淺談生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)

安然

【摘 ?要】在社會(huì)經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，生態(tài)環(huán)境污染情況越來(lái)越嚴(yán)重，給人們身體健康帶來(lái)危害。在所有污染物中氮氧化物是大氣的主要污染物。生物質(zhì)直燃鍋爐由于燃料的特有性質(zhì)，產(chǎn)生的大量低濃度的NOx煙氣，導(dǎo)致大氣污染、酸雨和光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重危害。因此，研究生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)鍋爐;氮氧化物;排放控制

引言

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的不斷深入，生物質(zhì)能作為傳統(tǒng)化石能源的替代和補(bǔ)充日漸被重視并利用，以達(dá)到保護(hù)礦產(chǎn)資源，保障國(guó)家能源安全，實(shí)現(xiàn)CO2減排，保持國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的目的。隨著建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大和增加，其運(yùn)行中帶來(lái)的污染性排放，將對(duì)社會(huì)環(huán)境帶來(lái)不可忽視的影響。

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源豐富，生物質(zhì)燃料燃燒排放的NOx含量較高。對(duì)于生物質(zhì)燃料的燃燒，傳統(tǒng)應(yīng)用于燃煤鍋爐的相關(guān)措施亦不完全適用，亟需研究高效的生物質(zhì)鍋爐煙氣脫硝技術(shù)，在能源高效利用的同時(shí)降低NOx污染物的排放。

1 NOx的形成機(jī)理及其影響因素

氮氧化物是NO、N02、N20、N203、N204、N205等的總稱(chēng)，其中NO占90%，N02占5%—10%，N20僅占1%左右。因此NO和N02是造成大氣污染的主要來(lái)源，脫硝主要目的就是降低NO和N02的生成。根據(jù)生物質(zhì)燃料的燃燒機(jī)理，氮氧化物的生成途徑主要有三種：燃料型、熱力型及快速型3種，其中燃料型占NOx總生成量的60%—90%，熱力型占20%左右，快速型通常占NOx排放總量的5%以下。

燃料型NOx是由生物質(zhì)燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，燃料型NOx的形成通常包括揮發(fā)性NO與焦氮性NO兩種途徑。由于燃料中氮的熱分解的溫度低于燃料中碳元素燃燒溫度，在600—800℃時(shí)，生物質(zhì)燃料中的有機(jī)氮首先就被分解成HCN、NH3及CN等中間產(chǎn)物，然后再被氧化成NO，這時(shí)就有燃料型NOx的形成。通常高溫高壓生物質(zhì)鍋爐爐膛的溫度在1200℃以上，所以溫度對(duì)燃料型NOx的影響較小。一般生物質(zhì)燃料的含氮量、揮發(fā)分含量、著火階段氧濃度等對(duì)燃料型NOx的影響較大。

熱力型NOx是由于供燃燒用的空氣中的氮高溫氧化而生成的NOx，與溫度的關(guān)系很大。當(dāng)T<1300℃時(shí)，NOx的生成量不大，而當(dāng)T>1300℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增加6—7倍。由于常規(guī)高溫高壓生物質(zhì)鍋爐爐膛中心溫度一般工況下不會(huì)超過(guò)1400℃，所以熱力型NOx可控制在爐內(nèi)NOx總量的20%以下。降低熱力型NOx的主要措施為：降低主燃燒區(qū)的溫度，避免局部高溫;降低主燃燒區(qū)的氧濃度;減少煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間。

快速型NOx是在貧氧環(huán)境下，分子氮與碳?xì)渥杂苫l(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的，其中間產(chǎn)物是氰化物。所謂的快速型NOx是與燃料型NOx的緩慢反應(yīng)速度而言的，其生成量受溫度的影響不大，而受壓力影響比較顯著且成0.5次方的比例關(guān)系?？焖傩蚇Ox一般產(chǎn)生于CHi原子團(tuán)較多、氧濃度相對(duì)較低的富燃料燃燒情況。因此，影響快速型NOx生成的主要因素是過(guò)量空氣系數(shù)和燃燒溫度。

2生物質(zhì)鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)

2.1低氧燃燒

低氧燃燒技術(shù)一般是在盡可能接近理論空氣量的前提下，降低輸入生物質(zhì)鍋爐的空氣量。一般情況下可降低NOx排放15%—20%。但如果爐內(nèi)的氧量過(guò)低（一般在3%）以下，生物質(zhì)燃料就會(huì)不完全燃燒，CO濃度和飛灰含碳量急劇增加，增大化學(xué)不完全和機(jī)械不完全損失，降低了鍋爐效率。同時(shí)，爐內(nèi)產(chǎn)生的還原性氣氛，會(huì)降低水冷壁附近灰的融點(diǎn)，引起水冷壁面結(jié)渣和高溫腐蝕。

2.2空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是將燃燒所需的氧分兩次送入爐膛，第一次是向主燃燒區(qū)送入一般為80%左右的氧量，使主燃燒區(qū)形成“富燃料燃燒”，第二次在燃盡區(qū)向爐膛送入剩余的氧量，形成“富氧燃燒”。在富燃料階段，由于氧量較低，抑制了熱力型NOx的生成，同時(shí)，由于缺氧造成生物質(zhì)燃料不完全燃燒所生成的中間產(chǎn)物（HCN和NH3），會(huì)還原已生成的NOx，減少燃料型NOx的生成。在富氧燃燒階段，由于送入剩余的氧量，會(huì)使未燃盡的燃料燒殆盡，但由于此區(qū)域的溫度較低，所以新生成的NOx量較小，總體上降低了N0x排放。

2.3選擇性非催化還原脫硝（SNCR）技術(shù)

選擇性非催化還原（SNCR）是在沒(méi)有催化劑存在的條件下，在850—1100℃范圍內(nèi)利用還原劑將生物質(zhì)燃燒后煙氣中的NOx還原為無(wú)害的氮?dú)夂退?。該技術(shù)一般采用氨或尿素為還原劑，還原劑通常注進(jìn)爐膛或者緊靠爐膛出口的煙道，在高溫下還原劑迅速熱分解，并與煙氣中的NOx進(jìn)行還原反應(yīng)生成N2和H20。最主要的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

氨為還原劑：4NH3+4NO+O2 →4N2+6H20

尿素為還原劑：（NH2）2CO →2NH2+C0;NH2+NO→N2+H20;CO+NO→N2+CO2

還原劑必須注入最佳溫度區(qū)，以確保上述反應(yīng)占主導(dǎo);如果溫度超過(guò)反應(yīng)溫度窗口，氨就會(huì)被氧化成NOx;如果溫度低于所適宜的區(qū)間，殘留的氨量將會(huì)增加。主要的副反應(yīng)方程式如下：

4NH3+5O2 →4N0+6H20

生物質(zhì)鍋爐使用SNCR技術(shù)降低氮氧化物排放量時(shí)，脫硝率可達(dá)到75%，但是實(shí)際應(yīng)用中，考慮到NH3損耗和NH3泄露等問(wèn)題，SNCR的設(shè)計(jì)效率為50%左右。

2.4選擇性催化還原脫硝（SCR）技術(shù)

選擇性非催化還原（SCR）是目前國(guó)際上各類(lèi)直燃鍋爐普遍采用的減少NOx排放的方法，其脫硝效率能達(dá)到90%以上。SCR技術(shù)的基本原理是通過(guò)還原劑（如NH3）在適當(dāng)?shù)臏囟炔⒂写呋瘎┐嬖诘臈l件下，把NOx轉(zhuǎn)化為對(duì)大氣中天然存在的N2 和H20。其主要反應(yīng)方程式為：

6NO+ 4NH3 →5N2+6H20;6NO2+ 8NH3 →7N2+12H20

SCR技術(shù)脫硝效率高，理論上可接近100%的脫硝率。在商用生物質(zhì)鍋爐煙氣SCR脫硝系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)脫硝率可大于90%。由于維持這種高效率費(fèi)用高，實(shí)際SCR系統(tǒng)的操作效率在70%～90%之間。由于技術(shù)的成熟和較高的脫硝效率，SCR技術(shù)已成為生物質(zhì)電廠(chǎng)煙氣脫硝的主流技術(shù)。

結(jié)語(yǔ)

目前亟需成熟的生物質(zhì)燃料燃燒排放NOx控制技術(shù)，今后的研究應(yīng)從NOx的產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，開(kāi)發(fā)高效低成本的煙氣脫硝后處理技術(shù)的研究，探索提高脫硝效率和降低環(huán)保成本的設(shè)計(jì)與方案，在解決我國(guó)能源窘境的同時(shí)，達(dá)到清潔生產(chǎn)的目的。

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（作者單位：山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆?/p>