燃煤鍋爐低NOx排放技術(shù)探究

1、燃煤鍋爐低nox排放技術(shù)探究摘要：“十二五”規(guī)劃加大了對(duì)nox的治理力度， 新標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)地區(qū)nox排放限值由原來的200 mg m-3減少 到100 mg m-3.而燃煤鍋爐作為nox的主要排放源，減排刻 不容緩介紹了燃煤鍋爐熱力型nox、燃料型nox和快速型 nox的生成機(jī)理燃燒中控制nox的方法主要有燃料分級(jí)燃燒 技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)等燃燒后 煙氣脫氮技術(shù)主要是選擇性非催化還原法（sncr）、選擇性 催化還原法（scr）和sncr+scr聯(lián)合脫硝法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn) 進(jìn)行比較，討論適合燃煤電廠的低nox排放工藝.關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；低氮燃燒；煙氣脫硝；nox 中圖分類號(hào)：t

2、k 16文獻(xiàn)標(biāo)志碼：alow nox emission technologies for coalfired boilerschen mengjiel, yu honglingl, lin youbinl, 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 c

3、o. , ltd, shanghai200137, china； 3.zhenhai petrochemical jiananengineering co. , ltd. , ningbo 315207, china)abstract： the na/tional utwelfth fiveyear plan" has claimed that the government would strengthen emission control of nitrogen oxides (nox) . the new emission standard specifies the emiss

4、ion 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

5、and the major methods for nox emission cont rol in combus tion processes such as the fuel st aged combustion technique , the air staged combustion technique , the flue gas recirculation combustion technique, etc. flue gas denitrification techniques, such as selective noncatalytic reduction ( sncr ),

6、 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 madekey words： coalfired boiler； 1 ownox

7、 combustion； flue gas denitrification； nox煤炭約占我國(guó)一次能源消費(fèi)的70%80%,燃煤所產(chǎn)生的 污染物是大氣污染物的主要排放源據(jù)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站提 供的數(shù)據(jù)，2011年我國(guó)氮氧化物排放總量為2 404.3萬t, 其中電力行業(yè)的氮氧化物排放量約占45%,占各種燃燒裝置 nox排放總量的一半以上，而電力行業(yè)排放的氮氧化物80% 以上由燃煤鍋爐排放.因此，2011年7月29日，環(huán)境保護(hù)部 和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合頒布了 gb 13223-2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)替代2003年頒布的標(biāo)準(zhǔn)， 調(diào)整了大氣污染物排放濃度限值新標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定，氮氧化 物

8、（以n02計(jì)）的排放濃度限值為200 mg - m-3以下，重點(diǎn) 地區(qū)的排放濃度限值為100 mg m-3以下.新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)nox排 放提出了更高的要求，使得各電廠積極響應(yīng)國(guó)內(nèi)10多家環(huán) 保工程公司分別引進(jìn)了美國(guó)b&w公司、丹麥托普索公司、德 國(guó)魯奇和fbe公司、日本三菱和日立公司、意大利tkc公司 等的煙氣脫硝技術(shù)1,在新建火電機(jī)組中設(shè)置脫硝裝置或 對(duì)已有脫硝裝置進(jìn)行優(yōu)化改造.能源研究與信息2013年第29卷第3期陳夢(mèng)潔，等：燃煤鍋爐低nox排放技術(shù)研究1氮氧化物的生成機(jī)理1. 1氮氧化物的化學(xué)性質(zhì)nox包括多種化合物,如n20、no、n02、n203、n204和 n205等，其中no和

9、n02是常見的大氣污染物.nox可刺激肺 部.研究表明，長(zhǎng)期吸入nox可能會(huì)導(dǎo)致肺部構(gòu)造改變. nox是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的一個(gè)重要原因.汽車尾氣中 的氮氧化物與氮?dú)浠衔锝?jīng)紫外線照射發(fā)生反應(yīng)形成的有 毒煙霧，稱為光化學(xué)煙霧光化學(xué)煙霧具有特殊氣味，刺激 眼睛，傷害植物，并能使大氣能見度降低另外，氮氧化物 與空氣中的水反應(yīng)生成的硝酸和亞硝酸是酸雨的主要成分.1. 2氮氧化物的生成機(jī)理燃煤鍋爐產(chǎn)生的nox主要為no和n02.根據(jù)煤粉和空氣 中各種氮的結(jié)合鍵能不同及與氮進(jìn)行反應(yīng)的介質(zhì)成分的不 同，將nox分為三種.(1) 熱力型nox：熱力型nox是空氣中的氮在高溫條 件下(約1 350 

10、6;c)氧化而生成的，其生成量約占總量的 5%10%反應(yīng)式為n2+022n02n0+022n02影響熱力型nox生成量的因素主要是溫度、氧氣濃度和 停留時(shí)間其中，溫度是最主要的影響因素.(2) 燃料型nox：燃料型nox是由燃料中的含氮化合 物在燃燒中熱分解并氧化生成的燃煤鍋爐產(chǎn)生的nox主要 是燃料型nox,其生成量約占總量的90%95%.燃料型nox 的生成機(jī)理十分復(fù)雜，至今尚未完全弄清但研究表明，燃 料型nox的生成量與燃燒狀況有關(guān).氧濃度越高，燃燒溫度 越高，生成量越大；煙氣在高溫區(qū)滯留時(shí)間越長(zhǎng)，生成量越 大.(3) 快速型nox：燃料燃燒時(shí)，由空氣中的氮和燃料 中的c、h離子團(tuán)發(fā)生反

11、應(yīng)而生成，其生成量約占總量的 1%. miller等2認(rèn)為快速型nox的主要反應(yīng)途徑為在電廠燃煤鍋爐中，快速型nox的生成量很少，一般可 不予考慮.2低nox燃燒技術(shù)我國(guó)幾種現(xiàn)行的低nox燃燒技術(shù)的基本思想都是使燃料 在燃燒時(shí)溫度和氧濃度兩個(gè)條件不能同時(shí)滿足，從而達(dá)到抑 制nox生成的目的.2.1燃料分級(jí)燃燒技術(shù)燃料分級(jí)燃燒的基本思想是將爐膛的燃燒過程設(shè)計(jì)成 三個(gè)區(qū)域：主燃燒區(qū)、再燃還原區(qū)和完全燃燒區(qū).圖1為燃 料分級(jí)燃燒示意圖主燃燃料送入主燃燒區(qū)，在過量空氣系 數(shù)a >1的情況下燃燒在主燃燒區(qū)的上部即再燃還原區(qū)噴入 再燃燃料，其再燃后形成還原性氣氛，在高溫和還原性氣氛 下產(chǎn)生的碳?xì)浠鶊F(tuán)

12、將主燃燒區(qū)生成的nox還原成n2及中間 產(chǎn)物在第三區(qū)完全燃燒區(qū)送入燃燒所需的其余空氣，完成 燃燼過程，以此實(shí)現(xiàn)燃料和空氣分級(jí)燃燒.2.2空氣分級(jí)燃燒技術(shù)空氣分級(jí)燃燒是將燃料燃燒所需空氣分階段送入爐膛： 先將80%左右的理論空氣量送入主燃燒區(qū)，形成缺氧富燃料 燃燒區(qū)；在燃燒后期，將燃燒所需空氣的剩余部分以二次風(fēng) 的形式送入，使燃料在空氣過剩區(qū)燃燼，實(shí)現(xiàn)總體抑制nox 生成.圖1燃料分級(jí)燃燒示意圖fig. lschematic of fuel staged combustion2. 3低氧燃燒技術(shù)低氧燃燒技術(shù)是指爐內(nèi)過量空氣系數(shù)在低于常規(guī)設(shè)定 值的工況下燃燒的方式由于爐內(nèi)nox生成量最大值產(chǎn)生于

13、a >1的區(qū)域，因此降低過量空氣系數(shù)可減少nox的生成.a 的降低還能減少排煙損失，提高鍋爐效率.但a不是越小越 好，a降低時(shí)，co和飛灰等污染物的生成量亦會(huì)隨之增加. 因此，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇過量空氣系數(shù).2. 4煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)煙氣再循環(huán)燃燒是將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t膛（或與 空氣混合后送入），使?fàn)t內(nèi)溫度和氧濃度降低，從而抑制nox 的生成電站鍋爐的煙氣再循環(huán)率一般控制在10%20%由 于煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)會(huì)使?fàn)t膛溫度和燃燒穩(wěn)定性降低，因 而不適用于難燃煤.2. 5濃淡燃燒器燃燒技術(shù)濃淡燃燒器在風(fēng)粉管道進(jìn)入爐膛之前設(shè)計(jì)了一個(gè)近乎 于90°的拐彎，拐彎之后，在管道中間增加一片或者幾

14、片類 似百葉窗的隔板，隔板平行于管道由于離心力的作用，煤 粉集中在拐彎外側(cè)，風(fēng)則集中在內(nèi)側(cè)，使得一次風(fēng)煤粉氣流 分成富煤粉氣流和貧煤粉氣流前者在a 1的工況下燃燒.富 煤粉氣流處于直流燃燒器四角布置切圓燃燒氣流結(jié)構(gòu)中的 向火側(cè)，這樣就形成了濃淡燃燒方式特有的高煤粉濃度、高 溫和高氣流擾動(dòng)度的“三高區(qū)”，為煤粉顆粒著火燃燒提供 了極為有利的條件.為了防止富煤粉區(qū)燃燒時(shí)形成的還原性氣氛對(duì)附近水 冷壁造成不良影響，還布置了偏置二次風(fēng)，如圖2所示.這 樣可改變水冷壁附近的煙氣氣氛，有效防止水冷壁的高溫腐 蝕和結(jié)渣.圖2偏置二次風(fēng)示意圖fig. 2schematic of bias secondary

15、air3煙氣脫硝技術(shù)上述五種低nox燃燒技術(shù)雖能不同程度地抑制氮氧化物 的生成，但由于近年來國(guó)家加大了對(duì)污染物的治理力度，提 高了氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)，使得采用單一的低nox燃燒技術(shù) 不能滿足gb 13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中 重點(diǎn)地區(qū)100 mg m-3的排放限值因而，采用煙氣脫硝技 術(shù)進(jìn)一步脫除nox是非常必要的.3.1選擇性非催化還原法(sncr)所謂選擇性是指還原劑（氨、尿素等）進(jìn)入爐膛后，有 選擇性地與煙氣中的nox發(fā)生反應(yīng)，而不是與煙氣中的氧氣 反應(yīng).sncr脫硝技術(shù)具有改造容易、壓力損失小、投資及運(yùn)行 費(fèi)用較低等特點(diǎn).它是把含有氨基的還原劑噴入到燃燒后具 有合適溫

16、度的煙氣中，在無貴金屬催化劑參與的情況下，將 煙氣中的氮氧化物還原為氮?dú)夂退?sncr法的反應(yīng)溫度一般 為9001 000 °c.溫度過高，會(huì)使還原劑氧化生成nox；溫 度過低，會(huì)導(dǎo)致氨的逃逸量增大，隨煙氣排出后引起二次污 染.但sncr法脫硝效率普遍不高，大約為30%60%左右.因 此，sncr法常與其它nox控制方法聯(lián)合使用，提高脫除效率, 以滿足國(guó)家要求.3. 2選擇性催化還原法（scr）scr脫硝技術(shù)是指在有貴金屬催化劑參與的情況下，在 較低溫度范圍內(nèi)（280420 °c）,利用還原劑有選擇地將煙 氣中的nox還原為氮?dú)夂退?scr反應(yīng)的基本原理為 314nh3+4

17、n0+02 催化劑 4n2+6h206n02+8nh3 催化劑7n2+12h20n0+n02+2nh3催化劑2n2+3h20scr脫硝工藝流程：含有 nox的煙氣在scr反應(yīng)器中與噴氨格柵噴出的還原劑混合， 經(jīng)過催化劑層的催化作用，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終生成無 害的n2和h20排出.scr法在1960-1970年代后期在日本完成商業(yè)運(yùn)行， 1980年代中期在歐洲實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行因其技術(shù)成熟，脫硝效 率高，運(yùn)行可靠，便于維護(hù)，在大型燃煤電廠中使用較為廣 泛.另外，scr法具有獨(dú)立的反應(yīng)器，位于爐膛外，因而對(duì)爐 膛影響較小，穩(wěn)定性和安全性較高.scr法根據(jù)含塵量的不同分為高含塵布置和低含塵布置 兩種前

18、者的反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間， 后者的反應(yīng)器布置在電除塵器之后，如圖3所示.圖3高、低含塵布置工藝流程圖fig. 3flow diagram of two different scr process arrangements for high/low dust content in stack gas 兩種含塵布置的對(duì)比如表1所示.表1兩種scr反應(yīng)器布置的對(duì)比tab icomparison between two types of scr reactor 項(xiàng)目高含塵布置低含塵布置催化劑型式防沖蝕型普通 型催化劑壽命23 a34 a輔助熱源不需要需要積灰情況 較差較好壓力損失較大

19、較小3. 3sncr+scr聯(lián)合脫硝工藝sncr+scr聯(lián)合脫硝工藝不是簡(jiǎn)單的技術(shù)組合，它是結(jié)合 了 scr技術(shù)高效、sncr投資省等特點(diǎn)發(fā)展起來的新型工藝. 它是利用在sncr溫度窗口內(nèi)噴射的還原劑溶液與氮氧化物 還原后逃逸的氨，在scr反應(yīng)器內(nèi)繼續(xù)參與還原反應(yīng)，進(jìn)行 二次反應(yīng).sncr+scr聯(lián)合脫硝具有兩個(gè)反應(yīng)區(qū)：爐膛和反應(yīng)器.首 先，通過布置在鍋爐爐墻上的噴射系統(tǒng)，將還原劑噴入第一 反應(yīng)區(qū)，還原劑與煙氣中的氮氧化物在高溫條件下發(fā)生反 應(yīng)，實(shí)現(xiàn)初步脫氮然后，未反應(yīng)完全的還原劑進(jìn)入混合工 藝的第二反應(yīng)區(qū)，進(jìn)行進(jìn)一步脫氮，實(shí)現(xiàn)低nox排放的目的. 工藝流程如圖4所示.圖4sncr+scr聯(lián)合

20、脫硝工藝流程圖fig. 4flow diagram sncr+scr combineddenitrification process由于sncr+scr采用了 sncr初步脫硝,降低了對(duì)催化劑 的依賴，催化劑用量大大減少，降低了運(yùn)行成本；并且由于 混合工藝的催化劑用量少，scr反應(yīng)器體積減小，其前部煙 道較短，系統(tǒng)壓降大大減小，運(yùn)行、維護(hù)成本也隨之降低.另外，由于聯(lián)合脫硝工藝氨逃逸控制較為困難，氨逃逸 與噴射量不成線性關(guān)系，還原劑消耗量過大等缺點(diǎn)，周英貴 等4提出在轉(zhuǎn)向室增加一個(gè)尿素補(bǔ)充噴射器組，可讓部分 尿素在轉(zhuǎn)向室熱分解，補(bǔ)充后段scr氨需量的不足；并在scr 入口前煙道設(shè)置導(dǎo)流均流組件，這樣保證了 sncr段還原劑 的氨氮物質(zhì)的量之比在較小范圍內(nèi)，同時(shí)使scr脫硝效率的 設(shè)計(jì)值增加了自由度，保證了系統(tǒng)自動(dòng)控制和氮氧化物排放 的穩(wěn)定性.4結(jié)論(1) 目前減少nox排放的手段基本可歸納為以下兩個(gè) 階段：燃燒中，利用低nox燃燒技術(shù)，主要是使nox生成的 兩個(gè)條件：溫度和氧濃度，在燃料燃燒時(shí)不能同時(shí)滿足，從 而降低nox的生成；燃燒后，將已經(jīng)生成的nox進(jìn)一步脫除,