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锅炉废气处理工艺(中小燃油气锅炉烟气超低排放技术)

近几年来国家对固定污染源的污染物排放治理力度持续加大,大部分省市均已修订出台了更严格的排放标准。中小燃油(气)锅炉作为固定污染源其中一大类,数量多、分布面广,其污染物排放呈现“单体排放量小但总量不小”的特点,约占固定污染源排放总量的20%,因此,需加大治理力度,各地政府和环保部门都给予了高度的重视。北京市率先采取行动,于2013年推出“2013-2017年清洁空气行动计划”,于2015年发布并实施北京市《锅炉大气污染物排放标准》(DB 11/139-2015),以奖代补的管理办法鼓励燃气(油)锅炉业主单位开展低氮改造工作,DB11/139-2015标准要求:(1)新建锅炉NOx排放浓度≤30 mg/Nm3;(2)高污染燃料禁燃区内的在用锅炉NOx排放浓度≤80 mg/Nm3;(3)高污染燃料禁燃区外的在用锅炉NOx排放浓度≤150 mg/Nm3。综合来看,相比GB 13271-2014和北京市原2007年实施的DB 11/139-2007标准,NOx排放浓度削减幅度超过60%。

紧随其后,上海、天津、河北和浙江等省市也陆续开展对燃油(气)锅炉的提标改造,其中上海市要求所有登记在册的中小燃油(气)锅炉需在新标准实施前完成提标改造并要求全工况下达标排放;否则,一旦在新标准实施后仍不能达标排放的企业,环保部门将处以10~100万元(按日计罚),可见处罚力度之大。

表1 我国部分省市燃油(气)锅炉的NOx排放标准(mg/Nm3

备注:(1)锅炉容量

(2)锅炉容量>14t/h(14MW);

(3)本市外环线外的其他锅炉;

(4)本市外环线内的其他锅炉。

中小燃油(气)锅炉烟气污染物主要包含氮氧化物、二氧化硫、颗粒物和黑度。对于管道天然气、瓶组液化气或来自正规渠道的燃油(如国五或国六柴油),正常燃烧工况下锅炉烟气中的二氧化硫、颗粒物和黑度均能达标排放,但氮氧化物仍达不到超低排放要求。因此必须研究出一种新型适用于中小燃油(气)锅炉烟气超低排放的工艺技术路线,对中小燃油(气)锅炉烟气处理技术进行升级改造,使其达到国家环保的超低排放要求。目前治理改造氮氧化物的技术路线主要有:锅炉低氮燃烧技术、烟气后处理等方式。

锅炉低氮燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度、减少热力型NOx生成开展的,同时考虑通过初期快速混合以减少快速型NOx生成。技术主要包括分级燃烧、烟气再循环、表面燃烧、水冷预混等,燃烧器生产厂家依据上述原理生产制造出不同类型的低氮(超低氮)燃烧器。鉴于上述低氮燃烧技术本身的“天花板”问题即难以获得超过50%的脱硝效率,因此,对于燃气锅炉,通过更换低氮燃烧器可将氮氧化物排放浓度控制在50 mg/Nm3以下,但并不是所有品牌的低氮燃烧器都能将氮氧化物排放浓度控制在50 mg/Nm3以下,并且在全工况下,低氮燃烧器很难持续稳定控制氮氧化物排放浓度低于30 mg/Nm3。以北京为例,锅炉低氮改造项目按政策规定在75%及以上负荷工况下能达标即可通过验收,但环保部门通过对锅炉在中、小负荷工况下不同品牌低氮燃烧器的使用情况进行数轮抽检,结果显示氮氧化物排放情况并不理想。

对于燃油锅炉,通过更换低氮燃烧器,理论上可使氮氧化物排放浓度降至50~80 mg/Nm3左右,实际上稳定达到50 mg/Nm3还是有困难的,至于50 mg/Nm3以下则无法实现。另外,部分锅炉也不适用低氮燃烧器或采用某些低氮技术,如中心回燃锅炉因炉膛短不宜更换低氮燃烧器;大吨位(>4t/h或2.8MW)锅炉不适用全预混燃烧器等。否则极易发生安全事故。

因此,燃气锅炉的低排放(3)和燃油锅炉的达标排放(3)通过哪种技术手段解决?更为理想的是,如既能做到达标减排又可经济节能(余热利用),那无疑将是最佳的技术路径。

 浙江、江苏等地的近三百台燃油(气)锅炉的烟气分析和检测,发现燃油(气)锅炉的烟气以及氮氧化物的排放有如下特点:

1、排烟温度低,燃烧工况不稳定,燃油(气)锅炉分为承压锅炉和热水锅炉。热水锅炉排烟温度较低,都在140℃左右,最低达120℃。近几年随着节能器(冷凝器)的安装使用,承压锅炉的排烟温度也普遍降至170℃以下,烟气余热得到较好的回收利用,同时也满足运行工况性能考核指标(排烟温度)要求。

2、进口锅炉的燃烧工况比国产锅炉好,能效高,但炉膛较短。

3、燃气锅炉烟气中的氧含量通常比燃油锅炉的低。

4、氮氧化物浓度波动大,管道天然气为燃料的燃气锅炉的NOx约100~150 mg/Nm3;使用国五或国六柴油的燃油锅炉的NOx约在200 mg/Nm3,实际检测中最高值达到480 mg/Nm3;瓶(装)组液化气为燃料的燃气锅炉介于前二者之间,约为120~180mg/Nm3

针对燃油(气)锅炉的烟气以及氮氧化物的排放特点,低氮燃烧器无法解决燃气锅炉的低排放(3)和燃油锅炉的达标排放(3)问题,只有低温SCR脱硝技术才可以实现“超低排放”且长期稳定,运行费用低,能源消耗低,达到节能减排要求。

SCR脱硝技术按温度区间可分为中高温(300~420℃)、中低温(220~280℃)、低温(120~260℃)等几种。根据燃油(气)锅炉的排烟温度,中高温和中低温SCR技术需将烟气升温至所需反应温度,将是耗能减排的方式,运行成本高,非常不经济,因此不建议采用。而低温SCR技术则吻合锅炉的烟气条件,利用锅炉的余热在催化剂的作用下还原烟气中的氮氧化物,能真正做到节能型减排,是理想的锅炉低氮改造技术路线。但要在烟气温度低至120℃的条件下,保证脱硝效果并稳定达标排放,对低温SCR脱硝技术的要求非常高,难度相当大。国内外鲜有对低温SCR技术在120℃~150℃烟温长期运行的报道,也从另一方面说明该技术的研发难度之高。

SCR脱硝技术的核心是催化剂,催化剂性能的好坏直接关系到脱硝项目的成功与否。在120℃烟气条件下,传统的钒钛系催化剂已基本丧失活性,已无法通过传统催化剂的作用使烟气中的氮氧化物还原成N2+H2O。要解决这一难题,必须要在催化剂的研发上有创新性的技术突破。

 

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