摘 要:在烧结过程中由于燃料的燃烧产生大量的氮氧化物,通过改变燃烧条件可以控制NOx的生成,这种技术称为低NOx燃烧技术;但这种技术NOx降低率不高,一般不超过75%,要进一步降低NOx的排放,就必须采用烟气脱硝技术。通过多种脱硝技术的比较,本文分别从反应机理、反应过程、反应使用的催化剂及还原剂、影响因素等几个方面重点分析了比较成熟的SCR(选择性催化还原)技术。
关键词:烧结 氮氧化物 SCR
中图分类号:TQ51文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)05(b)-0106-01烧结过程是一个高温燃烧条件下的复杂物理、化学过程,在高温烧结过程中产生SO2、NOx、HCl、HF、CO2、CO、二恶英等多种污染物和粉尘的废气。烟气脱硝将是继烟气脱硫之后国家控制大气污染物排放的又一个重点领域。随着我国对环境保护的日益重视,“十二五”期间,烟气脱硝将逐步大力开展。
1 烧结过程中氮氧化物的生成
氮氧化物是指空气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NO2,一般将两者统称为以氮氧化物,用NOx表示。
钢铁厂烧结过程中的NOx主要来源于烧结过程中燃料的燃烧。一般情况下燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和NO2,这二者统称为NOx,在低温条件下燃烧还会产生一定量的N2O。燃烧过程中生成NOx的种类和数量除了与燃料性质相关外,还与燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件密切相关。
2 燃烧过程中降低NOx排放技术
降低燃烧过程中NOx排放技术已经得到了广泛的研究和应用。目前,降低NOx排放技术可以分为低NOx燃烧技术和烟气处理降低NOx技术两大类。通过NOx的生成机理可以发现,燃烧条件对NOx的生成和排放有很大影响,适当调整燃烧条件,就有可能减少NOx的生成和排放。通过改变燃烧条件来控制NOx生成的技术称为低NOx燃烧技术。
3 选择性催化还原烟气脱硝技术
采用改进燃烧技术来控制NOx的效果比较好,并且投资费用和运行费用都较低,但NOx降低率不高,一般不超过75%,要进一步降低NOx的排放,就必须采用烟气脱硝技术。烟气脱硝技术按照脱除原理可以分为催化分解、催化还原、非催化还原、吸收法、吸附法、电子束法等,按照工作介质可以分为干法和湿法两种;SCR脱硝技术由于其效率高,选择性强、经济性好等优点在工业上应用最为广泛,其应用范围包括:电厂锅炉,工业锅炉,化工厂和钢铁厂等企业。SCR脱硝装置现在得到越来越广泛的应用。
3.1 SCR脱销机理
目前对于固定源烟气中NO的还原主要采用以NH3为还原剂的SCR方法。在没有催化剂的条件下,NO与NH3的反应温度区间在900℃～1100℃之间。通过使用催化剂,反应温度大大降低,上述反应可在300℃～450℃之间进行。在有过量O2存在的条件下,在NH3/NO摩尔比为1的情况下,脱硝效率可以达到90%。
3.2 SCR反应机理
现在人们普遍认同在SCR反应中,NO通过下面反应生成N2:
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
3.3 SCR催化剂
SCR常用有三种催化剂:贵金属催化剂、金属氧化物催化剂和沸石催化剂。贵金属催化剂早在20世纪70年代就已经开发出来,这种催化剂对NOx的选择性非常有效,但同时这种催化剂对NH3的氧化也有催化作用,因此在SCR工艺中,贵金属催化剂很快被金属氧化物催化剂所取代,目前商业应用的一些贵金属催化剂兼有NOx还原催化和CO氧化催化两种功能。
目前,工业SCR中应用的催化剂主要是采用负载在TiO2上的V2O5-WO3或者V2O5-MoO3作为催化剂。
3.4 SCR反应过程主要步骤
(1)反应物NOx、NH3和O2等从烟气中扩散至催化剂的外表面(外扩散)。
(2)反应物NOx、NH3和O2进一步向催化剂中的微孔表面扩散(内扩散)。
(3)反应物NH3等在催化剂表面吸附(吸附)。
(4)反应物在催化剂表面活性中心进行反应,NO与NH3反应生成N2和H2O(表面化学反应)。
(5)反应生成物N2和H2O从催化剂表面上脱附到微孔内(解吸附)。
(6)脱附下来的H2O和N2从微孔内向外扩散到催化剂外表面(内扩散)。
(7)H2O和N2从催化剂外表面扩散到主流气体中被带走(外扩散)。
研究表明SCR脱硝反应控制步骤为(3)和(4),NH3在催化剂表面的吸附是SCR反应的关键步骤。
3.5 SCR工艺流程
SCR脱硝反应系统在火电厂置于锅炉之后,其布置方式有三种,即高温高尘布置方式、高温低尘布置方式以及低温低尘布置方式;大多数工业上大多采用高温高尘布置方式;后两种方式因为运行困难、可靠性不高以及增加能源消耗等原因,现在一般不采用。
3.6 SCR工艺选择
SCR脱硝工艺中最常见的还原剂有液氨、尿素和氨水。还原剂不同,SCR脱硝工艺也会有所不同,尿素法是先将尿素固体颗粒在容器中完全溶解,然后将溶液泵送到水解槽中,通过热交换器将溶液加热至反应温度后与水反应生成氨气;氨水法,是将25％的含氨水溶液通过加热装置使其蒸发,形成氨气和水蒸汽;纯氨法是将液氨在蒸发器中加热成氨气,然后与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5％的混合气体后送入烟气系统。
利用液氨作为还原剂的SCR脱硝系统由SCR催化反应器、氨储存及供应系统、氨喷射系统、空气供应及相关的测试控制系统等组成。
与以液氨为还原剂的SCR脱硝工艺比较,以尿素或氨水为还原剂的SCR工艺仅仅是氨气的制备方式不同,其余部分均相同。
用氨水作为还原剂时,可以在安全方面较无水液氨得到较大改善。氨水储罐可以设计成非耐压型的锥顶罐,与无水液氨的耐压储罐相比,可以节约大量费用。同时由于氨水上方NH3的蒸气压力较无水液氨低得多,氨水运输过程的安全性也大大增加。
3.7 SCR脱硝效率的主要影响因素
在SCR脱硝工艺中,影响脱NOx效率的主要因素使SV值、反应温度、反应时间、催化剂性能、NH3/NOx摩尔比等。
4 结语
钢铁工业烧结工段是大气的污染重要污染源,其烟气粉尘治理必须贯彻综合治理的原则。改革工艺、采用先进的工艺及设备,努力降低能耗和原料消耗,以减少生产工艺废气的排放,这是减少废气排放的根本途径之一。同时要积极采用高效节能的治理方法和设备,强化废气的治理、回收,大力开展综合利用。烧结烟气粉尘的治理必须在充分了解粉尘颗粒特性、烟气特性的基础上全面考虑有关因素,通过技术经济指标分析做出合理的选择。
参考文献
[1]杨飏．氮氧化物减排技术与烟气脱硝工程[M]．北京:冶金工业出版社,2007.
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