燃煤工業(yè)鍋爐減排NOx研究分析

劉 宇，王 凡，朱金偉，張 凡，岳 濤

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 北京 100012；2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054)

燃煤工業(yè)鍋爐減排NOx研究分析

劉 宇1，王 凡1，朱金偉1，張 凡1，岳 濤2

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 北京 100012；2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054)

通過對(duì)我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放、污染現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)外控制技術(shù)進(jìn)行分析，提出燃煤工業(yè)鍋爐NOx控制對(duì)策和措施，并提出低氮燃燒是降低NOx排放的最經(jīng)濟(jì)技術(shù)。

燃煤工業(yè)鍋爐;氮氧化物控制;減排

隨著能源消耗量增加、國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，氮氧化物排放量呈顯著增加趨勢(shì)，已使得我國(guó)酸雨污染由硫酸型主導(dǎo)，向硫酸和硝酸復(fù)合型轉(zhuǎn)變，嚴(yán)重影響了環(huán)境質(zhì)量及人體健康，尤其是近年來氮氧化物排放量的顯著增加，使得酸雨中的硝酸根離子所占比例從上世紀(jì)80年代的1/10逐步上升到近年來的1/3[1、2]，因此控制NOx排放已成為“十二五”環(huán)境保護(hù)工作的減排重點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口不斷增長(zhǎng)和能源消費(fèi)量的增加，中國(guó)NOx排放量已由2000年的1177萬t增長(zhǎng)至2008年的2300萬t，其中火力發(fā)電是最大來源，NOx排放量為840萬t，機(jī)動(dòng)車NOx排放量為480萬t，燃煤工業(yè)鍋爐氮氧化物排放量成為繼火力發(fā)電、機(jī)動(dòng)車之后的第三大氮氧化物排放源[3]，NOx排放量達(dá)250萬t。數(shù)量多、長(zhǎng)期存在使用的燃煤工業(yè)鍋爐對(duì)NOx排放量的貢獻(xiàn)作用已不可忽視，研究適合我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀的氮氧化物控制技術(shù)顯得非常必要。

1 燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀

目前全國(guó)有工業(yè)鍋爐約48萬臺(tái)，燃煤量達(dá)6.4億t/a，約占全國(guó)原煤年產(chǎn)量的1/4。工業(yè)鍋爐按燃燒方式可分為手燒爐排鍋爐、振動(dòng)爐排鍋爐、鏈條爐排鍋爐、拋煤機(jī)爐和循環(huán)流化床鍋爐等，其中70%以上的為4t/h以下的低壓小容量鍋爐，絕大多數(shù)為層燃爐。較大規(guī)模的燃煤工業(yè)鍋爐將在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)期存在。但目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的工業(yè)鍋爐都沒有采取NOx控制技術(shù)。

我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐具有如下特點(diǎn)：1）多為低空排放，對(duì)城市大氣污染貢獻(xiàn)率高（45%～65%），是影響城市空氣質(zhì)量的主要污染源之一；2）布局相對(duì)分散，大多分布在城市或居民區(qū)周邊；3）燃煤品質(zhì)差，且差異大，污染嚴(yán)重；4）污染物排放強(qiáng)度高，NOx排放濃度一般為300～1000mg/m3，NOx排放系數(shù)達(dá)2.94kg/t煤。

2 NOx生成機(jī)理

工業(yè)鍋爐排放的NOx是燃料與空氣在高溫燃燒時(shí)產(chǎn)生的，主要包括NO、NO2和N2O。在NOx中，NO占有90%以上，NO2僅占2%～10%，產(chǎn)生機(jī)理一般分為如下三種。

（1）熱力型NOx

燃燒時(shí)，空氣中的氮在高溫下氧化產(chǎn)生，其中的生成過程是一個(gè)不分支連鎖反應(yīng)[4、5]。相關(guān)研究表明，隨著反應(yīng)溫度（T）的升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加，當(dāng)T＜1500℃時(shí)，NOx的生成量很少，而當(dāng)T＞1500℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍。

（2）快速型NOx

快速型NOx是1971年Fenimore通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的，在燃料過濃時(shí)，在碳?xì)浠衔锶剂先紵磻?yīng)區(qū)附近會(huì)快速生成NOx

[6]。由于燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基可以和空氣中氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN和N，再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的速度生成NOx，其形成時(shí)間只需約60ms，生成量與爐膛壓力的0.5次方成正比，與溫度變化的關(guān)系不大。

上述兩種氮氧化物都不占煤粉燃燒NOx產(chǎn)物的主要部分，不是主要來源。

（3）燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中的含氮化合物在燃燒中氧化而成。由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600℃～800℃時(shí)就會(huì)生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60%～80%。在其生成過程中，首先是含有氮的有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N、CN、HCN等中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后再氧化成NOx[7]。由于煤的燃燒過程由揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒兩階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化和焦炭中剩余氮的氧化兩部分形成。

3 燃煤工業(yè)鍋爐減排NOx的主要技術(shù)措施

基于NOx的生成規(guī)律可知，NOx的生成及去除多與以下因素有關(guān)：1）煤種特性，如煤的含氮量、揮發(fā)分含量、燃料比等[8]；2）燃燒溫度；3）爐膛內(nèi)反應(yīng)區(qū)煙氣的氣氛，即煙氣內(nèi)的氧氣、氮?dú)?、NO等的含量[9]；4）燃料及燃燒產(chǎn)物在火焰高溫區(qū)和爐膛內(nèi)的停留時(shí)間[8]。

圍繞燃煤工業(yè)鍋爐NOx的生成機(jī)理，NOx減排技術(shù)主要有兩大類：一是燃燒方式改進(jìn)，二是燃燒后的控制治理。

（1）燃燒方式改進(jìn)技術(shù)

燃燒方式改進(jìn)技術(shù)的主要技術(shù)措施是改善燃燒條件：包括低過量空氣燃燒法、空氣分級(jí)燃燒法、燃料分級(jí)燃燒法、煙氣再循環(huán)法等[10、11]。

對(duì)于現(xiàn)有的鍋爐本體進(jìn)行改造，難度較大，不易推廣應(yīng)用，可將成熟的低氮燃燒措施或技術(shù)應(yīng)用于新推出爐型，并逐漸引導(dǎo)取代現(xiàn)有的落后爐型，有利于取得預(yù)想的減排效果?？刂芅Ox形成的因素主要有：空氣－燃料比、燃燒區(qū)溫度及其分布、后燃燒區(qū)的冷卻程度、低氮燃燒器形狀等等；煙氣循環(huán)燃燒法主要是通過降低氧濃度及燃燒區(qū)溫度，減少熱力型NOx。

（2）爐膛噴射脫硝技術(shù)

爐膛噴射脫硝技術(shù)主要包括噴氨及尿素（SNCR脫硝）、噴入二次燃料[12]等。基本原理是向爐膛噴射某種物質(zhì)，在一定的溫度條件下還原NO，達(dá)到降低NOx排放量的目的。

選擇性非催化還原（SNCR）法只在較窄的溫度范圍內(nèi)效果較好，故噴射點(diǎn)位置選取比較重要，也受到限制，同時(shí)噴入的氨或尿素水溶液與煙氣的良好混合是保證脫硝反應(yīng)充分進(jìn)行、使用最少量的氨或尿素水溶液從而達(dá)到最好效果的重要條件。若噴入的氨未充分反應(yīng)，則余氨會(huì)影響受熱面，容易使煙氣飛灰沉積，并有可能生成硫酸銨，帶來堵塞、腐蝕等隱患。SNCR噴氨法投資少，費(fèi)用低，但適用范圍窄，條件受限，因而良好的混合及反應(yīng)空間、時(shí)間、溫度等條件很重要。

（3）煙氣脫硝技術(shù)

煙氣脫硝技術(shù)有濕法脫硝和干法脫硝兩種，濕法脫硝主要有堿液吸收法、酸吸收法、氧化吸收法、還原吸收法、生物法和絡(luò)合吸收法等，干法脫硝有煙氣催化脫硝（SCR脫硝）、電子束照射煙氣脫硝、同時(shí)脫硫脫硝法等[13、14、15]。

目前，干法脫硝占主流地位。主要原因是NOx與SO2相比，缺乏化學(xué)活性，難以被水溶液吸收；NOx經(jīng)還原后成為無毒的N2和O2，脫硝的副產(chǎn)品便于處理；NH3對(duì)煙氣中的NOx可選擇性吸收，是良好的還原劑。濕法與干法相比，主要缺點(diǎn)有：裝置復(fù)雜且龐大、要處理排水、內(nèi)襯材料易被腐蝕、副產(chǎn)品處理較難以及電耗大等。

4 結(jié)論

低氮燃燒技術(shù)是降低燃煤工業(yè)鍋爐NOx排放量最主要也是較經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，但一般效率僅為50%左右。對(duì)于較高的排放要求，還必須進(jìn)行煙氣脫硝，脫硝技術(shù)面臨的難點(diǎn)主要為處理煙氣量大、NOx濃度相對(duì)低。

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Analysis on Emission Reduction of NOxin Coal-fired Industrial Boilers

LIU Yu1, WANG Fan1, ZHU Jin-wei1, ZHANG Fan1, YUE Tao2
(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012; 2. Beijing Municipal Institute of Labor Protection Sciences, Beijing 100054, China)

Based on the analysis of NOxmission, pollution status in coal-fired industrial boilers of the country and control technology at home and abroad, the paper puts forward the countermeasures for NOxcontrol in coal-fired industrial boiler and presents that the low nitrogen combustion will be the best economic technology in reduction of NOxemission.

coal-fired industrial boiler; control of nitrogen oxides; emission reduction

X701

A

1006-5377（2010）12-0014-03

國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目：燃煤鍋爐煙氣的脫硫脫汞的新技術(shù)研究（2008AA06Z318）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)：工業(yè)鍋爐NOx綜合控制技術(shù)研究（2009KYYW02）。