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《山东大学》 2009年
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燃煤锅炉氮氧化物排放特性研究及烟气脱硝催化剂的研制

王学栋  
【摘要】: 本文针对电站锅炉燃煤污染物排放浓度高的现状,通过大量的现场测试和实验,研究了多种容量燃煤锅炉的NOx排放特性,以及低NOx燃烧技术和低NOx燃烧器在这些锅炉上的应用效果;采用理论分析和实验研究相结合的方法,研究了颗粒状催化剂的成分对活性的影响、添加剂的成分和含量对催化剂活性的影响,以及催化剂的成分和制作工艺对成型性能和活性的影响,利用挤出成型法制备了峰窝状成型催化剂;通过测试成型催化剂在中型燃烧实验台上的活性,研究了烟气成分和实验参数对催化剂活性的影响;通过研究筛选出了成型性能好、活性高的催化剂,为开发具有自主知识产权的选择性催化还原反应(SCR)催化剂打下了良好的基础。 1、系统地研究了山东电网不同容量、不同型式、不同煤种、不同时期低NOx燃烧技术和燃烧器锅炉的NOx排放浓度。早期投产的小容量机组锅炉的NOx排放浓度在800~1200mg/m~3之间;300MW机组锅炉的NOx排放浓度在600~1100mg/m~3之间,其中烧贫煤的300MW机组锅炉的NOx排放浓度达800~1100m/m~3;近几年新投产的大容量机组燃煤锅炉,引进利用新型炉内低NOx燃烧技术和燃烧器,NOx排放浓度可控制在300~700mg/m~3之间,由于燃烧调整不及时等原因,个别贫煤锅炉和烟煤锅炉的NOx排放浓度仍然高达800~1000mg/m~3。 2、分析了燃煤锅炉NOx排放浓度与燃烧煤种、锅炉结构、燃烧器型式、锅炉运行工况和运行参数的关系。在所有因素中,煤种对NOx排放浓度的影响最大;在所有锅炉运行参数中,炉膛内平均氧量以及氧浓度分布对NOx排放浓度的影响最明显。“W”火焰锅炉燃烧贫煤,其NOx排放浓度最高,达1000~1500mg/m~3;其次是四角切圆直流燃烧器锅炉;燃用相同煤种时,采用新型低NOx旋流燃烧器锅炉的NOx排放浓度低于四角切圆燃烧锅炉;循环流化床锅炉的NOx排放浓度最低,一般不超过200 mg/m~3;烧烟煤的四角切圆燃烧锅炉的NOx排放浓度比贫煤锅炉低约50%;随过量空气系数和锅炉负荷的降低,烟煤锅炉NOx排放降低的量比贫煤锅炉大;锅炉运行工况和运行参数对NOx排放浓度有较大影响,及时地调整锅炉燃烧工况和运行参数,NOx排放浓度可降低10~20%。 3、研究了浸渍法制备的V_2O_5-WO_3-MoO_3/TiO_2颗粒状催化剂在固定床反应器上的活性。钒是催化剂中的主要活性成分,钒的含量增加,SCR反应的脱硝效率增加;当钒的含量增加到1%时,催化剂具有较高的活性,且温度窗口拓宽到了200~300℃之间;随着钒的含量进一步增加,催化剂的活性降低,活性温度窗口范围减小。钨在催化剂中主要起促进作用,增强催化剂在高温区域的活性;但当钨的含量超过7%时,WO_3抢占钒在载体表面的位置,造成V_2O_5活性中心数目下降,催化剂活性下降。钼的存在改善了催化剂在高温区域的活性,增强了催化剂的表面酸性和NH_3的吸附性,反应的选择性增加;当钼的含量达到7%以上时,钼的含量进一步增加,催化剂的性能改善不大。以钒、钨、钼的含量分别为1%、5%和5%的催化剂活性最好,该配方的颗粒状催化剂的脱硝效率达到95%以上。 4、通过实验对催化剂活性成分、添加剂成分及含量对催化剂成型性能和活性的影响进行了研究,利用挤出成型法,制备了蜂窝状催化剂。研究结果表明:添加剂加入到催化剂中,对成型性能和活性产生了不利的影响;添加剂成分和含量改变,催化剂的活性和最佳焙烧温度也改变,同时活性和最佳焙烧温度的关系也改变;通过调整各种添加剂成分及其含量,改变催化剂的成型工艺,对各物料的成型性能进行了研究,最终获得了成型性能好、活性高的蜂窝状成型催化剂。 5、分析了催化剂样品的表征及其影响因素。催化剂的孔结构特性受活性成分、载体本身、添加剂成分、成型过程和制作工艺影响较大。混合法制得的颗粒催化剂的孔体积和比表面积都比浸渍法制得的颗粒催化剂的孔体积和比表面积小;合适的添加剂有利于改善催化剂的孔结构;成型过程中的挤压作用导致催化剂的孔体积和比表面积减小;随着焙烧温度的升高,成型催化剂的比表面积下降,活性降低;在所有成型催化剂中,经350℃焙烧后的催化剂的比表面积最大,催化剂的活性最高。分析扫描电镜结果得到:在成型性能好、活性高、经350℃焙烧后的催化剂表面,添加剂和活性成分、TiO_2载体结合良好,形成了形状规则的颗粒,颗粒表面孔上又分布着许多类似蜂窝的细小微孔结构。催化剂孔结构特性的差异最终导致了催化剂脱硝活性的差异,而且这种孔结构上的差异和催化剂的脱硝活性具有良好的对应关系。 6、研究了成型催化剂在中型燃烧实验台上的催化活性。实验结果表明,催化剂的活性受各种因素影响较大:脱硝效率随氨氮比的增加而增加,氨氮比大于0.85时,脱硝效率达到90%以上,增大氨氮比会使脱硝效率提高,但当氨氮比大于1.1时,脱硝效率增长趋势平缓,在SCR催化剂还原反应中,维持氨氮比为1;在NO浓度为250~830ppm的实验范围内,NO初始浓度对脱硝效率的影响不明显;空速增大时,脱硝效率降低,在中型燃烧实验台上,反应空速为2000/h左右;反应温度对脱硝效率有较大影响,在100~200℃低温下,催化剂的活性很低,脱硝效率不到70%,随温度升高,脱硝效率急剧升高,温度升至315℃时,脱硝效率达到90%以上,在375℃左右,脱硝效率达到95%以上,随后脱硝效率随温度的升高而下降,催化剂的活性温度窗口较宽,从300℃到425℃。 本课题得到国际科技合作重点项目(大气中氮氧化物NOx控制技术应用研究,NO.2004DFA07700)和山东电力集团科技项目(大容量燃煤锅炉氮氧化物NOx排放控制技术实验研究,NO.2008ZB-19)的资助。
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