SNCR低氮氧化物控制技术及产业化应用

SNCR低氮氧化物控制技术及产业化应用
　  
　  成果概要：本项目成果属于能源科学技术领域，学科分类为锅炉、燃烧及节能减排，所属行业为电力、燃气及水的生产和供应业。本项目开始于2001年，具有显著的经济、社会和环保效益，经过近10年的研发与产业化发展，目前已在国内18台大中小型锅炉上推广应用，所有改造后锅炉氮氧化物排放符合国家标准。本项目针对选择性非催化还原（SNCR）低氮氧化物控制技术及产业化应用过程中的关键科学问题取得了以下主要的科技创新：雾化效果和混合效果兼具的SNCR喷射方法和装置；CFD数值模拟与现场勘察相结合的喷射点确定方法；先进的SNCR工艺流程和在线控制技术。成功研发了具有完全自主知识产权的SNCR高速喷射的气液混合相喷射器（被确认为省级工业新产品）、SNCR长枪及其推进装置（被备案为省级工业新产品研发项目）和蒸汽混合加热式的物料溶解罐等关键设备；相关设备和装置已取得授权发明专利1项，公示发明专利1项，申请发明专利1项、实用新型专利1项。该技术适用于各种大中小型的电站锅炉、工业锅炉和工业窑炉，能高效低成本地实现了节能减排的目的。
　  1 前言和实施背景
　  1.1 公司简介
　  浙江百能科技有限公司是一家专业从事能源与环保领域的技术咨询、工程设计、设备制造、成套、施工、安装、调试和服务等业务的国家高新技术企业，在能源与环境领域站在世界的前沿，为全球客户提供一流的解决方案。百能科技建有博士后科研工作分站及独立的省级中小企业技术中心——浙江百能科技有限公司节能环保技术研究中心，该中心现有核心人员数十人，其中中国工程院院士一人、教授五人、副教授三人、博士后一人、博士二人、硕士三人。
　  百能科技在能源与环境领域与浙江大学合作的多项技术都处于世界领先水平，且经受了上百家国内外客户的验证，如低NOx燃烧、水煤浆燃烧、SNCR（选择性非催化还原）脱硝、SCR（选择性催化还原）脱硝、多元优化动力配煤、化石燃料高效清洁燃烧等技术。“水煤浆代油洁净燃烧技术及产业化应用”获2009年国家科学技术进步二等奖。
　  百能科技业已通过了ISO 9001:2008质量管理体系和ISO14001:2004环境管理体系的认证，是浙江省信息产业厅认定的软件企业，并具有进出口企业资格。 
　  能源与环境是我国国民经济发展的重大问题，能源产业又是我国国民经济发展中的支柱产业之一。百能科技誓以科技创新为己任，我们将运用雄厚的技术实力和良好的开发平台服务于社会，为国家能源与环保建设做贡献！
　  1.2 实施背景
　  进入新世纪以来，中国经济持续高速增长使得能源消耗量大增，已经引起政治、经济以及生态环境等一系列问题，以煤为主的能源消费结构造成了大气环境质量的严重恶化。在煤燃烧利用过程中，燃料中和燃烧空气中的氮被转化成一氧化氮（NO）、氧化亚氮（N2O）和二氧化氮（NO2）等氮氧化物（NOx）。我国氮氧化物排放量巨大，已成为仅次于二氧化硫的大气污染物，对空气质量和地面臭氧浓度的影响越来越大，在大气污染类型出现由煤烟型向汽车尾气型逐渐演变过渡的趋势的同时，氮氧化物已成为空气中的首要污染物。2010年2月6日由中华人民共和国环境保护部、中华人民共和国国家统计局、中华人民共和国农业部三部委联合发布的《第一次全国污染源普查公报》中显示，全国氮氧化物排放总量达到1797.70万吨，其中电力热力行业排放量约占一半。
　  根据2004年起开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》，燃用Vdaf>20%以上煤种的2004年以后新建、扩建电厂执行<450mg/m3的NOx排放标准，且新建燃煤机组均要求配置低NOx燃烧器并预留脱硝场地。近年来我国新投产的大容量机组锅炉的燃烧器几乎都采用了低NOx燃烧器，但效果不太理想，NOx排放仍居高不下。对于2004年以前所建的电厂，NOx排放量非常大，可达1000mg/Nm3以上，满足不了新标准的要求。2003年7月1日开始执行的《排污费征收使用管理条例》中也规定，氮氧化物2004年7月1日起按每一污染当量0.63元收费，这表明我国开始采用经济杠杆来强化NOx排放的控制治理力度并迫切需要开发一种大型电站锅炉的氮氧化物综合控制技术来实现NOx排放的低成本控制治理。
　  改革开放30年，浙江经济发展令人注目，从1978年全国第12位跃升到2009年第4位，已经成为一个名副其实的经济大省，但经济发展的同时所付出的能源和环境的代价，与以人为本，全面、协调、可持续的科学发展观的要求还有很大差距。截止2005年底，浙江单机6000千瓦以上电厂总装机容量为2854.78万千瓦，其中火电占70.5%，计2012.38万千瓦，预计到2010年底，浙江单机6000千瓦以上电厂总装机容量将达到6980万千瓦左右，其中火电近4886万千瓦，在火电当中，燃气发电所占比例微乎其微，绝大部分为煤电。据统计2007年浙江省火电煤需求量约5000万吨，到2010年，预计将达到8000万吨。在燃烧这些煤发电时，每年将向大气排放氮氧化物约35万吨，形成严重的环境污染，与建设“绿色浙江”是相违背的，因此氮氧化物的治理已成为我省今后大气污染治理的重中之重。
　  1.3 国内外研究现状及发展趋势
　  目前国内外控制NOx排放技术大致分为两类：一类是低NOx燃烧技术，即通过锅炉运行方式的优化或者对燃烧过程进行控制，抑制燃烧过程中NOx的生成反应，从而降低NOx的最终排放浓度。另一类是烟气脱硝技术，即把已生成的NOx还原为N2，从而脱除烟气中NOx，主要有选择性非催化还原技术SNCR和选择性催化还原技术SCR。
　  SNCR技术是在870℃～1,200℃，将氮还原剂（一般是氨或尿素）喷入烟气中，将NO还原，生成氮气和水。它与选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术不同，SCR由于使用了催化剂，因此可以在低得多的温度下脱除NOx。两种方法都是利用氮还原剂对NOx还原的选择性，以有效的避免还原SNCR还原剂与富氧烟气中过量的氧气反应，因此称之为选择性还原方法。两种方法的化学反应原理相同，其差异在于其氮还原剂喷入的场合：SNCR是在高温的炉膛上部区域或对流烟道喷入，而SCR则将氮还原剂喷入布置在低温的催化反应塔内。
　  最初的SNCR技术出现在20世纪70年代中期的日本，一些燃油、燃气电厂开始使用氨气喷射的SNCR。欧盟国家从80年代末开始，在一些燃煤电厂、燃煤供热锅炉、焚烧炉和小型可移动锅炉上应用了SNCR技术。美国的SNCR技术应用从90年代初开始，发展迅速，其中不乏一些大容量的600MW电站锅炉。近年SNCR技术在捷克、韩国、台湾等地都有发展应用。由于美国电力行业的业主认为，脱硝最佳目标不是得到最低的NOx排放，而是以最低成本符合排放要求。因此近20年来SNCR技术在美国得到大量推广应用，美国据美国能源部NETL估计，到2010年，美国还会有208台锅炉使用SNCR脱硝技术，总容量将达到12.8 GW。而在我国还没有电站锅炉应用SNCR技术的示范点。
　  1.4 公司SNCR技术发展历程
　  公司以“诚信和谐、卓越发展、清洁能源、服务社会”为质量方针，先于国家标准的发布时间，敏锐地发现潜在市场，将SNCR低氮氧化物控制技术及产业化应用作为重要的研究方向，以达到企业经济效益和节能减排社会效益的双赢。
　  SNCR低氮氧化物控制技术的研究始于2001年，2004年开始应用于中电国华电力股份有限公司北京热电分公司4台410t/h燃煤锅炉上，至今已在中电国华电力股份有限公司北京热电分公司、广州瑞明电力股份有限公司、南海江南发电有限公司、珠江啤酒有限公司、海拉尔华能伊敏煤电有限责任公司海拉尔热电厂等多家企业的18台大中小型锅炉上推广应用，所有改造后锅炉氮氧化物排放符合国家标准。在国内锅炉烟气脱硝行业占有主导低位。该技术除了适用于各种大中小型的电站锅炉，也适用于工业锅炉和工业窑炉，能高效低成本地实现节能减排的目的。
　  2 成果内涵和具体做法
　  2.1 关键技术及创新点
　  SNCR技术的关键问题在于以下3个部分：
　  （1）喷射点——温度窗口和停留时间；
　  （2）喷射器——雾化混合；
　  （3）先进的喷射控制策略；
　  因此主要创新点在于以下4个方面：
　  （1）还原剂的高速雾化喷射方法和装置；
　  （2）SNCR技术的工艺设计；
　  （3）炉内燃烧变动对SNCR技术的影响；
　  （4）氨残余问题的控制；
　  2.2 实施的具体内容和技术路线
　  2.2.1 实施具体内容
　  在SNCR技术设计和应用中，影响脱硝效果的主要因素有很多，包括：1）温度范围；2）合适的温度范围内可以停留的时间；3）反应剂和烟气混合的程度；4）未控制的NOx浓度水平；5）喷入的反应剂与未控制的NOx的摩尔比－NSR；6）气氛（氧量、一氧化碳浓度）的影响；7）氮剂类型和状态；8）添加剂的作用；
　  为了最大程度的提高脱硝效率，本项目需要进行以下研究：
　  （1）进行SNCR机理研究：研究有效温度区间和温度影响趋势；研究在合适温度下的不同还原剂的试验结果，尿素与氨的对比效果；研究初始浓度的影响；从化学反应机理角度研究SNCR过程；不同温度下SNCR反应的模拟；在合适的温度范围内停留的时间，在合适的温度范围内停留的时间应该包括物理混合时间和化学反应时间；进行喷氨水试验；
　  （2）还原剂与烟气充分混合问题：还原剂喷射方法、喷射器开发和优化设计；
　  （3）不同燃烧条件下的炉内温度场、流动场特征；
　  （4）小流量射流与大流量烟气的交叉流动混合:喷射器布置格局优化、混合效果评价；
　  （5）SNCR技术在线控制理论和优化策略；
　  （6）氨残余问题以及氨残余问题的解决办法：空预器因氨盐沉积引起的腐蚀、流阻增加问题，控制飞灰含氨量、高氨飞灰处理利用方法等；
　  （7）SNCR技术的整体工艺；
　  2.2.2 技术路线
　  从实验室基础研究，结合理论计算分析，通过工业性试验，最终达到工业应用的目的。
　  先在实验室借助先进的仪器和建立小型试验台架，对上述各项科学问题和技术问题进行基础研究，同时利用数值计算技术和建立理论模型，对现实的技术问题进行理论模拟计算，对炉内燃烧和各种还原剂还原NO进行有效联合研究，对燃烧器的结构参数和炉内燃烧组织进行优化设计，研究指定优化运行策略，完成工业应用示范。具体步骤包括：
　  （1）搭建试验台
　  1）SNCR小型试验台：小型沉降炉试验台架；内径50mm，长1m；电加热最高温度达1450℃；采用蠕动泵精确均匀进样（最小控制精度6ul/min）；由液化石油气与氨气混合燃烧生成所需的模拟烟气，经冷却后从炉膛上部送入；尾部采用罗斯蒙特CEMS在线烟气分析仪；
　  2）搭建高级再燃实验装置；
　  3）搭建射流与气流混合试验台。
　  （2）进行CFD数值计算和建立CFD理论模型
　  （3）进行基础理论研究
　  （4）进行结构优化设计
　  SNCR喷射器的研发，研究不同的喷嘴型式、不同喷嘴的雾化细度，经过对不同喷嘴型式试验结果对比，确定采用哪种型式的喷嘴具有更好的脱硝效果。
　  （5）研究控制策略
　  1）根据排烟处NOx浓度、锅炉负荷、和NH3的浓度（先不考虑空预器压降）控制喷入尿素溶液流量和尿素溶液浓度，即纯尿素的量；
　  2）尿素溶液流量和浓度是互相挟制的量，设计时均有一个最大值和最小值。为保证喷射效果，两者在一定纯尿素的量的情况下自动优化（优化策略可人工设置改动）；
　  3）根据锅炉负荷、炉膛出口温度远程电动控制喷射层的投运情况；
　  4）喷射层的雾化蒸汽和尿素溶液的投运联锁；
　  5）溶液配制系统的必要联锁、安全保护等。
　  （6）形成技术方案，最终形成工业应用示范
　  1）系统组成；
　  2）进行系统的自动化设计；
　  3）确定还原剂种类，采用喷射型式。喷枪配置自动推进装置，以实现自动投运和退出；
　  4）根据不同用户要求，形成可以进行简化以节约成本的方案，也可以进一步细化以提高效果；
　  （7）产业化应用推广
　  以示范工程为口碑，积极推荐潜在用户到示范工程现场视察，介绍技术特点，工艺流程，现场运行的实际脱硝效果等，最终实现产业化应用推广。
　  2.2.3 实施方式
　  以我公司为项目负责单位，以技术合作单位浙江大学热能工程研究所为技术负责单位，双方分工合作，联合开发，技术成果产权明晰。
　  2.3 知识产权
　  2.3.1 专利
　  （1）再燃氮氧化物的燃煤锅炉装置，发明专利（2008.7.9授权），浙江百能科技有限公司，专利号：200510061122.2。专利实施许可合同的备案，合同备案号：2008330000569。
　  （2）高速喷射的气液混合相喷射器，浙江大学，杭州百能科技有限公司，申请号200910095347.8。
　  （3）燃煤锅炉SNCR和SCR联合脱硝的实现方法，发明专利，浙江大学、浙江百能科技有限公司，申请号：201010305583。
　  （4）蒸汽混合加热式的物料溶解罐，实用新型，浙江百能科技有限公司，广州宇阳电力科技有限公司，广州瑞明电力股份有限公司，浙江大学，申请号：2010201460404。
　  2.3.2 省级工业新产品
　  公司的“选择性非催化还原（SNCR）气力雾化喷嘴”被确认为省级工业新产品。证书编号：20090219。
　  2.3.3 科技成果登记
　  公司的“选择性非催化还原（SNCR）气力雾化喷嘴”登记为浙江省科学技术成果。登记号：09001363。
　  2.4 主要业绩
　  （1）中电国华北京热电分公司4台HG410/98—YM15型410t/h燃煤锅炉实施SNCR脱硝项目。
　  （2）广州瑞明电厂2台125MW机组锅炉实施SNCR脱硝项目。
　  （3）南海江南发电有限公司5台130 t/h 煤粉锅炉SNCR脱硝项目。
　  （4）珠江啤酒有限公司2台 75 t/h 煤粉锅炉SNCR脱硝项目。
　  （5）海拉尔华能伊敏煤电有限责任公司海拉尔热电厂2台670 t/h煤粉锅炉SNCR脱硝项目。
　  （6）湖州南太湖环保能源有限公司2号垃圾焚烧炉(400t/h)SNCR脱硝项目。
　  （7）亚东石化(上海)有限公司（台资）100t/h水煤浆炉SNCR脱硝项目（预留设计）。
　  3 成果推广实施的效益
　  3.1 经济效益
　  本项目研发的技术应用前景广大，将带来巨大的直接和间接经济效益。SNCR技术将像目前的脱硫技术一样，形成一个巨大的环保行业，促进国民经济健康、快速发展。项目达产后每年约可新增销售收入1100万元，年净利润210万元，年缴税188万元，投资利润率达42%。
　  除此之外，本项目的实施符合国家大力发展循环经济的政策，开发、引进本项目的企业也必将在资金、技术等方面得到国家的重点支持，从而实现较快发展。
　  3.2 社会效益
　  2010年是我国贯彻落实科学发展观、应对国际金融危机冲击、巩固和发展经济企稳回升势头的关键一年。此项目的实施不仅可以减少NOx排放，缓解我国大气污染和减少酸雨，提高人民身体健康和生活质量，而且能产生巨大的经济效益。通过做好节能环保经济重点建设项目，将“国际金融危机形成的倒逼机制转化为促进经济转型升级的动力”，实现经济发展方式的转变，为国家建设资源节约型、环境友好型社会作出贡献。
　  在此列举两个我公司SNCR脱硝技术的成功应用：
　  （1）对中电国华北京热电分公司4台HG410/98—YM15型410t/h燃煤锅炉实施SNCR脱硝技术改造。改造后，锅炉实际NOx排放量由300mg/Nm³降低到150—180mg/Nm³,脱硝率超过40%。
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