[科普中國]-低氮氧化物燃燒技術(shù)

低氮氧化物燃燒技術(shù)發(fā)展歷程

國外從20世紀(jì)50年代開始就對燃煤在燃燒過程中NOx的生成機理和控制方法進行研究，研究結(jié)果表明：影響NOx生成和排放最主要的因素是燃燒方式，也即燃燒條件。因此當(dāng)燃煤設(shè)備的運行條件發(fā)生變化時，NOx的排放也隨之發(fā)生變化。燃燒溫度、煙氣中O2、NHi、CHi、CO、C和H2濃度是影響NOx生成和破壞的最重要的因子，因此凡通過改變?nèi)紵龡l件來控制上述因子，以抑制NOx的生成或破壞已生成的NOx，達到減少NOx排放的措施，都稱為低NOx燃燒技術(shù)。

低NOx燃燒技術(shù)的主要特點是：工藝成熟、投資和運行費用低。在對NOx排放要求非常嚴(yán)格的國家(如德國和日本)，均是先采用低NOx燃燒器減少一半以上的NOx后再進行煙氣脫硝，以降低脫硝設(shè)施入口的NO。濃度，減少投資和運行費用。低NOx燃燒技術(shù)是目前各種降低NOx排放技術(shù)中采用最廣、相對簡單、經(jīng)濟有效的方法，但他們減少氮氧化物的排放有一定的限度。由于降低燃燒溫度、減少煙氣中氧的濃度等都不利于煤燃燒過程本身，因此，各種低氮燃燒技術(shù)都必須以不會影響燃燒的穩(wěn)定性，不會導(dǎo)致還原性氣氛對受熱面的腐蝕，以及不會不合理地增加飛灰含碳量而降低鍋爐效率為前提。

燃燒技術(shù)國外低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷三代。第一代技術(shù)不對燃燒系統(tǒng)做大的改動；第二代技術(shù)以空氣分級燃燒器為特征；第三代技術(shù)則是在爐膛內(nèi)同時實施空氣、燃料分級的三級燃燒方式(或燃燒器)。

第一代低NOx燃燒技術(shù)這一代技術(shù)不要求對燃燒系統(tǒng)做大的改動，只是對燃燒裝置的運行方式或部分運行方式做調(diào)整或改進。因此簡單易行，可方便地用于現(xiàn)役裝置，但NOx的降低幅度十分有限，主要通過以下幾種方式來實現(xiàn)降低NOx排放濃度。

(1)低過量空氣系數(shù)運行。

這是一種優(yōu)化裝置燃燒、降低NOx生成量的簡單方法。它不需對燃燒裝置做結(jié)構(gòu)修改低過量空氣系數(shù)運行抑制NOx生成量的幅度與燃料種類、燃燒方式及排渣方式有關(guān)。電站鍋爐實際運行時的過量空氣系數(shù)不能做大幅度的調(diào)整。對于燃煤鍋爐而言，降低過量空氣系數(shù)會造成受熱面的粘污結(jié)渣和腐蝕、汽溫特性的變化及因飛灰可燃物增加而造成經(jīng)濟性下降。對于燃?xì)?、燃油鍋爐而言，主要限制在于CO濃度超標(biāo)。

(2)降低助燃空氣預(yù)熱溫度。

降低助燃空氣預(yù)熱溫度可降低火焰區(qū)的溫度峰值，從而減少熱力型NOx的生成量。這一措施不宜用于燃煤、燃油鍋爐，對于燃?xì)忮仩t，則有降低NO。排放的明顯效果。

(3)濃淡燃燒技術(shù)。

這種方法是讓一部分燃料在空氣不足的條件下燃燒，即燃料過濃燃燒；另一部分燃料在空氣過剩的條件下燃燒，即燃料過淡燃燒。無論是過濃燃燒還是過淡燃燒，其過量空氣系數(shù)α都不等于1。前者α1，故又稱為非化學(xué)當(dāng)量燃燒或偏差燃燒。濃淡燃燒時，燃料過濃部分因氧氣不足，燃燒溫度不高，所以燃料型NOx和熱力型NOx都會減少。燃料過淡部分因空氣量過大，燃燒溫度低，熱力型NOx生成量也減少?？偟慕Y(jié)果是NOx生成量低于常規(guī)燃燒。

(4)爐膛內(nèi)煙氣再循環(huán)。

把煙氣摻入助燃空氣，降低助燃空氣的氧濃度，是一種降低燃煤液態(tài)排渣爐，尤其是燃?xì)?、燃油鍋爐NOx排放的方法。通常的做法是從省煤器出口柚出煙氣，加入二次風(fēng)或一次風(fēng)中。加入二次風(fēng)時，火焰中心不受影響，其唯一作用是降低火焰溫度，有利于減少熱力型NOx的生成。對固態(tài)排渣鍋爐而言，大約80%的NOx是由燃料氮生成的，這種方法的作用就非常有限。

對于不分級的燃燒器，在一次風(fēng)中摻人煙氣效果較好，但由于燃燒器附近的燃燒工況會有所變化，要對燃燒過程進行調(diào)整。

(5)部分燃燒器退出運行。
這種方法適用于燃燒器多層布置的電站鍋爐。具體做法是停止最上層或幾層燃燒器的燃料供應(yīng)，只送空氣。這樣所有的燃料從下面的燃燒器送入爐內(nèi)，下面的燃燒器區(qū)實現(xiàn)富燃料燃燒，上層送人的空氣形成分級送風(fēng)。這種方法尤其適用于燃?xì)?、燃油鍋爐而不必對燃料輸送系統(tǒng)進行重大改造。德國把這種方法用在褐煤大機組上，效果不錯。

第二代低NOx燃燒技術(shù)這一代技術(shù)的特征是助燃空氣分級送人燃燒裝置，從而降低初始燃燒區(qū)(也稱一次區(qū))的氧濃度，相應(yīng)地也降低火焰的峰值溫度。屬于這一代措施的有現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于電站鍋爐的各種低NOx空氣分級燃燒器。如ABB—CE公司的整體爐膛空氣分級直流燃燒器、同軸燃燒系統(tǒng)(CFS I、CFS 11)、低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(LNCFS)及其種類繁多的變異形式、TFS2000燃燒系統(tǒng)；B&W公司的雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器(DRB、DRB—XCL)；Steinmuller公司、德國Babcock公司的各種旋流燃燒器等。2

第三代低NOx燃燒技術(shù)這一代技術(shù)的主要特征是空氣和燃料都是分級送人爐膛（如右圖所示）。在一次區(qū)內(nèi)，主燃料在稀相條件下燃燒，還原燃料投入后，形成欠氧的還原區(qū)，在高溫(>1200℃)和還原氣氛下析出的NH3、HCN、CmHn等原子團與來自一次區(qū)已生成的NOx反應(yīng)，生成N2。燃盡風(fēng)投入后，形成燃盡區(qū)，實現(xiàn)燃料的完全燃燒。屬于這一代措施是空氣/燃料分級低NOx旋流燃燒器和用于切圓燃燒方式的三級燃燒。這類低NOx燃燒技術(shù)以Steimuller公司的MSM型燃燒器日本三菱公司開發(fā)的MACT低NOx燃燒系統(tǒng)為典型代表。

降低生成氮氧化物的措施影響燃燒過程中NOx形成的因素包括：①空氣-燃料比；②燃燒空氣的預(yù)熱溫度；③燃燒區(qū)的冷卻程度；④燃燒器的形狀設(shè)計?？山档偷趸餄舛鹊姆椒ㄓ校孩贉p少送入燃燒器的過剩空氣；②降低熱風(fēng)溫度；③降低燃燒室的熱強度；④采用雙面露光水冷壁;⑤人為地使燃料與空氣緩慢混合；⑥采用二段燃燒；⑦煙氣再循環(huán)。

在燃用氣體燃料或重油的鍋爐上，運用技術(shù)手段減少NOx的濃度獲得了一定的結(jié)果。但如何運用技術(shù)措施，減少固體燃料燃燒尾氣中NOx濃度，尚處在探索性研究中。3

SNCR脫硝工藝(1) SNCR脫硝工藝分析及存在的問題。

SNCR工藝 (可選擇性非催化降解) 依據(jù)氨在高溫下的反應(yīng)來減少氮氧化物的生成量， 在反應(yīng)中，氮氧化物由NH3轉(zhuǎn)化成氮氣和水蒸氣： 4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

有效脫氮的溫度范圍較窄，最佳溫度為950℃。溫度下降時，氣體反應(yīng)速率會迅速下 降，脫氮能力亦下降。當(dāng)高于最佳溫度時，形成NO的同時會加快NH3的氧化，即降低脫 氮效率。

脫氮用的氨氣宜液態(tài)存貯，應(yīng)使用未加壓、25%液態(tài)的NH3溶液。NH3氣化后，應(yīng)添 加空氣或蒸汽稀釋，混合氣體中NH3的質(zhì)量濃度應(yīng)小于5%。應(yīng)在要求的溫度范圍內(nèi)吹入含 氨混合氣體，且其應(yīng)在煙氣流中均勻分布。

目前，使用該工藝存在以下問題：

1) 由于溫度隨鍋爐負(fù)荷和運行周期變化，及鍋爐中NOx濃度的不規(guī)律性，該工藝應(yīng)用 時變得較復(fù)雜。因此，在很大區(qū)域內(nèi)、在鍋爐不同高度裝有大量的入氣口。甚至將每段高度 再分成幾小段，每小段分別裝有入氣口和NH3測量儀。這增加了測量和控制NH3的難度， 因此該工藝的脫氮效率不高。

2) 在吹入氨氣量較多、溫度降至最佳值以下、吹氣均勻度較低、吹氣量較少導(dǎo)致溫度 和氮氧化物含量不對稱時，未反應(yīng)的氨氣比例將增加，會有氨氣逸出。

當(dāng)氨氣逸出時，它與煙道內(nèi)的剩余物反應(yīng)發(fā)生堵塞，如堵塞空氣加熱器等。因為NH3 與SO3和煙氣中的水分析出，會在較冷部件中形成硫化氫氨，形成黏性沉積物，增加了飛灰 的堵塞、腐蝕和頻繁沖洗空氣加熱器的幾率。NH3向飛灰逸出會降低飛灰的可綜合利用性， 使飛灰處置更復(fù)雜;NH3逸出還可導(dǎo)致脫硫裝置后面的沖洗水中氨含量升高。

目前，還不能計算出SCR工藝的脫氮效率。設(shè)定的脫氮效率越高，隨著脫氮效率的增 加，單位NH3消耗也越高，該工藝的NH3耗量高于SCR工藝在NH3與NOx摩爾比為1時 的耗量，氮氧化物可減少約50% (取決于初始氮氧化物含量、吹入氨氣和混合質(zhì)量等)。理 論上，脫氮效率最高可達80%，但此時NH3與NOx摩爾比不成比例 (為2～3)，NH3逸出 量高。為此，當(dāng)采用SCR工藝時，脫氮效率應(yīng)限制在接近50%。

(2) SNCR工藝的應(yīng)用和改進。

SNCR工藝由美國Exxon和日本三菱公司開發(fā)，已在許多燃?xì)夂腿加碗姀S使用。在日 本和歐洲的一些垃圾焚燒廠也使用該工藝，因為脫氮效率接近50%，所以滿足排放要求。 在德國，燃煤電廠采用SNCR工藝的進行各種適用性試驗，如Mainz-Wies-beden電廠。但 是，德國在二次除NOx工藝中采用該工藝的還不到3%。

目前，正在改進SNCR工藝，如試驗將燃用過的空氣送入降解介質(zhì)中，并進入鍋爐; 還有使用尿素溶液作為降解介質(zhì)來替代NH3; 有時用額外的添加劑來增加降解溫度等。

SCR脫硝工藝SCR工藝 (選擇性催化降解) 用加氨方法使氮氧化物反應(yīng)為氮氣和水蒸氣，反應(yīng)式如 下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

利用催化劑來增加反應(yīng)速率，使該工藝可在溫度280～400℃時使用。蜂窩式催化是廣 泛使用的方式，有時也用板式催化。催化材料通常由二氧化鈦構(gòu)成，向其添加V2O5(和其 他材料，如WO3)作為活性成分。催化元件的構(gòu)成和其幾何形狀的變化可使催化劑的性能 和活性在一定范圍內(nèi)改變，以適應(yīng)不同的運行條件。SCR反應(yīng)器由煙氣入口/出口、過濾器 等組成。過濾器中，用單獨的催化元件 (或片) 組合成模塊，將模塊分層安裝在SCR反應(yīng) 器內(nèi)形成若干層的反應(yīng)層。

催化作用與煙氣流量和成分、燃料和燃燒類型、脫硝程度、NH3逸出量和催化劑在煙道 內(nèi)的分布等有關(guān)。由于催化劑的活性隨運行時間的增加而降低，所以設(shè)計時應(yīng)考慮催化劑使 用期限。

SCR裝置可在低NH3逸出時運行 (低于SNCR裝置)。然而，硫酸氫銨的形成會引起腐 蝕和沉積，反應(yīng)如下：

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4

當(dāng)NH3和SO3含量增加時，臨界溫度會上升，至于是生成 (NH4)2SO4還是NH4 HSO4，取決于NH3和SO3含量的比值。除SCR反應(yīng)器前煙氣中含的SO3外，還應(yīng)考慮SO2 在二次反應(yīng)期中被催化氧化成SO3的量。

SO2氧化成SO3的氧化率主要由活性成分V2O5決定。若其活性高，則SO2向SO3轉(zhuǎn)化率 高，氮氧化物的降低率也高。為含二氧化硫煙氣進行催化時應(yīng)考慮此因素，以抑制硫酸氫銨 的形成。SCR工藝的灰塵沉積會造成催化元件通道堵塞和有效面積下降。如褐煤煙氣中會 產(chǎn)生侵蝕性灰，它使催化材料磨損; 另外，某些煙氣成分 (如As) 是催化抑制劑，可快速 降低催化劑的活性。

SCR反應(yīng)器可以設(shè)置在鍋爐和煙囪之間煙道的不同位置處。燃煤爐膛可有兩種布置方 式，如圖18-5所示。在高灰塵結(jié)構(gòu)中，它安裝在空氣預(yù)熱器前或脫硫裝置出口的有灰煙道 內(nèi)，即在靜電除塵器和脫硫裝置后 (尾部) 的煙道系統(tǒng)內(nèi)。1