刍议电厂锅炉低NOX排放的技术

王尊赵业富陈建忠

摘要：锅炉是燃煤电厂的三大主机设备之一。目前，我国燃煤电厂机组锅炉由于设备本身及操作管理等方面的原因，存在着污染物排放高和热效率低等问题。提高燃煤电厂锅炉的热效率，节约有限的煤炭资源，同时降低燃煤过程产生的污染，是我国能源实现可持续发展和节能减排工作的当务之急。本文笔者针对电厂燃煤锅炉低NOX排放的技术进行了探讨。

关键词：电厂锅炉；NOX；低排放；空气分级

引言

随着社会的进步和市场经济的发展，电力企业对发电设备的出力、安全性、可靠性、经济性和大气污染物排放等多方面的要求越来越高，这就要求电厂运行管理从过去的简单目标控制过渡到多目标的控制，即除考虑基本的发电功能之外，还要考虑到安全性、可靠性、经济性和污染物排放控制等综合指标。火电厂是大气污染物NOx的主要排放源，对于现有燃煤电厂锅炉，如何采取降低NOx排放的措施是我们必须解决的问题。

一、NOX的生成途径

燃烧过程中生成的含氮污染物主要有：NO、NO2、N2O、NH3、HCN等，其生成的种类和生成量与燃料种类、燃烧温度以及燃烧区域过量空气系数密切相关。在电厂煤粉燃烧过程中，生成NOX的途径主要有三个：热力型、燃料型和快速型。

1）热力型NOX，它是空气中的氮气在高温下直接氧化而生成的NOX，它的生成和温度密切相关。当火焰温度>1500℃时，将会大量生成。但是一般煤粉火焰达不到这么高的温度，所以热力型NOX在燃煤排放的NOX污染中含量并不多。

2）快速型NOX，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成的NOX。它在NOX排放中的比重也不高。

3）燃料型NOX，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解后接着氧化而生成的NOX，与温度的关系不大，但是与过量空气系数密切相关，是煤粉燃烧过程中最主要的NOX生成途径。

二、电厂燃煤锅炉低NOX排放的技术

1、烟气脱硝技术

烟气脱硝就是把燃烧己经生成的氮氧化物还原为稳定的氮气，从而降低NOX排放。当前我国的大多数火电厂应用选择性催化还原技术（SCR）来降低氮氧化物排放，其次是应用选择性非催化还原技术（SNCR）。

1）燃料再燃

再燃烧还原NOX的方法是将燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰的上方喷入的再燃燃料，以建立一个富燃料区使生成的NOX还原，比较典型的就是，将80%-85%的燃料（称为一次燃料）送入第一级燃烧区（主燃烧区），燃料充分燃烧。其余15-20%的燃料（称为二次燃料、再燃燃料）则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区（再燃区），在一定的条件下形成很强的还原性气氛，将主燃烧区生成的NOX还原成氮分子（N2）。

2）选择性催化还原法（SCR）

催化剂选择还原是一种燃烧后降低NOX生成的方法。NO的分解程度取决于催化剂的有效性，催化剂分解NO的反应过程是：

催化剂可采用金属基或碳基。最常用的金属基含有氧化钒和氧化钛。

碳基催化剂同时可用于脱NOX和SO2，碳作为SO2的吸附剂。用碳基催化剂运行温度约在200-250℃之间，比金属基催化剂运行温度低。较低的运行温度有助于SO2的吸附，而较高的运行温度却会改善烟气的脱NOX效果。

3）选择性非催化还原法（SNCR）

催化剂选择还原的运行成本主要受催化剂寿命的影响。一种不需要催化剂的非催化剂选择还原过程成本较低，这就是在合适的温度下，无催化剂情况下，还原剂NH3把NOX转换成氮分子和水。当NH3喷到锅炉的对流通道时，由于那里理论上存在着适合反应的烟气温度，因此NH3和NOX在通道中发生反应。它的主要缺点是化学反应只能在很窄的温度范围内有效。

2、低氮氧化物燃烧技术

通过改变或调整炉内燃烧状况抑制NOx的生成或还原部分生成的NOx，从而降低炉膛出口NOx排放值的技术，均被称为低NOx燃烧技术。这些技术包括低氧燃烧、减少投入运行的燃烧器数目、低NOx燃烧器、烟气再循环、燃料分级和空气分级等。

低氧燃烧投资最少，有一定的运行经验，燃煤在接近于理论空气量的情况下维持炉内燃烧，可以减小排烟热损失，但有可以导致飞灰含碳量增加。根据锅炉原运行条件，最多可降低20%氮氧化物。减少投入运行燃烧器数目的技术措施投资低，有运行经验，有可能引起炉内腐蚀与结渣，并导致飞灰含碳量增加，这一措施可降低氮氧化物排放15％-30%。空气分级燃烧技术是目前电厂锅炉普遍采用的降低氮氧化物排放的技术，将炉膛内煤粉燃烧所需氧量沿炉膛烟气流动方向分级送入，主燃烧器区域缺氧富燃料燃烧，呈现还原性氛围，有利于减少NOx的生成，同时还可将部分NOx还原，剩余空气量由主燃烧器区域上方以燃尽风的形式送入，保证煤粉的燃尽。这一技术投资低，有运行经验，有可能引起炉膛内结渣和高温腐蚀，并降低燃烧效率。为了减少氮氧化物排放，同时又将对锅炉效率的影响降到最小，通常还会采用低氮燃烧器配合空气分级燃烧，这样甚至可以在不降低锅炉效率的同时减少氮氧化物的生成，降低氮氧化物的幅度可达60%。

3、空气分级低NOx优化燃烧技术

空气分级燃烧降低NOx是几乎所有燃烧方式均采用的技术，其基本原理是避开温度过高和过剩空气系数在NOx生成区均处于较高的区域，从而降低NOx生成量。空气分级燃烧一般有两类：一类是整个燃烧室内的分级燃烧，另一类是单个燃烧器的分级燃烧。

OFA（OverFireAir）技术属于整个燃烧室内的空气分级燃烧，具体指在主燃区顶层燃烧器的上部一段距离另设二次风喷口，使得部分二次风（通常为总二次风量的20%左右）通过此喷口喷入炉膛。它的技术原理为将燃烧用的空气分两阶段送入，首先将总空气量按一定比例从主燃区燃烧器送入炉膛，使燃烧在该区域处于缺氧状态，从而降低燃烧速度和燃烧温度，生成CO；而且燃料中的挥发分氮分解生成大量的HN、HCN、NH3及NH2等，它们或相互复合生成N2或与已生成的NOx发生还原反应，因而抑制了NOx的生成。然后，将燃烧用空气的剩余部分以二次风形式从OFA喷口送入以使燃料进入空气过剩区域而燃尽。在该区域由于火焰温度较低，所以也不会生成大量的NOx，因而总的NOx生成量是下降的。

结语

一般控制NOx排放的先进技术包括空气分级低NOx燃烧技术、燃料再燃NOx燃烧技术、选择性催化还原法（SCR）等。考虑到空气分级燃烧技术能够降低NOx排放25%-60%，并且投资低、运行成本低、易于锅炉改装以及和燃料再燃与SCR具有互补和配套功能，对于我国是一种值得大力推广的方法。但是，OFA喷口的开设造成了燃烧器主燃区空气量的相对减少，因此有可能造成如下问题：①在燃用高硫煤时，局部还原性气氛可能造成燃烧器区域管壁腐蚀：②炉内结渣：③为确保燃料完全燃烧，剩余二次风从燃烧器顶部喷入，从而造成锅炉燃烧效率的降低。若分级燃烧能够被合理的组织，以上问题得到解决的话，空气分级燃烧技术更具有广阔的工业发展前景。

参考文献

[1]李岸然.分级燃烧技术在电站锅炉低NOx排放中的应用[J].电力科技与环保，2013，29（6）

[2]章荣顶.燃煤锅炉降低NOx燃烧和排放控制技术研究[J].企业技术开发，2012（7）