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一氧化碳鍋爐NOx防治探討

2021-04-14

葉俊郎 教授

國立虎尾科技大飛機工程系


隨著工業蓬勃發展與經濟活動日益擴張,導致大量的氮氧化物(NOx)及硫氧化物(SOx)排放至大氣中,這些化合物是造成酸雨及光霧(smog)等空氣污染現象的主要來源;一般通稱的NOx包括NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4及N2O5等七種化合物,在大氣中只有NO、NO2、NO3及N2O能以穩定狀態存在,其中NO、NO2及N2O為一般空氣污染物中所謂的NOx,其主要來源為燃煤發電機、工業鍋爐及車輛排放等;NOx中以NO2對人體的傷害最大,當環境中NO2濃度達到0.25ppm時,大氣能見度即明顯下降,NO2對於人體呼吸道也有刺激作用,會造成肺部機能衰退,降低對疾病的抵抗力而易受感染,如氣管炎、肺炎等疾病的發生,根據研究報告指出,長時間暴露在1ppm NO2的環境下,對呼吸器官會造成極大的影響,甚至引發肺氣腫等疾病,而NO在大氣環境中是形成NO2的前趨物質,在排入大氣後易與燃燒不完全的碳氫化合物進行光化學反應,生成強氧化性物質,如臭氧、過氧乙硫硝酸鹽(PAN)等,造成光化學污染[1-3]。

圖1-a 一氧化碳鍋爐數值模型外觀圖。

燃燒器是燃燒設備中最基本且最重要的元件,主要功能是提供熱量,經能量轉換後,或產生蒸氣,或作熱交換,以達到製程的需求,舉凡鍋爐、加熱爐、融熔爐、窯爐、焚化爐等皆需使用到它,傳統燃燒器的使用多偏重在高效率燃燒狀態下操作,卻常因無法有效控制空氣與燃料的混合,或因火焰溫度太高,而造成過高的NOx排放,產生酸雨、光霧等空氣污染現象,管制NOx的排放已成為世界各國政府的共識[4,5]。有鑒於國內外有關空氣污染之管制法規日益嚴格,改善老舊燃燒器之NOx排放量以符合現行環保法令之要求已成為產業界勢在必行的措施,但在降低NOx排放的同時,燃燒器的性能仍應滿足無黑煙、低CO、低過剩氧之高效率燃燒效果,才是真正符合需求的燃燒器。 一氧化碳鍋爐在煉油製程中占有非常重要的角色,它可以將再生器中的CO熱能回收再利用,所產生的蒸汽可提供給其它設備使用,煉油廠對於蒸汽的使用需求量是非常大的,一座一氧化碳鍋爐每小時約可產生300公噸的蒸氣,以蒸汽目前每公噸約770元的價格而言,換算下來一座一氧化碳鍋爐每年可替煉油廠節省約20億元的成本,其貢獻不可小觑;一氧化碳鍋爐使用再生器中的燃燒氣體(CO)為其入料,燃燒反應成CO2並釋出大量的熱,經由爐管熱交換產生過熱蒸汽;其構造分成氧化段(oxidizer section)、脫硝段(DeNOx section)、煙道氣冷卻段(flue gas cooling section)與脫硫段(DeSOx section),其內部裝設耐火磚、撥水性岩棉或陶瓷棉毯等絕熱材質來保護爐體。 NOx控制技術主要分成兩大類,一為燃燒修正技術(Combustion Modification);二為燃燒後處理技術(Post-Combustion Treatment),所謂燃燒修正技術,一般是指經由改變火焰結構方式,以達到降低NOx的效果,其技術範圍從簡單的燃料/空氣的調整到複雜的燃燒器及設備設計,均屬燃燒修正技術之範疇,包括低過剩空氣狀態操作、分段燃燒、降低火焰溫度、修改鍋爐設計、再燃燒技術等,其成功關鍵在於:降低NOx排放的同時亦能維持良好的燃燒效率;在另一方面,燃燒後處理技術主要包括選擇性觸媒還原法(SCR)或選擇性非觸媒還原法(SNCR),其原理為利用還原劑注入煙道氣中,並在設定的反應條件下,將NOx還原成N2。一般而言,『燃燒修正技術』較『燃燒後處理技術』的投資少且操作費用便宜,在許多個案中顯示,採用燃燒修正技術和採用燃燒後處理技術一樣可達到良好的NOx降低效果,但其花費往往只有燃燒後處理技術的七分之一至十分之一,因此,當任何燃燒設備需要作NOx排放改善時,預先對燃燒修正之NOx改善計畫做適當的熟悉與瞭解,實有其必要性。 在過去幾年,筆者曾探討一氧化碳鍋爐燃燒與脫硝效能,所探討的NOx控制技術包含『修改鍋爐設計』、『再燃燒技術』、以及SNCR法,所使用之一氧化碳鍋爐數值模型如圖1所示。 

圖1-b 一氧化碳鍋爐入口處局部放大圖。

茲將主要研究結果條述如下: 有關於『修改鍋爐設計』於一氧化碳鍋爐的應用[6-9],: 1.裝設導流椎(如圖2(a))對於氧化段的NOx生成較無影響。 2.增厚防火泥(如圖2(b))對於壁面溫度與剪應變均有重大影響,當防火泥增厚時,脫硝段之逆壓力梯度變小,核心流之對流運動變強,這將使原來集中於脫硝段與煙道氣冷卻段上壁面的高溫區溫度降低、NOx生成下降、剪應變變小;相較於脫硝段與煙道氣冷卻段,屬於上游區的氧化段較不受到防火泥增厚的影響。

圖2-a 修改爐型(裝設橢圓體導流錐)示意圖。

 

圖2-b 改變防火泥厚度 。

 

有關於『再燃燒技術』於一氧化碳鍋爐的應用[10]: 1.再燃燒技術(如圖3)的脫硝效果在一氧化碳鍋爐迴流區較佳,亦即,脫硝段、煙道器冷卻段和脫硫段。 2.再燃燒技術的脫硝效果在冷卻管附近較不好。 3.二次燃料注入孔徑較大時,再燃燒技術的脫硝效果較好。 4.二次燃料注入孔位於冷卻管上游處時,再燃燒技術的脫硝效果較好。 5.主燃燒區與再燃燒區的燃料注入比例對於再燃燒技術的脫硝效果有影響,但並不顯著。

圖3 一氧化碳鍋爐『再燃燒技術』二次燃料噴入位置示意圖 。

 

有關於『選擇性非觸媒還原法(SNCR)』於一氧化碳鍋爐的應用[11]: 1.使用『SNCR法』的脫硝效果與還原劑(NH3)之注入位置有密切關聯,當還原劑由氧化段前方(如CO爐入口處,如圖4-a注入時,由於反應溫度較高,因此,NOx還原效果較好。 2.還原劑之注入會使下游溫度降低。 3.還原劑注入量越多時,NOx還原效果較好。 4.還原劑注入孔徑與注入溫度對於NOx還原效果影響並不明顯。

圖4-a 由CO爐入口注入時(圖中紅色標誌處) 。

 

圖4-b CO爐入口以外的其它位置注入時 。

 

參考文獻

[1] 楊士慶,張志成,“簡介低氮氧化物燃燒技術”,化工技術,第三卷第七期,pp.146-159,1995。

[2] 蔡健忠,陳利強,“低污染燃燒器”,化工技術,第六卷第三期,pp.142-154,1998。

[3] 劉蘭萍,“氮氧化物控制技術與應用實務”,化工技術,第七卷第六期,pp.228-240,1999。

[4] 行政院環境保護署,“中華民國空氣品質監測報告九十七年年報”,2008。

[5] 行政院環境保護署,“96年台灣地區空氣污染防制總檢討”,2007。

[6] 葉俊郎,2011年3月,“一氧化碳鍋爐熱流場數值模擬研究:(二)增厚防火泥對於燃燒流場影響之探討”,國立虎尾科技大學學報,Vol.30, No.1, pp.1-12.(ISSN:1993-7571)

[7] Chun-Lang Yeh, January, 2013, “Numerical Study of the Influence of Refractory Thickening on the Reacting Flow and DeNOx Effect in a CO Boiler”, Applied Mechanics and Materials (ISSN: 1660-9336) , Vol.284-287, pp.861-866.

[8] Chun-Lang Yeh, April, 2013, “Numerical Analysis of the Combustion and Fluid Flow in a Carbon Monoxide Boiler”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.59, pp.172-190.)

[9] Chun-Lang Yeh,June, 2012, “Numerical Investigation of the Heat Transfer and Fluid Flow in a Carbon Monoxide Boiler”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.55, Issues 13-14, pp.3601-3617.

[10] Chun-Lang Yeh, June, 2014, “Numerical Investigation of Reburning Flow in a Carbon Monoxide Boiler”, Numerical Heat Transfer, Part A, Vol. 66, pp. 622-645.

[11] Chun-Lang Yeh, December, 2014, “Effect ofReagent Injection Amount and Hole Size on NOx Reduction by SNCR in a CO Boiler”, International Journal of Advancements in Mechanical and Aeronautical Engineering (ISSN: 2372-4153), Vol.1, Issue 4,pp.68-73.