燃煤锅炉低NOx排放技术研究

摘要： “十二五”规划加大了对NOx的治理力度，新标准中重点地区NOx排放限值由原来的200 mg·m-3减少到100 mg·m-3.而燃煤锅炉作为NOx的主要排放源，减排刻不容缓.介绍了燃煤锅炉热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx的生成机理.燃烧中控制NOx的方法主要有燃料分级燃烧技术、空气分级燃烧技术、烟气再循环燃烧技术等.燃烧后烟气脱氮技术主要是选择性非催化还原法（SNCR）、选择性催化还原法（SCR）和SNCR+SCR联合脱硝法，并对其优缺点进行比较，讨论适合燃煤电厂的低NOx排放工艺.

关键词： 燃煤锅炉； 低氮燃烧； 烟气脱硝； NOx

中图分类号： TK 16文献标志码： A

Low NOx emission technologies for coalfired boilers

CHEN Mengjie1， YU Hongling1， LIN Youbin1， SONG Jingchao2， ZHANG Xianan3

（1.School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technnology，

Shanghai 200093， China； 2.Shanghai Waigaoqiao Second Power Generation Co.， Ltd.， Shanghai

200137， China； 3.Zhenhai Petrochemical Jianan Engineering Co.， Ltd.， Ningbo 315207，China）

Abstract： The national “Twelfth FiveYear Plan” has claimed that the government would strengthen emission control of nitrogen oxides （NOx）. The new emission standard specifies the emission limit value of nitrogen oxides in key areas to be 100 mg·m-3 instead of the original 200 mg·m-3 in the old emission standard. It is urgent to mitigate NOx emissions from coalfired boilers which are the major sources of NOx emissions. This paper briefly described the generation mechanisms of NOx and the major methods for NOx emission control in combustion processes such as the fuel staged combustion technique， the air staged combustion technique， the flue gas recirculation combustion technique， etc. Flue gas denitrification techniques， such as selective noncatalytic reduction （SNCR）， selective catalytic reduction （SCR）， and the combination of SNCR and SCR， were also discussed， and a comparison of those techniques was carried out. In addition， a discussion about appropriate NOx emission control technology for coalfired power plants was made.

Key words： coalfired boiler； lowNOx combustion； flue gas denitrification； NOx

煤炭约占我国一次能源消费的70%～80%，燃煤所产生的污染物是大气污染物的主要排放源.据中国环境监测总站提供的数据，2011年我国氮氧化物排放总量为2 404.3万t，其中电力行业的氮氧化物排放量约占45%，占各种燃烧装置NOx排放总量的一半以上，而电力行业排放的氮氧化物80%以上由燃煤锅炉排放.因此，2011年7月29日，环境保护部和国家质量监督检验检疫总局联合颁布了GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》替代2003年颁布的标准，调整了大气污染物排放浓度限值.新标准明确规定，氮氧化物（以NO2计）的排放浓度限值为200 mg·m-3 以下，重点地区的排放浓度限值为100 mg·m-3以下.新标准对NOx排放提出了更高的要求，使得各电厂积极响应.国内10多家环保工程公司分别引进了美国B&W公司、丹麦托普索公司、德国鲁奇和FBE公司、日本三菱和日立公司、意大利TKC公司等的烟气脱硝技术[1]，在新建火电机组中设置脱硝装置或对已有脱硝装置进行优化改造.

能源研究与信息2013年第29卷

第3期陈梦洁，等：燃煤锅炉低NOx排放技术研究

1氮氧化物的生成机理

1.1氮氧化物的化学性质

NOx包括多种化合物，如N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5等，其中NO和NO2是常见的大气污染物.NOx可刺激肺部.研究表明，长期吸入NOx可能会导致肺部构造改变.

NOx是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因.汽车尾气中的氮氧化物与氮氢化合物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾，称为光化学烟雾.光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低.另外，氮氧化物与空气中的水反应生成的硝酸和亚硝酸是酸雨的主要成分.

1.2氮氧化物的生成机理

燃煤锅炉产生的NOx主要为NO和NO2.根据煤粉和空气中各种氮的结合键能不同及与氮进行反应的介质成分的不同，将NOx分为三种.

（1） 热力型NOx：热力型NOx是空气中的氮在高温条件下（约1 350 ℃）氧化而生成的，其生成量约占总量的5%～10%.反应式为

N2+O22NO

2NO+O22NO2

影响热力型NOx生成量的因素主要是温度、氧气浓度和停留时间.其中，温度是最主要的影响因素.

（2） 燃料型NOx：燃料型NOx是由燃料中的含氮化合物在燃烧中热分解并氧化生成的.燃煤锅炉产生的NOx主要是燃料型NOx，其生成量约占总量的90%～95%.燃料型NOx的生成机理十分复杂，至今尚未完全弄清.但研究表明，燃料型NOx的生成量与燃烧状况有关.氧浓度越高，燃烧温度越高，生成量越大；烟气在高温区滞留时间越长，生成量越大.

（3） 快速型NOx：燃料燃烧时，由空气中的氮和燃料中的C、H离子团发生反应而生成，其生成量约占总量的1%.Miller等[2]认为快速型NOx的主要反应途径为

在电厂燃煤锅炉中，快速型NOx的生成量很少，一般可不予考虑.

2低NOx燃烧技术

我国几种现行的低NOx燃烧技术的基本思想都是使燃料在燃烧时温度和氧浓度两个条件不能同时满足，从而达到抑制NOx生成的目的.

2.1燃料分级燃烧技术

燃料分级燃烧的基本思想是将炉膛的燃烧过程设计成三个区域：主燃烧区、再燃还原区和完全燃烧区.图1为燃料分级燃烧示意图.主燃燃料送入主燃烧区，在过量空气系数α>1的情况下燃烧.在主燃烧区的上部即再燃还原区喷入再燃燃料，其再燃后形成还原性气氛，在高温和还原性气氛下产生的碳氢基团将主燃烧区生成的NOx还原成N2及中间产物.在第三区完全燃烧区送入燃烧所需的其余空气，完成燃烬过程，以此实现燃料和空气分级燃烧.

2.2空气分级燃烧技术

空气分级燃烧是将燃料燃烧所需空气分阶段送入炉膛：先将80%左右的理论空气量送入主燃烧区，形成缺氧富燃料燃烧区；在燃烧后期，将燃烧所需空气的剩余部分以二次风的形式送入，使燃料在空气过剩区燃烬，实现总体抑制NOx生成.

图1燃料分级燃烧示意图

Fig.1Schematic of fuel staged combustion

2.3低氧燃烧技术

低氧燃烧技术是指炉内过量空气系数在低于常规设定值的工况下燃烧的方式.由于炉内NOx生成量最大值产生于α>1的区域，因此降低过量空气系数可减少NOx的生成.α的降低还能减少排烟损失，提高锅炉效率.但α不是越小越好，α降低时，CO和飞灰等污染物的生成量亦会随之增加.因此，应谨慎选择过量空气系数.

2.4烟气再循环燃烧技术

烟气再循环燃烧是将部分低温烟气直接送入炉膛（或与空气混合后送入），使炉内温度和氧浓度降低，从而抑制NOx的生成.电站锅炉的烟气再循环率一般控制在10%～20%.由于烟气再循环燃烧技术会使炉膛温度和燃烧稳定性降低，因而不适用于难燃煤.

2.5浓淡燃烧器燃烧技术

浓淡燃烧器在风粉管道进入炉膛之前设计了一个近乎于90°的拐弯，拐弯之后，在管道中间增加一片或者几片类似百叶窗的隔板，隔板平行于管道.由于离心力的作用，煤粉集中在拐弯外侧，风则集中在内侧，使得一次风煤粉气流分成富煤粉气流和贫煤粉气流.前者在α<1的工况下燃烧，后者则在α>1的工况下燃烧.富煤粉气流处于直流燃烧器四角布置切圆燃烧气流结构中的向火侧，这样就形成了浓淡燃烧方式特有的高煤粉浓度、高温和高气流扰动度的“三高区”，为煤粉颗粒着火燃烧提供了极为有利的条件.

为了防止富煤粉区燃烧时形成的还原性气氛对附近水冷壁造成不良影响，还布置了偏置二次风，如图2所示.这样可改变水冷壁附近的烟气气氛，有效防止水冷壁的高温腐蚀和结渣.

图2偏置二次风示意图

Fig.2Schematic of bias secondary air

3烟气脱硝技术

上述五种低NOx燃烧技术虽能不同程度地抑制氮氧化物的生成，但由于近年来国家加大了对污染物的治理力度，提高了氮氧化物的排放标准，使得采用单一的低NOx燃烧技术不能满足GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中重点地区100 mg·m-3的排放限值.因而，采用烟气脱硝技术进一步脱除NOx是非常必要的.

3.1选择性非催化还原法（SNCR）

所谓选择性是指还原剂（氨、尿素等）进入炉膛后，有选择性地与烟气中的NOx发生反应，而不是与烟气中的氧气反应.

SNCR脱硝技术具有改造容易、压力损失小、投资及运行费用较低等特点.它是把含有氨基的还原剂喷入到燃烧后具有合适温度的烟气中，在无贵金属催化剂参与的情况下，将烟气中的氮氧化物还原为氮气和水.SNCR法的反应温度一般为900～1 000 ℃.温度过高，会使还原剂氧化生成NOx；温度过低，会导致氨的逃逸量增大，随烟气排出后引起二次污染.但SNCR法脱硝效率普遍不高，大约为30%～60%左右.因此，SNCR法常与其它NOx控制方法联合使用，提高脱除效率，以满足国家要求.

3.2选择性催化还原法（SCR）

SCR脱硝技术是指在有贵金属催化剂参与的情况下，在较低温度范围内（280～420 ℃），利用还原剂有选择地将烟气中的NOx还原为氮气和水.SCR反应的基本原理为[3]4NH3+4NO+O2催化剂4N2+6H2O

6NO2+8NH3催化剂7N2+12H2O

NO+NO2+2NH3催化剂2N2+3H2OSCR脱硝工艺流程：含有NOx的烟气在SCR反应器中与喷氨格栅喷出的还原剂混合，经过催化剂层的催化作用，发生氧化还原反应，最终生成无害的N2和H2O排出.

SCR法在1960—1970年代后期在日本完成商业运行，1980年代中期在欧洲实现商业运行.因其技术成熟，脱硝效率高，运行可靠，便于维护，在大型燃煤电厂中使用较为广泛.另外，SCR法具有独立的反应器，位于炉膛外，因而对炉膛影响较小，稳定性和安全性较高.

SCR法根据含尘量的不同分为高含尘布置和低含尘布置两种.前者的反应器布置在锅炉省煤器和空气预热器之间，后者的反应器布置在电除尘器之后，如图3所示.

图3高、低含尘布置工艺流程图

Fig.3Flow diagram of two different SCR process arrangements for high/low dust content in stack gas

两种含尘布置的对比如表1所示.

表1两种SCR反应器布置的对比

Tab.1Comparison between two types of SCR reactor

项目高含尘布置低含尘布置催化剂型式防冲蚀型普通型催化剂寿命2～3 a3～4 a辅助热源不需要需要积灰情况较差较好压力损失较大较小

3.3SNCR+SCR联合脱硝工艺

SNCR+SCR联合脱硝工艺不是简单的技术组合，它是结合了SCR技术高效、SNCR投资省等特点发展起来的新型工艺.它是利用在SNCR温度窗口内喷射的还原剂溶液与氮氧化物还原后逃逸的氨，在SCR反应器内继续参与还原反应，进行二次反应.

SNCR+SCR联合脱硝具有两个反应区：炉膛和反应器. 首先，通过布置在锅炉炉墙上的喷射系统，将还原剂喷入第一反应区，还原剂与烟气中的氮氧化物在高温条件下发生反应，实现初步脱氮.然后，未反应完全的还原剂进入混合工艺的第二反应区，进行进一步脱氮，实现低NOx排放的目的.工艺流程如图4所示.

图4SNCR+SCR联合脱硝工艺流程图

Fig.4Flow diagram SNCR+SCR combined

denitrification process

由于SNCR+SCR采用了SNCR初步脱硝，降低了对催化剂的依赖，催化剂用量大大减少，降低了运行成本；并且由于混合工艺的催化剂用量少，SCR反应器体积减小，其前部烟道较短，系统压降大大减小，运行、维护成本也随之降低.

另外，由于联合脱硝工艺氨逃逸控制较为困难，氨逃逸与喷射量不成线性关系，还原剂消耗量过大等缺点，周英贵等[4]提出在转向室增加一个尿素补充喷射器组，可让部分尿素在转向室热分解，补充后段SCR氨需量的不足；并在SCR入口前烟道设置导流均流组件，这样保证了SNCR段还原剂的氨氮物质的量之比在较小范围内，同时使SCR脱硝效率的设计值增加了自由度，保证了系统自动控制和氮氧化物排放的稳定性.

4结论

（1） 目前减少NOx排放的手段基本可归纳为以下两个阶段：燃烧中，利用低NOx燃烧技术，主要是使NOx生成的两个条件：温度和氧浓度，在燃料燃烧时不能同时满足，从而降低NOx的生成；燃烧后，将已经生成的NOx进一步脱除，烟气中的NOx与喷入的还原剂发生氧化还原反应，在合适的温度窗口内，被还原成N2和H2O，从而降低NOx的排放.

（2） 现行的技术手段除了SCR法脱硝效率较高，基本可以满足国家标准外，单独使用其它技术手段都不能达到100 mg·m-3的要求.但SCR法因其催化剂一般是钒、钨、钛的氧化物，造价较高，且寿命有限，运行、维护成本较高，使得SCR法在我国的推广受到限制.

（3） 联合技术的使用是非常必要的.现有成功运行的联合脱硝技术先例有：SNCR+SCR联合脱硝工艺、空气/燃料分级燃烧+SNCR脱硝工艺、浓淡燃烧器+SNCR脱硝工艺等.合理选择脱硝工艺，对锅炉运行的经济性、安全性和稳定性都具有重大意义.

参考文献：

[1]岳涛，庄德安，杨明珍，等.我国燃煤火电厂烟气脱硫脱硝技术发展现状[J].能源研究与信息，2008，24（3）：125-129.

[2]MILLER J A，GLARBORG P.Modeling the thermal DeNOx process：closing in on a final solution [J].International Journal of Chemical Kinetics，1999，31（11）：757-765.

[3]陈彪，李辉，金东春，等.1 000 MW燃煤机组SCR烟气脱硝系统优化调整试验[J].电站系统工程，2012，28（5）：30-32.

[4]周英贵，金宝昇.改进型（SNCR+SCR）混合脱硝工艺气液多组分混合特性的数值模拟[J].燃烧科学与技术，2012，18（4）：359-366.

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