13271、DB44/765的規定或滿足當地環境保護的要求。 表4 工業鍋爐NOx排放控制技術的適用性
表5 不同類型工業鍋爐NOx排放控制技術
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
