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新疆黑山煤炭化工有限公司 新疆 烏魯木齊 831400

引言

依據(jù)煤氣鍋爐實際情況,闡述影響鍋爐排放煙氣中SO2、NOx濃度的因素。在實踐中采取調(diào)整鍋爐高、焦?fàn)t煤氣流量配比以及上、下層燃燒器間煤氣空氣比例等措施,滿足國家對煤氣鍋爐排放煙氣中SO2、NOx濃度的環(huán)保要求。

1 燃?xì)忮仩t低氮燃燒的必要性

近年來,隨著我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,使國民經(jīng)濟(jì)水平獲得大幅度提升,與此同時,也對生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞,各大城市的霧霾現(xiàn)象日益加重,該現(xiàn)象引起社會各界的廣泛關(guān)注。業(yè)內(nèi)的專家學(xué)者經(jīng)過不斷研究后發(fā)現(xiàn),在霧霾的成因中,氮氧化物(NOx)是一個至關(guān)重要的因素,為有效解決霧霾問題,必須從控制NOx排放入手。在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整的過程中,燃煤鍋爐的比例有所減少,但燃?xì)忮仩t的用量卻不斷增大,燃?xì)忮仩t以天然氣作為主要燃料,天然氣燃燒產(chǎn)生的煙氣中含大量的NOx。為使燃?xì)忮仩tNOx的排放達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求,必須采取低氮技術(shù)。

2 影響煙氣中SO2和NOx濃度的因素及控制方法

2.1 影響SO2濃度的因素及控制方法 經(jīng)測算,高爐煤氣中SO2含量很低,一般在3～5mg/m3,可忽略不計。因此依據(jù)焦?fàn)t煤氣中H2S的含量來控制參與燃燒的高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣的流量配比,就可以控制排放煙氣中SO2的濃度。由式(1)計算,1m3焦?fàn)t煤氣充分燃燒,生成的SO2的質(zhì)量為1.88×CH2Smg,其中CH2S是焦?fàn)t煤氣中H2S含量(mg/m3)。2H2S＋3O2＝2SO2＋2H2O根據(jù)實際煤氣成分和充分燃燒含氧量(3%),理論計算(略)煙氣量為：1m3焦?fàn)t煤氣充分燃燒,產(chǎn)生的煙氣量為5.67m3(CO2、H2O、N2、O2和SO2等)；1m3高爐煤氣充分燃燒,產(chǎn)生的煙氣量為1.59m3(CO2、H2O、N2和 O2等)；當(dāng)1m3焦?fàn)t煤氣(H2S含量為 CH2S)和nm3高爐煤氣(配比)充分燃燒,則煙氣中SO2濃度為1.88CH2S/(5.67＋1.59n)mg/m3。因焦化脫硫運行有時不太穩(wěn)定,焦?fàn)t煤氣中H2S含量在200～4000mg/m3之間變動。依據(jù)鍋爐煙氣中SO2排放標(biāo)準(zhǔn),焦?fàn)t煤氣中不同H2S含量對應(yīng)的高、焦?fàn)t煤氣流量配為煤氣鍋爐燃燒調(diào)整控制SO2排放的參考依據(jù)。1.88×CH2S/(5.67＋1.59n)＜100(n＞0)。

2.2 影響NOx濃度因素及控制方法

2.2.1 煤氣燃燒生成NOx的影響因素 燃燒生成的NOx,通常有以下三種途徑。(1)燃燒時空氣中所含氮氣和氧氣在高溫狀態(tài)下生成NO,稱為溫度NOx。影響溫度NOx生成的原因主要有三個：①燃燒溫度。隨著燃燒溫度的上升,NOx的生成量呈數(shù)量級上升。溫度NOx主要生成于燃燒溫度1500K以上。②在燃燒區(qū)域的氧氣濃度。隨著空氣系數(shù)增大,即氧氣濃度增加時,NOx的生成量急劇上升；反之,NOx的生成量急劇下降。③燃燒氣體在高溫區(qū)域的滯留時間。隨著滯留時間的增加,NOx的生成量增加。(2)燃料中所含各種氮化合物的一部分在燃燒時氧化生成NO,稱為燃料NOx。燃料NOx的生成量與燃料中所含氮化合物的多少有直接關(guān)系,同時,與燃燒時火焰溫度、氧氣濃度等因素有關(guān)。煤氣中的氮優(yōu)先轉(zhuǎn)化為HCN和NH3,HCN和NH3再經(jīng)過一系列反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NOx。(3)快速型NOx。由于煤氣中的碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基可以和空氣中的氮氣反應(yīng)生成HCN和N,再進(jìn)一步和氧氣作用以極快的速度生成NOx。此類型產(chǎn)生的NOx的量很小,不是主要來源。

2.2.2 煤氣燃燒生成NOx的控制方法 如今主要采用低NOx燃燒器(含自身再循環(huán)低NOx燃燒器、二次或多次燃燒型低NOx燃燒器、濃淡燃燒型低NOx燃燒器等)、排煙再循環(huán)、噴水或噴汽等燃燒改善方法,以及燃料脫硝等燃料改善方法,降低NOx的產(chǎn)生。考慮現(xiàn)有的燃料、燃燒設(shè)備和排煙中NOx濃度超標(biāo)嚴(yán)重的情況,采用下列方法降低溫度NOx濃度比較經(jīng)濟(jì)、可靠。(1)煤氣爐爐膛出口煙溫設(shè)計為900℃,實際運行小于840℃,總體燃燒溫度不是很高,因此采取降低燃燒溫度來減少溫度NOx的生成不做重點考慮,但應(yīng)做到兩側(cè)爐膛出口煙溫均勻(小于30℃),爐膛兩側(cè)出口煙溫均不許超過900℃,避免局部燃燒溫度過高。(2)依據(jù)溫度NOx生成的原理,將空氣進(jìn)行分級送入,在下層燃燒器采取小空燃比,形成缺氧還原燃燒氣氛,降低該燃燒區(qū)域的氧氣濃度；在上層燃燒器采取大空燃比,形成氧化燃燒氣氛,保證燃燒充分。

3 低氮技術(shù)及其在燃?xì)忮仩t中的運用

3.1 煙氣再循環(huán) 這是一種能夠有效抑制氮氧化物排放的技術(shù)措施,煙氣再循環(huán)的技術(shù)原理如下：在燃?xì)忮仩t的空氣預(yù)熱器前,將部分溫度較低的煙氣抽取出來,可將這部分煙氣直接送入到爐膛內(nèi),也可與一次或是二次風(fēng)進(jìn)行混合后,再送入到爐膛內(nèi),由此不但能夠使鍋爐燃燒的溫度大幅度降低,并且還能使氧氣的濃度隨之降低,氮氧化物的濃度顯著降低。煙氣再循環(huán)率是該方法中一個重要的技術(shù)指標(biāo),它是再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時的煙氣量之比。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),當(dāng)煙氣再循環(huán)率為15－20%時,能夠使鍋爐氮氧化物的排放濃度降低25%左右。這種方法既可以單獨用于燃?xì)忮仩t,也可與其它低氮燃燒技術(shù)配合使用。

3.2 預(yù)混技術(shù) 這是一種將鍋爐燃燒所需的天然氣和空氣按照設(shè)定好的比例進(jìn)行預(yù)先混合,然后將混合好的氣體直接送入到燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒的方法。該技術(shù)最為突出的特點是火焰的長度較短,可以使燃燒變得更充分,熱效率非常高,可以達(dá)到105%以上,由此使得鍋爐燃燒過程中的熱損失大幅度降低。全預(yù)混技術(shù)能夠?qū)θ細(xì)忮仩t氮氧化物的排放量進(jìn)行有效地控制,基本原理如下：火焰在爐膛內(nèi)會沿著金屬纖維的表面均勻分布,由此可使?fàn)t膛內(nèi)溫度場的分布變得更加均勻,這樣一來,局部的熱負(fù)荷隨之顯著降低,同時,過量空氣可以起到降低火焰溫度的作用,隨著燃燒溫度的降低,熱力型氮氧化物的濃度也會隨之降低。實際應(yīng)用結(jié)果顯示,采用全預(yù)混技術(shù)的燃?xì)忮仩t,氮氧化物的排放量在30mg/m3以下。雖然這種方法在降低氮氧化物排放量方面的效果比較顯著,但是卻會導(dǎo)致清理維護(hù)的工作量增大,在具體應(yīng)用時,需要對此予以注意。

結(jié)語

針對以高爐和焦?fàn)t煤氣為燃料的鍋爐,煙氣中SO2主要來源為焦?fàn)t煤氣中的H2S?？梢砸罁?jù)焦?fàn)t煤氣中不同H2S含量,調(diào)整高、焦?fàn)t煤氣配比,控制煙氣中SO2的含量。針對鍋爐煙氣中NOx含量超標(biāo)不嚴(yán)重的情況,下層燃燒器采取小空燃比,形成缺氧還原燃燒氣氛；在上層燃燒器采取大空燃比,形成氧化燃燒氣氛,減少煙氣中NOx的含量。但應(yīng)做到兩側(cè)爐膛出口煙溫均勻(小于30℃),爐膛兩側(cè)出口煙溫均不超過900℃,避免局部燃燒溫度過高。