摘 要:在燒結(jié)過(guò)程中由于燃料的燃燒產(chǎn)生大量的氮氧化物,通過(guò)改變?nèi)紵龡l件可以控制NOx的生成,這種技術(shù)稱為低NOx燃燒技術(shù);但這種技術(shù)NOx降低率不高,一般不超過(guò)75%,要進(jìn)一步降低NOx的排放,就必須采用煙氣脫硝技術(shù)。通過(guò)多種脫硝技術(shù)的比較,本文分別從反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)過(guò)程、反應(yīng)使用的催化劑及還原劑、影響因素等幾個(gè)方面重點(diǎn)分析了比較成熟的SCR(選擇性催化還原)技術(shù)。
關(guān)鍵詞:燒結(jié) 氮氧化物 SCR
中圖分類號(hào):TQ51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-3791(2012)05(b)-0106-01燒結(jié)過(guò)程是一個(gè)高溫燃燒條件下的復(fù)雜物理、化學(xué)過(guò)程,在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中產(chǎn)生SO2、NOx、HCl、HF、CO2、CO、二惡英等多種污染物和粉塵的廢氣。煙氣脫硝將是繼煙氣脫硫之后國(guó)家控制大氣污染物排放的又一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視,“十二五”期間,煙氣脫硝將逐步大力開展。
1 燒結(jié)過(guò)程中氮氧化物的生成
氮氧化物是指空氣中主要以一氧化氮和二氧化氮形式存在的氮的氧化物。其中占主要成分的是NO和NO2,一般將兩者統(tǒng)稱為以氮氧化物,用NOx表示。
鋼鐵廠燒結(jié)過(guò)程中的NOx主要來(lái)源于燒結(jié)過(guò)程中燃料的燃燒。一般情況下燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是NO和NO2,這二者統(tǒng)稱為NOx,在低溫條件下燃燒還會(huì)產(chǎn)生一定量的N2O。燃燒過(guò)程中生成NOx的種類和數(shù)量除了與燃料性質(zhì)相關(guān)外,還與燃燒溫度和過(guò)量空氣系數(shù)等燃燒條件密切相關(guān)。
2 燃燒過(guò)程中降低NOx排放技術(shù)
降低燃燒過(guò)程中NOx排放技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究和應(yīng)用。目前,降低NOx排放技術(shù)可以分為低NOx燃燒技術(shù)和煙氣處理降低NOx技術(shù)兩大類。通過(guò)NOx的生成機(jī)理可以發(fā)現(xiàn),燃燒條件對(duì)NOx的生成和排放有很大影響,適當(dāng)調(diào)整燃燒條件,就有可能減少NOx的生成和排放。通過(guò)改變?nèi)紵龡l件來(lái)控制NOx生成的技術(shù)稱為低NOx燃燒技術(shù)。
3 選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)
采用改進(jìn)燃燒技術(shù)來(lái)控制NOx的效果比較好,并且投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用都較低,但NOx降低率不高,一般不超過(guò)75%,要進(jìn)一步降低NOx的排放,就必須采用煙氣脫硝技術(shù)。煙氣脫硝技術(shù)按照脫除原理可以分為催化分解、催化還原、非催化還原、吸收法、吸附法、電子束法等,按照工作介質(zhì)可以分為干法和濕法兩種;SCR脫硝技術(shù)由于其效率高,選擇性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛,其應(yīng)用范圍包括:電廠鍋爐,工業(yè)鍋爐,化工廠和鋼鐵廠等企業(yè)。SCR脫硝裝置現(xiàn)在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
3.1?SCR脫銷機(jī)理
目前對(duì)于固定源煙氣中NO的還原主要采用以NH3為還原劑的SCR方法。在沒(méi)有催化劑的條件下,NO與NH3的反應(yīng)溫度區(qū)間在900℃～1100℃之間。通過(guò)使用催化劑,反應(yīng)溫度大大降低,上述反應(yīng)可在300℃～450℃之間進(jìn)行。在有過(guò)量O2存在的條件下,在NH3/NO摩爾比為1的情況下,脫硝效率可以達(dá)到90%。
3.2?SCR反應(yīng)機(jī)理
現(xiàn)在人們普遍認(rèn)同在SCR反應(yīng)中,NO通過(guò)下面反應(yīng)生成N2:
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
3.3?SCR催化劑
SCR常用有三種催化劑:貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑和沸石催化劑。貴金屬催化劑早在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開發(fā)出來(lái),這種催化劑對(duì)NOx的選擇性非常有效,但同時(shí)這種催化劑對(duì)NH3的氧化也有催化作用,因此在SCR工藝中,貴金屬催化劑很快被金屬氧化物催化劑所取代,目前商業(yè)應(yīng)用的一些貴金屬催化劑兼有NOx還原催化和CO氧化催化兩種功能。
目前,工業(yè)SCR中應(yīng)用的催化劑主要是采用負(fù)載在TiO2上的V2O5-WO3或者V2O5-MoO3作為催化劑。
3.4?SCR反應(yīng)過(guò)程主要步驟
(1)反應(yīng)物NOx、NH3和O2等從煙氣中擴(kuò)散至催化劑的外表面(外擴(kuò)散)。
(2)反應(yīng)物NOx、NH3和O2進(jìn)一步向催化劑中的微孔表面擴(kuò)散(內(nèi)擴(kuò)散)。
(3)反應(yīng)物NH3等在催化劑表面吸附(吸附)。
(4)反應(yīng)物在催化劑表面活性中心進(jìn)行反應(yīng),NO與NH3反應(yīng)生成N2和H2O(表面化學(xué)反應(yīng))。
(5)反應(yīng)生成物N2和H2O從催化劑表面上脫附到微孔內(nèi)(解吸附)。
(6)脫附下來(lái)的H2O和N2從微孔內(nèi)向外擴(kuò)散到催化劑外表面(內(nèi)擴(kuò)散)。
(7)H2O和N2從催化劑外表面擴(kuò)散到主流氣體中被帶走(外擴(kuò)散)。
研究表明SCR脫硝反應(yīng)控制步驟為(3)和(4),NH3在催化劑表面的吸附是SCR反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。
3.5?SCR工藝流程
SCR脫硝反應(yīng)系統(tǒng)在火電廠置于鍋爐之后,其布置方式有三種,即高溫高塵布置方式、高溫低塵布置方式以及低溫低塵布置方式;大多數(shù)工業(yè)上大多采用高溫高塵布置方式;后兩種方式因?yàn)檫\(yùn)行困難、可靠性不高以及增加能源消耗等原因,現(xiàn)在一般不采用。
3.6?SCR工藝選擇
SCR脫硝工藝中最常見的還原劑有液氨、尿素和氨水。還原劑不同,SCR脫硝工藝也會(huì)有所不同,尿素法是先將尿素固體顆粒在容器中完全溶解,然后將溶液泵送到水解槽中,通過(guò)熱交換器將溶液加熱至反應(yīng)溫度后與水反應(yīng)生成氨氣;氨水法,是將25％的含氨水溶液通過(guò)加熱裝置使其蒸發(fā),形成氨氣和水蒸汽;純氨法是將液氨在蒸發(fā)器中加熱成氨氣,然后與稀釋風(fēng)機(jī)的空氣混合成氨氣體積含量為5％的混合氣體后送入煙氣系統(tǒng)。
利用液氨作為還原劑的SCR脫硝系統(tǒng)由SCR催化反應(yīng)器、氨儲(chǔ)存及供應(yīng)系統(tǒng)、氨噴射系統(tǒng)、空氣供應(yīng)及相關(guān)的測(cè)試控制系統(tǒng)等組成。
與以液氨為還原劑的SCR脫硝工藝比較,以尿素或氨水為還原劑的SCR工藝僅僅是氨氣的制備方式不同,其余部分均相同。
用氨水作為還原劑時(shí),可以在安全方面較無(wú)水液氨得到較大改善。氨水儲(chǔ)罐可以設(shè)計(jì)成非耐壓型的錐頂罐,與無(wú)水液氨的耐壓儲(chǔ)罐相比,可以節(jié)約大量費(fèi)用。同時(shí)由于氨水上方NH3的蒸氣壓力較無(wú)水液氨低得多,氨水運(yùn)輸過(guò)程的安全性也大大增加。
3.7?SCR脫硝效率的主要影響因素
在SCR脫硝工藝中,影響脫NOx效率的主要因素使SV值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑性能、NH3/NOx摩爾比等。
4 結(jié)語(yǔ)
鋼鐵工業(yè)燒結(jié)工段是大氣的污染重要污染源,其煙氣粉塵治理必須貫徹綜合治理的原則。改革工藝、采用先進(jìn)的工藝及設(shè)備,努力降低能耗和原料消耗,以減少生產(chǎn)工藝廢氣的排放,這是減少?gòu)U氣排放的根本途徑之一。同時(shí)要積極采用高效節(jié)能的治理方法和設(shè)備,強(qiáng)化廢氣的治理、回收,大力開展綜合利用。燒結(jié)煙氣粉塵的治理必須在充分了解粉塵顆粒特性、煙氣特性的基礎(chǔ)上全面考慮有關(guān)因素,通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析做出合理的選擇。
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