電站煤粉爐氮氧化物控制技術

華能大連電廠 宮家宏

摘要：本文根據氮氧化物的生成機理及脫除原理，詳細介紹了當前的氮氧化物控制技術以及各種技術的綜合運用，對不同氮氧化物控制技術的應用范圍、技術可行性、經濟合理性等各方面進行了深入分析，提出了各種氮氧化物控制技術的優化組合方案。

關鍵詞：氮氧化合物;低氮燃燒;控制;脫硝;SCR

當前我國電站煤粉爐占總裝機答量約3/4，每年燃用大量的煤碳，排放了大量的NOX排放量超過了全國排放總量的1/2，因此對電站煤粉爐NO的控制和脫除減排勢存必行。

1、NOX的危害

NOX主要是指氮和氧相結合的各種形式的化合物，NOX直接危害到人體健康，同時對大氣環境產生嚴重影響，主要體現在以下幾個方面。

1.1 NOX對人體的危害

NOX中對人體健康危害最大的是NO2，它是刺激性很強的有毒氣體，能引起支氣管炎、肺炎甚至肺氣腫，嚴重的還會造成死亡。當NOX濃度較大時對人體的毒性也很大，能引起組織缺氧，甚至損害中樞神經系統，另外NOX還具有致癌作用等。

1.2酸雨及其危害

NOX排人大氣后，在太陽的紫外線照射下和某些粉塵顆粒的催化作用下，經過一系列的光化學反應會變威NO2，當與空氣中的水氣相遇時，就反應成為硝酸，隨雨水降落，形成酸雨。酸雨對地面植被、土壤、水系以及建筑物等均造成嚴重的破壞，可使地面植被生長衰退甚至死亡，土壤板結酸化等，形成嚴重的生態問題。

1.3光化學煙霧及其危害

大氣中的NOX和揮發性有機物達到一定濃度后，在太陽光照射下，經過一系列復雜的光化學反應，可生成“光化學煙霧”。光化學煙霧是一種具有強烈刺激性的淡藍色煙霧，小但刺激人的眼、鼻、氣管和肺等器官，使人發生眼紅流淚、氣喘咳嗽、頭暈惡心等癥狀，還會引起農作物和森林大面積枯死。

2 NOX的生成機理及其影響因素

NOX生成有三種機理：其一是熱力型NOX，它是燃燒過程中空氣中的N：在高溫下氧化而生成的氮氧化物，占NOX總量的20%左右;其二是快速型NOX，它的生成地點不在火焰的下游，而是在燃燒初期火焰鋒面內部，且反應時間很短，在煤粉爐中，快速型NOX;量很少，只占總NOX總量的5%左右;其三是來自燃料中所含有氮化合物，在燃燒過程中燃料中的氮化合物發生氧化反應生成NOX，占NOX總量的75%左右。

2.1熱力型NOX

熱力型NOX源于在燃燒過程中空氣中的N2被氧化而成NO.它主要產生于溫度高于1800K的高溫區，其反應機理如下：

N2+O=NO+N

N+ Oz= NO+0

N+ OH - NO+H

熱力型NOX的主要影響因素是溫度和氧濃度，降低氧的濃度、降低火焰溫度以及縮短高溫區的停留時間等可以降低熱力型NOX。

2.2快速型NOX

快速型NOX是碳氫類燃料在過量空氣系數<1的富燃料條件下，在火焰鋒面內快速生成的NOX，只要保持足夠的氧量供應，阻止燃料分解成CH、 CH2及C2，即可制快速NO的生成2.3燃料型NO燃料型NO2是指燃料中的氮有機化合物在燃燒過程中經過一系列的氧化一還原反應而生成的NOX，它是煤燃燒過程中NO2生成的主要來源，約占總生成量的75%左右。燃料型NO2影響因素有燃燒溫度、過量空氣系數、煤種、煤顆粒大小等，同時也受燃燒過程中煤粉與空氣混合條件的影響，燃料型NO2的生成強烈地依賴于溫度水平和風煤比，是其主要影響因素。3NO控制技術現有的公認的控制NO2排放量的方法三種:低NO2燃燒控制技術、選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝以及選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝。

3.1低NO燃燒技術控制煤燃燒時NO2生成的辦法就是從其生成過程中改變燃燒條件來減少它的生成，低NO燃燒技術主要從以下幾個方面來控制NO2的產生

3.1.1空氣分級燃燒技術空氣分級燃燒是目前使用最為普遍的100低NO燃燒技1200術之一，空氣分級燃燒的基本原理為:將大度m燃燒所需要的1不分級2分級

空氣量分成兩正空氣不分級和分燃過火級送入參與燃燒，使第一級燃燒區內過量空氣系數在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得火焰中心燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NO2的生成。在二級燃燒區內，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次空氣輸入，成為富氧燃燒區，此時空氣量雖多，但因火焰溫度低，NO3生成量不大，因而總的NO生成量是降低的，最終空氣分級燃燒可使NO生成量降低30-40%。空氣不分級和分級燃燒時最高火焰溫度(溫度峰值)的變化比較(圖一):由圖可見，當采用空氣分級燃燒后，火焰溫度峰值明顯比不采用空氣分級燃燒時降低。

3.1.2燃料分級燃燒技術

燃料分級燃燒技術又稱為燃料再燃技術，其原理是燃料分級送入爐膛，先將80～85%的燃料送入第一級燃燒區，其余15～20%的燃料則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區，再燃燃料在還原性氣氛下分解生成碳氫基元碳氫基元與主燃燒區中已生成的NO反應后將其還Q原成為N2，另一方面再燃燒區域是無空氣的二次欠氧燃燒，所以再燃區中不僅能使已生成的NO2得到還原，同時還抑制了新的NOX生成，可使NO2的排放濃度進一步降低。此外再燃區的上面還布置“火上風”噴口以形成第三級燃燒區(燃燼區)，以保證來自再燃區煙氣中的未完全燃燒燃料的燃燼。圖二為再燃技術原理示意圖

3.1.3煙氣再循環燃燒技術

將鍋爐尾部低溫煙氣抽出一部分直接送人爐內或者是與一次風混合后送入爐內，一次風因煙氣混人而氧氣濃度降低，同時低溫煙氣會使火焰溫度降com低，使NO的生成受到抑制，從而降低NO4的排放濃度。當煙氣再循環倍率增加，NO2排放量減少，但當煙氣再循環倍率很大時，再增加煙氣再循環倍率對NOX排放量的影響并不大，同時再循環倍率過大、爐溫太低，會導致燃燒不穩定，氣體和固體不完全燃燒熱損失將增加，對于大型鍋爐，煙氣再循環倍率限制在10%-20%，此時NO3可降低25%左右。

3.1.4濃淡偏差燃燒技術

濃淡偏差燃燒技術主要應用于兩方面，一方面是部分燃燒器供應較多的空氣，燃料過淡燃燒;部分燃燒器供應較少的空氣，燃料過濃燃燒，是在整個燃燒室內實現濃淡偏差燃燒。另一方面是單個燃燒器分成濃，淡兩相氣流，在單個燃燒器的燃燒區內實現濃淡偏差燃燒。

濃淡偏差燃燒原理(圖(NO三):含煤粉量 No.多的濃氣流C1和含煤粉量少的淡氣流C2，分別送入爐內燃燒，對于整個燃燒，其NOX生成量為(NOX) cl和(NOX) C2的加權平均值( NOX) pm，與燃用單股濃度煤粉流co生成的( NOX) co相比，生成的NOX要降低很多。

3.1.5低NOX燃燒器

低NOX器不僅能保證煤粉著火和燃燒的需要，而目.由于低NOX燃燒器能在煤粉的著火階段就抑制NOX的生成，可以達到更低的NOX排放量，因此低NOX燃燒器得到了廣泛的開發和利用。下面以典型的PM型低NOX燃燒器為例介紹。

PM型燃燒器實際上是集煙氣再循環、空氣分級燃燒以及濃淡偏差燃燒技術于一體的低NOX燃燒器(圖四為低NOX燃燒器系統圖，圖五為低NOX燃燒器結構圖)。

一次風煤粉混合物氣流沿著輸送管(圖五7)進入彎曲管道(圖五8)內流動時，煤粉受離心力作用向彎管的外側集聚，把濃度較高的含粉氣流從彎管出口的一端(圖五4)引出;彎管內側則為稀相含粉氣流，從彎管出口的另一端(圖五2)引出。這樣就可以借結構簡單的慣性煤粉濃縮裝置把氣粉混合物分成濃、淡兩股氣流輸入爐膛。

這種結構可以使爐膛內的火炬形成富氧和低氧兩種狀態，占主體的濃相汽流煤粉濃度高，所需著火熱量少，利于著火和穩燃，淡相補充后期所需的空氣，有利于煤粉的燃燼，同時，濃淡偏差燃燒均偏離了NOX生成量高的化學當量燃燒區域，大大降低了NOX生成量。

PM型燃燒器的NOX生成特性(圖六)，對于不僅具有分級燃燒和煙氣再循環而且具備濃淡型功能的PM型燃燒器來說，將A/C=C.，的煤粉氣流分為兩股：一股為濃相一次風(其A/C=C1，并且C1≤3~4)從濃相一次風噴口射出送入爐膛，濃相氣流火焰中NOX的生成濃度為(NOC)C1。另一股淡相一次風(其A/C=C2，并且C2 3—4)從淡相一次風口射出送入爐膛，淡相氣流火焰中NOx的生成濃度為( NOX)C2。

在PM燃燒器中，濃相和淡相一次風燃燒的平均NOX生成濃度為(NOX)PM，由圖可知(NOX)PM遠低于(NOX)CV。這就是PM型燃燒器抑制NO;產生的基本原理。

3.1.6低NOX燃燒技術比較

對燃燒過程中生成的NOX進行控制是一項較為復雜的技術，由于NOX的生成機理不同，影響因素也各不相同，同一控制因素對它們的影響程度也各有差異，甚至一項控制因素對一種類型的NOX可以有效控制，而對另一種類型完全無效。因此要從控制原理和控制效果等方面對各種不同的低NOX控制技術進行比較，以作為選用低NOX控制技術的參考。

對于降低煤粉爐NOX排放的首選技術是在煤粉燃燒過程中控制NOX的生成，當采用燃燒控制措施還不能滿足排放標準時，再安裝或是減輕煙氣脫硝裝置的負擔，以降低投資和運行維護費用。

3.2選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝

SCR煙氣脫硝是電站煤爐上應用最廣的一種脫硝技術，由于此法效率較高，是目前找到的最好的可以廣泛應用的NOX脫除治理技術。

3.2.1 SCR的化學反應機理

SCR的反應機理比較復雜，主要是在一定溫度和催化劑的作用下，NH3和 NOX反應生成氣體N：和水蒸汽，反應式如下：

4NH3+4NO+O2→ 4N2+6H2O (3-1)

8NH3+6NO2→ 7N2+12H2O (3-2)

NO+NO2+2NH3→ 2N2+3H2O (3-3)

在沒有催化劑的情況下，上述化學反應只在很窄的溫度范圍內( 800—1000qC)進行。通過使用適當的催化劑，上述反應可以在290—430qC的溫度范圍內有效進行。在NH3/NO摩爾比為1的條件下，可以得到80%—90%的脫硝率。在反應過程中，NH3可以選擇性地和NOX反應生成Nz和H20，而不是被O2所氧化，因此反應被稱為具有“選擇性”。

3.2.2 SCR的催化劑

SCR催他劑的投資在SCR煙氣脫硝技術中占了系統投資的60%左右，催化劑的壽命一般為2-3年，因此催化劑更換頻率的高低直接影響到整個脫硝系統的運行成本。對于煤粉爐，由于排出的煙氣中攜帶大量飛灰和S02，因此，選擇的催化劑除應具有足夠的活性外，還應具有抗塵、耐腐、耐磨以及低S03轉化率等特性。催化劑的結構、形狀隨它的用途而變化，為避免被顆粒堵塞，蜂窩式、管式、波紋板式和平板式都是常用的結構，而最常用的則是蜂窩式，因為它不僅強度好，而且易清理。

3.2.3 SCR的還原劑

用于電站煤粉爐SCR煙氣脫硝的還原劑一般有三種：液氨、氨水及尿素。經比較，停用尿素制氦的方法最安全，但投資、運行總費用最高;液氨的運行、投資費用最低，但安全性要求較高;氨水介于兩者之間。建議在國家法律允許的條件下，采用液氫為還原劑;在國家法律不允許的條件下，根據實際情況選用氨水和尿素。

3.2.4 SCR的反應器

SCR反應器是還原劑和煙氣中的NOX發生催化還原反應的場所，是煙氣脫硝最核心的設備，反應器結構如圖七所示，由噴氨格柵、混合器、煙氣導流板和催化劑床等組成，催化劑以單模塊形式放在若干層托架上。反應器采用固定床平行通道形式，并預留一層位置，作為將來脫硝效率低于需要值時增加催化劑用，以此作為增強脫硝效率并延長有效催化劑壽命的備用措施。

3.3選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝

SNCR以爐膛為反應器，在一定溫度下，把NH3噴人燃燒后的煙氣中，發生一系列的反應，最終把NOX轉化為N2。SNCR煙氣脫硝可通過對鍋爐的改造實現，建設周期短，投資成本和運行成本都是比較低的。

3.3.1 SNCR脫硝原理

SNCR是向煙氣中噴氫或尿素等含有NH3基的還原劑，在高溫( 850-11000C)和沒有催化劑的情況下，通過煙道氣流中產生的氨自由基與NO;反應，把NOX還原成N。和H20。部分還原劑將與煙氣中的0z發生氧化反應生成coz和Hz0，脫除反

應如下：

NHs為還原劑時：

4NHs+6NO → 5Nz+6H20

尿素[( NH4) 2C01為還原劑時：

( NH4) 2CO→ 2NH2+2CO

NH2+NO → N2+H2O

CO+NO→ N2+COz

3.3.2 SNCR工藝系統

在爐膛內不同的高度上布置還原劑噴射口，是為了滿足在不同的鍋爐負荷下把還原劑噴射到具有合適溫度窗口的爐膛區域肉，并保證還原劑與煙氣充分混合與充分反應時間。控制SNCR中NH，的逃逸是相當困難的，但通過在出口煙道中加裝能連續準確測量NH3逃逸量的裝置，根據測量值調節噴NH量，以適應不同NOX濃度煙氣的脫硝率。

4 NOx控制技術的優化

目前電站煤粉爐應用的NOX控制技術主要有低NOX燃燒器、低NOx燃燒系統、選擇性催化還原( SCR)煙氣脫硝、選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝。這些NOX控制技術各有特點，將它們組合運用，會實現更高的脫硝率，達到更為嚴格的環保要求，同時降低投資費用和運行費用。

4.1低NOX燃燒器

低NOX燃燒器是通過改變燃燒器結構，在單個燃燒器的燃燒區內綜合運用空氣分級燃燒、煙氣再循環、煤粉濃淡偏差燃燒等技術來減少NOX，是局部區域性控制。低NOX燃燒器由于不改變爐瞠結構，因此投資最省，不增加運行費用。排放量可減少40%～60%，但不能達到嚴格的環保要求。

4.2低NOX燃燒系統

低NOX燃燒系統是在運用低NOX燃燒器的基礎上，在整個燃燒室(爐膛)內綜合運用空氣分級燃燒、煙氣再循環、燃料分級燃燒、煤粉濃淡偏差燃燒等技術來減少NOX，是燃燒系統的整體性控制。低NOX燃燒系統由于對爐膛結構改動不大，因此投資較少，不增加運行費用，NOX排放量可減少75%左右，在環保要求幣高的地方能夠達到環保要求，是一種效費比較高的NOX控制技術。

4.3選擇性非催化還原(SNCR)煙氣脫硝

SNCR煙氣脫硝技術由于不使用催化劑，因此設備投資費用遠低于SCR煙氣脫硝工藝，但因反應溫度區間較窄，控制困難，脫硝率只有35%～45%，達不到環保要求。同時還原劑不但同NOX反應，也同煙氣中的02反應，還原劑消耗量大，造成運行費用高，僅適用于不需要快速高效脫硝的地方，所以運用不多。

4.4選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝

SCR煙氣脫硝技術是目前應用最廣泛、技術最成熟的煙氣脫硝技術，它具有很高的脫硝率，可達80%—90%，能夠滿足日益嚴格的環保要求。另一方面SCR煙氣脫硝需要使用價格昂貴的催化劑和大量的還原劑，因此投資費用和運行費用均很高，經濟性較差。同時由于hlH3的計量誤差和泄漏容易造成二次污染，對鍋爐空氣預熱器的運行也會造成嚴重的影響。

4.5低NOX燃燒系統+SNCR煙氣脫硝

低NOX燃燒系統和SNCR煙氣脫硝相結合，可以在低NOX燃燒系統技術基礎上進一步降低NOX排放水平，但很難達到嚴格的環保要求，投資費用和運行費用較SCR有較大的下降，較低NOX燃燒系統有很大的上升，在當前環保要求日益嚴格的條件下，該技術的發展前景不被看好。

4.6低NO：燃燒系統+SCR煙氣脫硝

低NOX燃燒系統和SCR煙氣脫硝相結合，可以達到很低的NOX排放水平，符合國家嚴格的環保要求。同單獨的SCR煙氣脫硝相比，體積減小，催化劑和還原劑使用量減少，降低了投資費用和運行費用，進一步提高了NOX控制的經濟性。

4.7 SCR煙氣脫硝+SNCR煙氣脫硝

SCR煙氣脫硝和SNCR煙氣脫硝相結合，SNCR所產生的氨可以作為下游SCR的還原劑，由SCR進一步脫除NOX，同時減少了SCR的催化劑使用量，降低了成本，它把SNCR的低投資特點同SCR的高效脫硝率及低的氫逃逸有效結合，在滿足國家環保要求前提下，能夠降低投資費用和運行費用。

4.8低NOx燃燒系統+SNCR煙氣脫硝+SCR煙氣脫硝

低NO：燃燒系統、SNCR煙氣脫硝和SCR煙氣脫硝相結合，可以實現更高的脫硝率，NOX排放量最少，滿足國家的環保要求。低NOX燃燒系統和SNCR煙氣脫硝在爐內階段已完成大部分的NOX脫除任務，由SCR承擔的脫除任務進1步減少，SCR可以做得更小，催化劑使用量也更少，還原劑的使用量最少，這樣投資費用和運行費用在保證環保要求的基礎上可以達至最優，建議優先使用該技術。

5 NOX控制技術未來的發展

目前NOX控制技術研究十分活躍，已經實用化的低NOX燃燒技術和SCR( SNCR)脫硝技術在不斷地發展進步，聯合脫硫脫捎技術以其明顯的技術優越性深受重視，電化學法、膜分離技術等一系列的新型NOX控制技術不斷涌現，下面介紹具有代表性的三種新型NOX控制技術，它們代表的了NOX控制技術的發展方向。

5.1復合低NOX燃燒技術

復合低NOX燃燒技術就是把分級送風技術、燃料分級再燃技術以及低NOX燃燒器等結合起來，在爐內不同區域采取相應的燃燒技術，進行鍋爐低NO2燃燒技術整體設計，達到深度脫除NO2的治理目的，復合低NO燃燒技術可在低NO2燃燒器的基礎上再減少50%-70%的排放量。

5.2低溫SCR技術

低溫SCR催化劑及低溫SCR工藝技術的研究開發，使其能在200℃以下溫度作用。低溫SCR技術將改變目前SCR的高灰布置方案，SCR裝置可以安裝在電除塵后，能有效地解決目前催化劑堵塞及污染的弊病，不但可以節省投資費用，而且可以有效的延長催化劑的使用壽命，低成本地實現燃燒煙氣的高效脫硝。

5.3等離子體脫硝技術

等離子體脫硝技術是利用氣體放電產生具有高度反應活性的粒子(等離子體)，與煙氣中的NO2和SO2反應，將其氧化成HNO2和H2SO4，再與NH反應，生成NHNO和(NH4)2SO4。此項技術不但能夠脫除NO2，而且能同時脫除SO2，目前新型等離子體技術可實現95%以上的脫硫率和80%-85%的脫硝率，脫硫脫硝效率高。目前該技術存在的問題是耗電量大和運行費用高，經濟性還沒有達到工業化應用的水平，但隨著科學技術的進步和該項技術的不斷攻關研究，相信在不久的將來會實現工業化應用，是煙氣治理技術的發展趨勢。

6結束語

隨著國家環保要求的不斷提高，火電廠需要安裝高效氮氧化物控制裝置，要著眼于國家未來的氮氧化物控制指標，結合實際燃用的煤種，優化運用各種氮氧化物控制技術。投資費用和運行費用要統籌兼顧，做到全壽命費用最低，以最低的成本實現氮氧化物的有效控制

參考文獻

【1】鍋爐燃燒設備，姚立達，中國電力出版社

【2】潔凈煤發電技術及工程應用，章名耀，化學工業出版社

【3】燃煤氧化物排放控制技術，蘇亞欣，毛玉如，徐璋，化學工業出版社