煤层气发电高温NOx烟气SCR处理技术及应用探讨

煤层气发电高温NOx烟气SCR处理技术及应用探讨孙宇1*,张增胜1,冉献强1,潘荣幸1,范建伟1,2 (1. 上海同济科蓝环保设备 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 有限公司;2. 同济大学环境科学与工程学院) 摘要:煤层气作为一种资源,越来越受到政府和企业的重视。其中,煤层气发电是煤层气利用的重要途径之一。但煤层气发电排放的高温尾气中含有NOx,会对环境造成污染,且随着氮氧化物对人类活动及环境影响的日趋严重,国家对煤层气发电高温烟气中NOx的排放标准要求会越来越严格,相应的法规政策也将随之出台。煤层气发电烟气由于其高温特性(约500°C),燃煤电厂脱硝常用的V2O5/TiO2系列蜂窝式催化剂并不适用于煤层气发电脱硝,选择高温催化剂对尾气进行处理是综合考虑各个因素的首选 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。应用GJ-HC-5型催化剂的SCR处理技术可以在较宽的温度范围内(400~600°C)对烟气中的NOx的去除率始终保持在90%以上,是一种可行的煤层气发电高温烟气的脱硝方法。 关键词:煤层气发电;高温烟气; 氮氧化物(NOx); SCR;催化剂 Discussion on SCR treatment technology and application of the high temperature NOx exhaust gas from coal bed methane power plant Yu Sun1, Zengsheng Zhang1, Xianqiang Ran1, Rongxing Pan1, Fan Jianwei1,2 (1. Shanghai Tongji Clearon Environmental Protection Equipment & Engineering Co., Ltd.; 2. College of Environmental Science and Engineering, Tongji University) Abstract: As a resource, coal bed methane (CBM) has been given more and more attention of the government and enterprises. Among them, the CBM power plant is one of the most important ways of CBM utilization. But the emissions of exhaust gas from CBM power plant which containing NOx can cause pollution to the environment. As nitrogen oxides have become increasingly serious, environmental impacts of human activities and state of CBM power plant of NOx in high temperature exhaust gas emission standard will be more and more strictly. As to the corresponding laws, regulations and policies will be introduced. Because of its high temperature properties (about 500°C) of CBM power plant exhaust gas, the V2O5/TiO2 cellular catalyst which commonly suitable for coal-fired power plant denitration can’t apply to CBM power plant denitration. High temperature catalyst of exhaust gas treatment is the preferred method of considering various factors. Application of GJ-HC-5 catalyst for SCR treatment technology which be in relatively wide temperature range (400~600°C), the removals of NOx in exhaust gas had stayed above 90%. So it is a feasible CBM power plant of high temperature exhaust gas denitration method. Key words: CBM power plant; high temperature exhaust gas; NOx; SCR; catalysts 1 引言 煤层气(coal bed methane, CBM)俗称煤矿瓦斯,主要由四部分组成:(1)CH4及其同系物、H2;(2)CO、NO、H2S、NH3、SO2、乙醛、汽油蒸气、汞和砷的蒸气;(3)CO2、N2、Ar及其同系物,部分属于惰性气体;(4)He、Rn、Th、Ac等放射性物质。其主要成分是CH4[1]。煤层气与煤伴生,它是以吸附状态储存于煤层内的一种非常规天然气。据报道,我国煤层气资源埋藏量巨大,主要集中分布在华北和西北地区,以2000米以浅的煤层气地质资源形式存在的量就达到约36.81万亿立方米,居世界第三[2]。采用50%的折算系数,其可采资源量相当于153.9亿吨原油,按现有原油开采速度可供我国开采100年以上,这无疑是一巨大的战略性“接替能源”,且是“绿色能源”[3]。近年来,煤层气作为一种资源,越来越受到政府和企业的重视。其中,煤层气发电是煤层气利用的重要途径之一。煤层气发电具有以下优点:(1)建设时间短,收益见效快,规模灵活;(2)国家鼓励利用煤层气发电,对发电装机规模不限制,且允许上网和价格补贴[4];(3)避免导致温室效应的气体直接排放到大气中,减少环境污染。目前,我国瓦斯发电装机容量超过150万KW,实施煤矿瓦斯回收利用CDM项目60余项。低浓度瓦斯发电开始推广,风排瓦斯利用示范项目已经启动[5]。 2 煤层气发电高温烟气排放特征 2004年以前,煤层气发电大多采用燃气轮机;近年来,燃气内燃机发电机组在煤层气发电方面获得了越来越广泛的应用。煤层气发电排放的高温尾气中含有CO2、NO、NO2、SO2等多种污染物,它们对环境的污染及危害是不能忽视的。以卡特彼勒公司生产的 G3520C燃气内燃发电机组为例,单机发电功率1.8MW,其在额定工况下煤层气发电排气温度为458℃,NOx(5%O2)浓度为500mg/Nm3(dry) [6],排放口可见明显的黄烟。环境保护部(环科函〔2006〕325号)《关于内燃式瓦斯发电项目环境影响评价标准请示的复函》[7]中指出我国还没有发电用内燃机大气污染物排放标准,使用以煤层气为燃料的内燃机发电建设项目可参照执行《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国III、IV、V阶段)(GB17691-2005)中的大气污染物排放控制要求[8],即NOx排放浓度按照2.0g/kWh执行,折合约为395mg/m3。随着氮氧化物对人类活动及环境影响的日趋严重,如何减少烟气中氮氧化物的产生及排放量成为政府和学者们越来越关注的问题之一,国家在“十二五”期间也明确提出了《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的要求[9],煤层气发电高温烟气虽不在该标准考核之列,但其中NOx 的排放标准也可参考执行“以气体为燃料的锅炉或燃气轮机组”中“其他气体燃料燃气轮机组”,即至120mg/m3以下。根据以上的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,煤层气发电高温NOx烟气的大量排放,导致烟囱存在明显的“黄龙”现象,不仅影响感观,更会对大气造成污染和危害。因此,对煤层气发电过程中产生的尾气实施脱硝工程是十分必要的。 3 煤层气发电高温烟气脱硝技术 3.1 NOx烟气脱硝技术概述 国内外研究工业排放NOx的脱硝技术已有多年,目前烟气脱硝的技术可分成干法和湿法两类。干法有选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)、选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction,SNCR)、非选择性催化还原(non-selective catalytic reduction,NSCR)、分子筛、活性炭吸附法、等离子法及联合脱硫脱硝法等;湿法分别有采用水、酸、碱液吸收法,氧化吸收法和吸收还原法等[10]。由于去除效率、运行操作及二次污染等多方面的原因,湿法脱硝运用相对较少,运用最多的烟气脱硝技术是干法中的SCR法及SNCR法。 SNCR法一般应用于850~1100℃的烟气直接脱硝。SCR法是指在催化剂的作用下,以NH3、CO或碳氧化合物等作为还原剂,“有选择性”地与废气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。其中NH3-SCR技术较为成熟可靠,目前已在全球范围,尤其是发达国家中得到广泛应用[11]。以NH3为例,反应方程式主要有以下各式: 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 3N2 + 6H2O 通过选择合适的催化剂,上述反应可以在120~600℃的温度范围内进行。反应时,烟气中的NOx和外界喷入的NH3进行反应,可以得到90%以上的脱硝效率。在反应过程中,NH3 可以选择性地和NOx反应生成N2和H2O,因此反应又被称为“选择性”。 目前,随着《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的进一步执行,国内燃煤电厂大多选择SCR法进行高效脱硝。 3.2 煤层气发电高温烟气与燃煤发电烟气比较 表1中列出了典型的煤层气发电高温烟气与燃煤发电烟气的区别。通过以下各项比较参数的区别,将会在煤层气发电烟气NOx的实际处理 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 上有针对性的体现差异。从表1可以看出,煤层气发电高温烟气的主要特点是温度高、微尘、SO2浓度极低等,因此,在催化剂的选择上,需要尽量选择高温型的催化剂,且不用过多的考虑飞灰、SO2等带来的不利影响。 表1 煤层气发电高温烟气与燃煤发电烟气的区别 Tab. 1 The differences between the high temperature exhaust gas from CBM power plant and the exhaust gas from coal-fired power plant 比较参数煤层气发电高温烟气燃煤发电烟气 排气温度400~600℃320~380℃ 含尘量与外环境大气相当30~60g/m3 SO2浓度< 50mg/m31000~2000mg/m3 NOx浓度250~650mg/m3450mg/m3以下 NOx允许排放浓度建议低于120mg/m3常规小于100mg/m3 烟气中的组分CO、HC、O2、NOx等NOx、SOx、CO、CmHn、飞灰等 3.3 煤层气发电高温烟气SCR处理工艺催化剂的选择 目前燃煤电厂脱硝常用的催化剂主要是V2O5/TiO2系列蜂窝式催化剂,但该催化剂有效温度区间并不适用于煤层气高温尾气直接脱硝。针对高温尾气,以堇青石蜂窝陶瓷为载体,过渡金属(如镧系、贵金属)元素为活性成分,利用纳米组装和灌注的方法将金属盐注入介孔分子筛的孔道中制备了一种在高温状态下具有高效脱硝性能的复合催化剂(GJ-HC-5型)。图1为GJ-HC-5型催化剂的制备 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。表2是V2O5/TiO2系列催化剂与GJ-HC-5型催化剂的参数对比。 图1 GJ-HC-5型催化剂制备流程图 Fig.1 The flow chart of GJ-HC-5 catalyst preparation 对于SCR处理工艺而言,最关键的是催化剂的设计和选用。对于煤层气发电高温烟气,如果选用燃煤电厂中大规模使用的V2O5/TiO2系列脱硝催化剂,由于其最佳反应温度为320~380°C之间,则必须改造烟气余热利用系统,将余热锅炉拆分。而选择直接应用于高温工况下的GJ-HC-5型脱硝催化剂,对煤层气发电系统影响最小,投资也能大幅度降低,运营管理也更加方便,具有非常重要的现实意义,同时在煤层气发电高温NOx尾气脱硝处理领域也具有推广意义。 表2 V2O5/TiO2系列催化剂与GJ-HC-5型催化剂的对比 Tab. 2 Comparison between V2O5/TiO2 catalysts and GJ-HC-5 catalysts 比较参数GJ-HC-5型催化剂V2O5/TiO2系列催化剂 主要活性成分过渡金属(如镧系、贵金属)元素V2O5/TiO2/WO3 主要尺寸150mm×150mm×50mm150mm×150mm×(300~1200)mm 最低节距1.5mm5mm 最高空速20000h-17000h-1 最佳反应温度400~600℃320~380℃ 加工方法堇青石陶瓷表面纳米灌注活性成分粉料直接糅合压制成型 机械强度高较低 抗震性能强较差 堆积高度可竖向堆放12块以上最大竖向堆放高度小于7块 3.4 GJ-HC-5型催化剂的反应温度曲线 在空速为10000h-1的条件下,通入1000ppm的NO气体,O2为5%, n(NO):n(NH3)=1:1.2,不同温度下NO的脱除效率如图2所示。由图2可以看出,反应温度在400~600°C之间,NO的脱除效率始终保持在90%以上。随着温度的继续升高, NO的去除率开始下降,主要是因为温度过高会出现NH3的副反应:NH3被氧化或直接分解为N2和H2O,使得NH3的损耗增大,参与SCR反应的NH3减少,进而导致NO转化率下降。 图2 GJ-HC-5型催化剂有效温度区间 Fig.2 The effective temperature range of GJ-HC-5 catalyst 4 GJ-HC-5型催化剂SCR法在煤层气发电高温烟气脱硝工艺中的应用 4.1 中试工艺及现场 以山西省某煤层气电厂为中试现场,该电厂主要采用卡特彼勒公司生产的G3520C发电机组,单机发电功率1.8MW,同时将发动机高温(约500°C)尾气收集,经余热锅炉交换后至120°C后带动1台3MW的汽轮发电机组发电,实现了燃气发电与蒸汽发电的循环发电。现场监测数据显示,该高温尾气中NOx的浓度约为620mg/m3,SO2浓度低于 20mg/m3,烟囱可见隐约黄烟。 该中试将发电机组高温烟气直接通入到SCR一体化装置进行脱硝处理: NOx高温烟气→尿素喷入→混合器→SCR反应器→余热锅炉蒸汽发电→烟囱 上述流程中即为新增的中试脱硝装置的布置区域,中试现场总图、中试催化剂组件及中试装备如图3所示。 现场中试反应器 图3 催化剂组件及中试现场 Fig.3 Catalyst components and pilot site 4.2 结果与讨论 采用ABB EL3020 NO/NO2在线监测仪,对中试现场进行连续监测。SCR反应器进口NOx浓度约为620mg/m3,出口浓度约为20mg/m3,脱硝效率始终保持在95 %以上,如图4所示。由此可见,使用GJ-HC-5型催化剂应用于煤层气发电高温烟气的脱硝是可行的。 图4 GJ-HC-5型催化剂SCR一体化装置对煤层气发电高温烟气NOx去除效果 Fig.4 Removal rate of NOx from CBM power plant by SCR with the GJ-HC-5 catalyst 5 结论 (1)随着氮氧化物对人类活动及环境影响的日趋严重,国家对煤层气发电高温烟气中NOx的排放标准要求会越来越严格,相应的法规政策也将随之出台; (2)煤层气发电烟气由于其高温特性(约500°C),燃煤电厂脱硝常用的V2O5/TiO2系蜂窝式催化剂并不适用于煤层气发电烟气直接脱硝,结合现场工艺条件,选择高温催化剂对尾气进行处理是综合考虑各个因素的首选方法; (3)应用GJ-HC-5型催化剂的SCR工艺可以在较宽的温度范围内(400~600°C)对烟气中的NOx的去除率始终保持在90%以上,是一种可行的煤层气发电高温烟气的脱硝方法; (4)GJ-HC-5型催化剂还可应用于分布式能源天然气发电、燃气和柴油发动机、生物燃料发动机、垃圾焚烧炉等高温尾气的脱硝处理中。 参考文献: [1] 于不凡,白帆,刘明. 煤矿瓦斯防治技术[M] . 北京:中国经济出版社,1987. [2] 国家发展改革委员会,国家能源局. 煤层气(煤矿瓦斯)开发利用“十二五”规划[EB]. 2012. [3] 徐龙君,鲜学福,刘成伦. 煤层气污染控制及其资源化利用的研讨[J]. 矿业安全与环保,2000,27(2):6-8. [4] 王钰. 我国煤层气开发利用现状及发展建议[J]. 化学工业,2013, 31(1): 1-7. [5] 樊金璐,吴立新,王春晶,等. 中国煤层气发电技术发展和应用现状[J]. 洁净煤技术,2012,18(1):1-4. [6] CATERPILLAR G3520C Coal Mine Methane Generator Emissions. [7] 环境保护部. 《关于瓦斯发电项目环境影响评价标准的请示》(环科函〔2006〕325号). [8] 环境保护部. 《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》(中国III、IV、V阶段)[S]. 中华人民共和国国家标准,GB17691-2005. [9] 环境保护部. 火电厂大气污染物排放标准[S]. 中华人民共和国国家标准, GB13223-2011. [10] 孙宇. SCR法处理高浓度酸洗NOx废气工程应用[D]. 上海:同济大学,2012. [11] Pio F. Present status and perspectives in de-NOx SCR catalysis[J]. Applied Catalysis A:General, 2001, 222(1-2):221-236