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SNCR低氮氧化物控制技術及產業化應用

SNCR低氮氧化物控制技術及產業化應用
　  
　  成果概要：本項目成果屬于能源科學技術領域，學科分類為鍋爐、燃燒及節能減排，所屬行業為電力、燃氣及水的生產和供應業。本項目開始于2001年，具有顯著的經濟、社會和環保效益，經過近10年的研發與產業化發展，目前已在國內18臺大中小型鍋爐上推廣應用，所有改造后鍋爐氮氧化物排放符合國家標準。本項目針對選擇性非催化還原（SNCR）低氮氧化物控制技術及產業化應用過程中的關鍵科學問題取得了以下主要的科技創新：霧化效果和混合效果兼具的SNCR噴射方法和裝置；CFD數值模擬與現場勘察相結合的噴射點確定方法；先進的SNCR工藝流程和在線控制技術。成功研發了具有完全自主知識產權的SNCR高速噴射的氣液混合相噴射器（被確認為省級工業新產品）、SNCR長槍及其推進裝置（被備案為省級工業新產品研發項目）和蒸汽混合加熱式的物料溶解罐等關鍵設備；相關設備和裝置已取得授權發明專利1項，公示發明專利1項，申請發明專利1項、實用新型專利1項。該技術適用于各種大中小型的電站鍋爐、工業鍋爐和工業窯爐，能高效低成本地實現了節能減排的目的。
　  1 前言和實施背景
　  1.1 公司簡介
　  浙江百能科技有限公司是一家專業從事能源與環保領域的技術咨詢、工程設計、設備制造、成套、施工、安裝、調試和服務等業務的國家高新技術企業，在能源與環境領域站在世界的前沿，為全球客戶提供一流的解決方案。百能科技建有博士后科研工作分站及獨立的省級中小企業技術中心——浙江百能科技有限公司節能環保技術研究中心，該中心現有核心人員數十人，其中中國工程院院士一人、教授五人、副教授三人、博士后一人、博士二人、碩士三人。
　  百能科技在能源與環境領域與浙江大學合作的多項技術都處于世界領先水平，且經受了上百家國內外客戶的驗證，如低NOx燃燒、水煤漿燃燒、SNCR（選擇性非催化還原）脫硝、SCR（選擇性催化還原）脫硝、多元優化動力配煤、化石燃料高效清潔燃燒等技術。“水煤漿代油潔凈燃燒技術及產業化應用”獲2009年國家科學技術進步二等獎。
　  百能科技業已通過了ISO 9001:2008質量管理體系和ISO14001:2004環境管理體系的認證，是浙江省信息產業廳認定的軟件企業，并具有進出口企業資格。 
　  能源與環境是我國國民經濟發展的重大問題，能源產業又是我國國民經濟發展中的支柱產業之一。百能科技誓以科技創新為己任，我們將運用雄厚的技術實力和良好的開發平臺服務于社會，為國家能源與環保建設做貢獻！
　  1.2 實施背景
　  進入新世紀以來，中國經濟持續高速增長使得能源消耗量大增，已經引起政治、經濟以及生態環境等一系列問題，以煤為主的能源消費結構造成了大氣環境質量的嚴重惡化。在煤燃燒利用過程中，燃料中和燃燒空氣中的氮被轉化成一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）和二氧化氮（NO2）等氮氧化物（NOx）。我國氮氧化物排放量巨大，已成為僅次于二氧化硫的大氣污染物，對空氣質量和地面臭氧濃度的影響越來越大，在大氣污染類型出現由煤煙型向汽車尾氣型逐漸演變過渡的趨勢的同時，氮氧化物已成為空氣中的首要污染物。2010年2月6日由中華人民共和國環境保護部、中華人民共和國國家統計局、中華人民共和國農業部三部委聯合發布的《第一次全國污染源普查公報》中顯示，全國氮氧化物排放總量達到1797.70萬噸，其中電力熱力行業排放量約占一半。
　  根據2004年起開始實施的《火電廠大氣污染物排放標準》，燃用Vdaf>20%以上煤種的2004年以后新建、擴建電廠執行<450mg/m3的NOx排放標準，且新建燃煤機組均要求配置低NOx燃燒器并預留脫硝場地。近年來我國新投產的大容量機組鍋爐的燃燒器幾乎都采用了低NOx燃燒器，但效果不太理想，NOx排放仍居高不下。對于2004年以前所建的電廠，NOx排放量非常大，可達1000mg/Nm3以上，滿足不了新標準的要求。2003年7月1日開始執行的《排污費征收使用管理條例》中也規定，氮氧化物2004年7月1日起按每一污染當量0.63元收費，這表明我國開始采用經濟杠桿來強化NOx排放的控制治理力度并迫切需要開發一種大型電站鍋爐的氮氧化物綜合控制技術來實現NOx排放的低成本控制治理。
　  改革開放30年，浙江經濟發展令人注目，從1978年全國第12位躍升到2009年第4位，已經成為一個名副其實的經濟大省，但經濟發展的同時所付出的能源和環境的代價，與以人為本，全面、協調、可持續的科學發展觀的要求還有很大差距。截止2005年底，浙江單機6000千瓦以上電廠總裝機容量為2854.78萬千瓦，其中火電占70.5%，計2012.38萬千瓦，預計到2010年底，浙江單機6000千瓦以上電廠總裝機容量將達到6980萬千瓦左右，其中火電近4886萬千瓦，在火電當中，燃氣發電所占比例微乎其微，絕大部分為煤電。據統計2007年浙江省火電煤需求量約5000萬噸，到2010年，預計將達到8000萬噸。在燃燒這些煤發電時，每年將向大氣排放氮氧化物約35萬噸，形成嚴重的環境污染，與建設“綠色浙江”是相違背的，因此氮氧化物的治理已成為我省今后大氣污染治理的重中之重。
　  1.3 國內外研究現狀及發展趨勢
　  目前國內外控制NOx排放技術大致分為兩類：一類是低NOx燃燒技術，即通過鍋爐運行方式的優化或者對燃燒過程進行控制，抑制燃燒過程中NOx的生成反應，從而降低NOx的最終排放濃度。另一類是煙氣脫硝技術，即把已生成的NOx還原為N2，從而脫除煙氣中NOx，主要有選擇性非催化還原技術SNCR和選擇性催化還原技術SCR。
　  SNCR技術是在870℃～1,200℃，將氮還原劑（一般是氨或尿素）噴入煙氣中，將NO還原，生成氮氣和水。它與選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術不同，SCR由于使用了催化劑，因此可以在低得多的溫度下脫除NOx。兩種方法都是利用氮還原劑對NOx還原的選擇性，以有效的避免還原SNCR還原劑與富氧煙氣中過量的氧氣反應，因此稱之為選擇性還原方法。兩種方法的化學反應原理相同，其差異在于其氮還原劑噴入的場合：SNCR是在高溫的爐膛上部區域或對流煙道噴入，而SCR則將氮還原劑噴入布置在低溫的催化反應塔內。
　  最初的SNCR技術出現在20世紀70年代中期的日本，一些燃油、燃氣電廠開始使用氨氣噴射的SNCR。歐盟國家從80年代末開始，在一些燃煤電廠、燃煤供熱鍋爐、焚燒爐和小型可移動鍋爐上應用了SNCR技術。美國的SNCR技術應用從90年代初開始，發展迅速，其中不乏一些大容量的600MW電站鍋爐。近年SNCR技術在捷克、韓國、臺灣等地都有發展應用。由于美國電力行業的業主認為，脫硝最佳目標不是得到最低的NOx排放，而是以最低成本符合排放要求。因此近20年來SNCR技術在美國得到大量推廣應用，美國據美國能源部NETL估計，到2010年，美國還會有208臺鍋爐使用SNCR脫硝技術，總容量將達到12.8 GW。而在我國還沒有電站鍋爐應用SNCR技術的示范點。
　  1.4 公司SNCR技術發展歷程
　  公司以“誠信和諧、卓越發展、清潔能源、服務社會”為質量方針，先于國家標準的發布時間，敏銳地發現潛在市場，將SNCR低氮氧化物控制技術及產業化應用作為重要的研究方向，以達到企業經濟效益和節能減排社會效益的雙贏。
　  SNCR低氮氧化物控制技術的研究始于2001年，2004年開始應用于中電國華電力股份有限公司北京熱電分公司4臺410t/h燃煤鍋爐上，至今已在中電國華電力股份有限公司北京熱電分公司、廣州瑞明電力股份有限公司、南海江南發電有限公司、珠江啤酒有限公司、海拉爾華能伊敏煤電有限責任公司海拉爾熱電廠等多家企業的18臺大中小型鍋爐上推廣應用，所有改造后鍋爐氮氧化物排放符合國家標準。在國內鍋爐煙氣脫硝行業占有主導低位。該技術除了適用于各種大中小型的電站鍋爐，也適用于工業鍋爐和工業窯爐，能高效低成本地實現節能減排的目的。
　  2 成果內涵和具體做法
　  2.1 關鍵技術及創新點
　  SNCR技術的關鍵問題在于以下3個部分：
　  （1）噴射點——溫度窗口和停留時間；
　  （2）噴射器——霧化混合；
　  （3）先進的噴射控制策略；
　  因此主要創新點在于以下4個方面：
　  （1）還原劑的高速霧化噴射方法和裝置；
　  （2）SNCR技術的工藝設計；
　  （3）爐內燃燒變動對SNCR技術的影響；
　  （4）氨殘余問題的控制；
　  2.2 實施的具體內容和技術路線
　  2.2.1 實施具體內容
　  在SNCR技術設計和應用中，影響脫硝效果的主要因素有很多，包括：1）溫度范圍；2）合適的溫度范圍內可以停留的時間；3）反應劑和煙氣混合的程度；4）未控制的NOx濃度水平；5）噴入的反應劑與未控制的NOx的摩爾比－NSR；6）氣氛（氧量、一氧化碳濃度）的影響；7）氮劑類型和狀態；8）添加劑的作用；
　  為了最大程度的提高脫硝效率，本項目需要進行以下研究：
　  （1）進行SNCR機理研究：研究有效溫度區間和溫度影響趨勢；研究在合適溫度下的不同還原劑的試驗結果，尿素與氨的對比效果；研究初始濃度的影響；從化學反應機理角度研究SNCR過程；不同溫度下SNCR反應的模擬；在合適的溫度范圍內停留的時間，在合適的溫度范圍內停留的時間應該包括物理混合時間和化學反應時間；進行噴氨水試驗；
　  （2）還原劑與煙氣充分混合問題：還原劑噴射方法、噴射器開發和優化設計；
　  （3）不同燃燒條件下的爐內溫度場、流動場特征；
　  （4）小流量射流與大流量煙氣的交叉流動混合:噴射器布置格局優化、混合效果評價；
　  （5）SNCR技術在線控制理論和優化策略；
　  （6）氨殘余問題以及氨殘余問題的解決辦法：空預器因氨鹽沉積引起的腐蝕、流阻增加問題，控制飛灰含氨量、高氨飛灰處理利用方法等；
　  （7）SNCR技術的整體工藝；
　  2.2.2 技術路線
　  從實驗室基礎研究，結合理論計算分析，通過工業性試驗，最終達到工業應用的目的。
　  先在實驗室借助先進的儀器和建立小型試驗臺架，對上述各項科學問題和技術問題進行基礎研究，同時利用數值計算技術和建立理論模型，對現實的技術問題進行理論模擬計算，對爐內燃燒和各種還原劑還原NO進行有效聯合研究，對燃燒器的結構參數和爐內燃燒組織進行優化設計，研究指定優化運行策略，完成工業應用示范。具體步驟包括：
　  （1）搭建試驗臺
　  1）SNCR小型試驗臺：小型沉降爐試驗臺架；內徑50mm，長1m；電加熱最高溫度達1450℃；采用蠕動泵精確均勻進樣（最小控制精度6ul/min）；由液化石油氣與氨氣混合燃燒生成所需的模擬煙氣，經冷卻后從爐膛上部送入；尾部采用羅斯蒙特CEMS在線煙氣分析儀；
　  2）搭建高級再燃實驗裝置；
　  3）搭建射流與氣流混合試驗臺。
　  （2）進行CFD數值計算和建立CFD理論模型
　  （3）進行基礎理論研究
　  （4）進行結構優化設計
　  SNCR噴射器的研發，研究不同的噴嘴型式、不同噴嘴的霧化細度，經過對不同噴嘴型式試驗結果對比，確定采用哪種型式的噴嘴具有更好的脫硝效果。
　  （5）研究控制策略
　  1）根據排煙處NOx濃度、鍋爐負荷、和NH3的濃度（先不考慮空預器壓降）控制噴入尿素溶液流量和尿素溶液濃度，即純尿素的量；
　  2）尿素溶液流量和濃度是互相挾制的量，設計時均有一個最大值和最小值。為保證噴射效果，兩者在一定純尿素的量的情況下自動優化（優化策略可人工設置改動）；
　  3）根據鍋爐負荷、爐膛出口溫度遠程電動控制噴射層的投運情況；
　  4）噴射層的霧化蒸汽和尿素溶液的投運聯鎖；
　  5）溶液配制系統的必要聯鎖、安全保護等。
　  （6）形成技術方案，最終形成工業應用示范
　  1）系統組成；
　  2）進行系統的自動化設計；
　  3）確定還原劑種類，采用噴射型式。噴槍配置自動推進裝置，以實現自動投運和退出；
　  4）根據不同用戶要求，形成可以進行簡化以節約成本的方案，也可以進一步細化以提高效果；
　  （7）產業化應用推廣
　  以示范工程為口碑，積極推薦潛在用戶到示范工程現場視察，介紹技術特點，工藝流程，現場運行的實際脫硝效果等，最終實現產業化應用推廣。
　  2.2.3 實施方式
　  以我公司為項目負責單位，以技術合作單位浙江大學熱能工程研究所為技術負責單位，雙方分工合作，聯合開發，技術成果產權明晰。
　  2.3 知識產權
　  2.3.1 專利
　  （1）再燃氮氧化物的燃煤鍋爐裝置，發明專利（2008.7.9授權），浙江百能科技有限公司，專利號：200510061122.2。專利實施許可合同的備案，合同備案號：2008330000569。
　  （2）高速噴射的氣液混合相噴射器，浙江大學，杭州百能科技有限公司，申請號200910095347.8。
　  （3）燃煤鍋爐SNCR和SCR聯合脫硝的實現方法，發明專利，浙江大學、浙江百能科技有限公司，申請號：201010305583。
　  （4）蒸汽混合加熱式的物料溶解罐，實用新型，浙江百能科技有限公司，廣州宇陽電力科技有限公司，廣州瑞明電力股份有限公司，浙江大學，申請號：2010201460404。
　  2.3.2 省級工業新產品
　  公司的“選擇性非催化還原（SNCR）氣力霧化噴嘴”被確認為省級工業新產品。證書編號：20090219。
　  2.3.3 科技成果登記
　  公司的“選擇性非催化還原（SNCR）氣力霧化噴嘴”登記為浙江省科學技術成果。登記號：09001363。
　  2.4 主要業績
　  （1）中電國華北京熱電分公司4臺HG410/98—YM15型410t/h燃煤鍋爐實施SNCR脫硝項目。
　  （2）廣州瑞明電廠2臺125MW機組鍋爐實施SNCR脫硝項目。
　  （3）南海江南發電有限公司5臺130 t/h 煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。
　  （4）珠江啤酒有限公司2臺 75 t/h 煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。
　  （5）海拉爾華能伊敏煤電有限責任公司海拉爾熱電廠2臺670 t/h煤粉鍋爐SNCR脫硝項目。
　  （6）湖州南太湖環保能源有限公司2號垃圾焚燒爐(400t/h)SNCR脫硝項目。
　  （7）亞東石化(上海)有限公司（臺資）100t/h水煤漿爐SNCR脫硝項目（預留設計）。
　  3 成果推廣實施的效益
　  3.1 經濟效益
　  本項目研發的技術應用前景廣大，將帶來巨大的直接和間接經濟效益。SNCR技術將像目前的脫硫技術一樣，形成一個巨大的環保行業，促進國民經濟健康、快速發展。項目達產后每年約可新增銷售收入1100萬元，年凈利潤210萬元，年繳稅188萬元，投資利潤率達42%。
　  除此之外，本項目的實施符合國家大力發展循環經濟的政策，開發、引進本項目的企業也必將在資金、技術等方面得到國家的重點支持，從而實現較快發展。
　  3.2 社會效益
　  2010年是我國貫徹落實科學發展觀、應對國際金融危機沖擊、鞏固和發展經濟企穩回升勢頭的關鍵一年。此項目的實施不僅可以減少NOx排放，緩解我國大氣污染和減少酸雨，提高人民身體健康和生活質量，而且能產生巨大的經濟效益。通過做好節能環保經濟重點建設項目，將“國際金融危機形成的倒逼機制轉化為促進經濟轉型升級的動力”，實現經濟發展方式的轉變，為國家建設資源節約型、環境友好型社會作出貢獻。
　  在此列舉兩個我公司SNCR脫硝技術的成功應用：
　  （1）對中電國華北京熱電分公司4臺HG410/98—YM15型410t/h燃煤鍋爐實施SNCR脫硝技術改造。改造后，鍋爐實際NOx排放量由300mg/Nm³降低到150—180mg/Nm³,脫硝率超過40%。
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