燃煤鍋爐煙氣再循技術(shù)降低NOK_x排放研究

李向華 唐權(quán)利 朱建平 劉坤朋 王建江 魏博

摘? 要：文章針對燃煤鍋爐煙氣再循技術(shù)降低NOx排放進行論述。對我國各地區(qū)燃煤鍋爐NOx排放標準進行了總結(jié)指出了降低NOx排放迫在眉睫，并根據(jù)NOx生成機理出發(fā)提出煙氣再循環(huán)降低NOx原理，最后提出了不同類型鍋爐采用煙氣再循環(huán)技術(shù)降低NOx排放的實例。采用煙氣再循環(huán)技術(shù)可有效降低NOx含量，為降低NOx排放提供思路。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;煙氣再循環(huán);NOx排放;排放標準

中圖分類號：TK224? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0160-03

Abstract： This paper discusses the reduction of NOx emission by flue gas recirculationtechnology of coal-fired boiler. And summarizes the NOx emission standards for coal-fired boilers in various regions of China， points out that it is urgent to reduce NOx emission. The principle of reducing NOx by flue gas recirculation was proposed based on the NOx generation mechanism. Examples of reducing NOx emission by flue gas recirculation in different types of boilers are presented. Flue gas recirculation technology can effectively reduce the content of NOx and provide ideas for reducing NOx emission.

Keywords： coal-fired boiler; flue gas recirculation; NOx emission; emission standard

前言

在全世界范圍內(nèi)，煤炭仍將在未來很長一段時間內(nèi)作為世界能源消費的主要一次能源，尤其是在中國，煤炭消耗量已超過全世界消耗總量的50%，在發(fā)電耗能方面，燃煤發(fā)電能耗遠超風(fēng)電、太陽能、水電、核能等其他新能源的發(fā)電耗能，比例仍超過65%[1]。煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中仍將長期占據(jù)其主導(dǎo)地位[2]。然而，煤炭燃燒所釋放出來的氮氧化物是重要的大氣環(huán)境污染源之一。如何有效治理氮氧化物的排放，已經(jīng)成為當前我國能源利用過程中十分緊迫的環(huán)境問題[3-4]，特別是近幾年出臺的GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的實施，促進了NOx脫除技術(shù)的發(fā)展。

目前，NOx脫除技術(shù)中采用在鍋爐爐膛中加裝SNCR噴氨裝置，使得NOx在脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”期將煙氣中的NOx還原為無害的氮氣和水;或者在省煤器出口加裝SCR催化劑層，令煙氣中的還原劑在較低溫度下有選擇性的與NOx生成N2和H2O兩種方法，亦或兩種方式同時采用。除此之外，通過采用分級燃燒的方式降低其在燃燒過程中所產(chǎn)生NOx，達到減少NOx排放的目的。由于SNCR、SCR在促進NOx脫除的過程中需要適宜的“溫度窗口”，脫除過程中反應(yīng)條件嚴格并且不能從源頭上減少NOx的生成;而分級燃燒技術(shù)的使用范圍有限，并會降低鍋爐燃燒效率。因此，本文從NOx生成機理出發(fā)，闡述煙氣再循環(huán)降低NOx原理，列舉三類不同類型鍋爐采用煙氣再循環(huán)技術(shù)后降低NOx實例，為煙氣再循環(huán)技術(shù)提供參考。

1 全國各地NOx排放標準

為有效防止環(huán)境污染，環(huán)境保護部和國家治理監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布GB13223-2011后，全國各地，包括北京、河北、鄭州等地根據(jù)其地區(qū)的實際情況，陸續(xù)編制和公布了一系列的地方性大氣污染物排放標準，在各地的地方標準中燃煤鍋爐排放限值及實施區(qū)域和時間如表1所示。

從表中可以看出各地區(qū)的NOx排放標準均不相同，部分地區(qū)排放限額遠低于國家標準，尤其是北京、鄭州以及西安附近的區(qū)域，其新建鍋爐的排放限值為30mg/m3。天津市還明確指出其禁燃區(qū)在用鍋爐禁止排放，山東、上海明確在2020年后的排放限額較目前排放限額更低，由此可見在進一步降低NOx排放過程中排放要求越來越低，這些地方標準的出臺勢必會推動各地在NOx脫除技術(shù)的快速發(fā)展。

2 NOx生成機理

在煤燃燒過程中NOx生成主要為三類：燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。每一種形式的NOx生成機理各不相同。無論采用何種方法來減少NOx的排放，其NOx生成機理是相同的，三種生成機理在煤燃燒過程中對NOx排放總量貢獻如圖1表示：

圖1 三種生成機理在煤燃燒過程中對NOx排放總量貢獻

其中熱力型NOx是由空氣中的氮氣與氧氣在高溫下發(fā)生氧化反應(yīng)生成，熱力型NOx的生成主要受溫度、氧濃度和在高溫區(qū)停留時間等的影響，熱力型NOx在爐膛溫度高于1350℃時開始少量生成，且隨溫度升高，其生成指數(shù)形式迅速升高[5];燃料型NOx是指燃料在燃燒時其含氮化合物分解后經(jīng)過進一步氧化而生成的氮氧化物，影響燃料型NOx的生成不僅與煤自身的煤質(zhì)特性、煤中含氮化合物的存在形式，以及煤中氮在分解時在其揮發(fā)分和焦碳中所占的比例有很大關(guān)系，還與爐內(nèi)燃燒的氧濃度、燃燒溫度等因素有關(guān);快速型NOx的產(chǎn)生源于空氣中的氮氣與燃料中的碳氫離子團，如CH等反應(yīng)而生成[6]?？焖傩蚇Ox是由于在煤燃燒過程中高于一定溫度后期化學(xué)反應(yīng)速度迅速加快，所以叫做快速型NOx。由圖1可見相對于其他燃燒方式，煤燃燒過程中NOx排放貢獻最多的是以熱力型生成的NOx為主，其次是燃料型生成NOx。因此在脫除NOx技術(shù)過程中以減少快速型NOx生成為主。

3 煙氣再循環(huán)降低NOx原理

煙氣再循環(huán)可以有效降低NOx排放，其工作原理是將鍋爐尾部排煙前的煙氣（主要成分N2、O2和CO2）一部分通過再循環(huán)風(fēng)機送入爐膛，利用煙氣所具有的低氧以及溫度較低的特點，降低爐膛溫度使鍋爐燃燒區(qū)域保持相對低氧環(huán)境。首先，煙氣再循環(huán)代替的一次風(fēng)氧量經(jīng)二次風(fēng)風(fēng)箱補入，增加了二次風(fēng)率，此方法可以更好的實現(xiàn)低氮燃燒時所需的空氣分級，并在維持鍋爐整體運行氧量不是太低的水平上大幅的降低NOx排放。其次，煙氣再循環(huán)過程中的低溫降低了爐膛整體溫度可以有效的，減少快速型NOx的生成。煙氣再循環(huán)過程中所起的低氮作用與再循環(huán)煙氣量、再循環(huán)煙氣的煙氣溫度，煙氣中氧量等密切相關(guān)。

4 煙氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用

在煙氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用過程中脫硝效率與煙氣循環(huán)率（循環(huán)煙氣量與煙氣總量的比值）有著直接的關(guān)系。一般來說煙氣循環(huán)率越高則脫硝效果會越好這是由于循環(huán)率越高一次風(fēng)所攜帶的氧量越低，產(chǎn)生的快速性NOx將更低，然而循環(huán)率較高帶來的低氧環(huán)境會勢必會引起爐內(nèi)燃燒的不穩(wěn)定，一般來講將其控制在10-20%之間[7]。

某循環(huán)流化床鍋爐[8]采用630mm的煙氣再循環(huán)管路從引風(fēng)機出口煙道經(jīng)再循環(huán)風(fēng)機引入一次風(fēng)機消音器下游300mm，在引入一次風(fēng)機接口處有電動插板門。通過循環(huán)煙氣在鍋爐密相區(qū)營造還原性氣氛抑制NOx的生成。在滿負荷下NOx從不投運煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的323mg/m3降至261mg/m3，NOx降低19.2%，爐膛氧量從7.4%降至6.3%，其床溫由942℃降至925℃，采用該方式有效降低了NOx的含量。

某煤粉鍋爐[9]采用在引風(fēng)機后脫硫增壓風(fēng)機前抽取一股冷煙氣分別進入一次風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道和二次風(fēng)聯(lián)絡(luò)風(fēng)道，入風(fēng)道前均設(shè)有電動擋板控制系統(tǒng)。在50%負荷下，在僅投用一次風(fēng)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)時，NOx濃度由370mg/m3降至215mg/m3，其NOx降低40%，排煙溫度上升10℃，SCR入口煙溫升高8℃，其廠用電升高0.5%，鍋爐效率降低0.6%。

某鏈條爐[10]采用在引風(fēng)機煙道出口經(jīng)管路引至鏈條爐底部不同分室上，改變循環(huán)倍率降低NOx排放。隨著循環(huán)倍率的上升，改造前NOx濃度330mg/m3降至改造后的270mg/m3，NOx含量降低了約22%，氧量減少1%-2%。

由此可見，煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效的降低NOx的生成，在不同類型的鍋爐中采用煙氣再循環(huán)技術(shù)均能產(chǎn)生一定的效果，抽取不同部位的再循環(huán)煙氣以及進入不同部位的再循環(huán)煙氣其降低的NOx程度不同，因此采用煙氣再循環(huán)技術(shù)需考慮鍋爐的類型以及煙氣抽取的部位等。

5 結(jié)束語

通過對全國各地燃煤鍋爐NOx排放標準的總結(jié)以及NOx生成機理論述，提出的煙氣再循環(huán)技術(shù)原理及應(yīng)用實例，可以看出燃煤鍋爐面臨的低NOx排放標準越來越苛刻，勢必要提出更好地降低NOx的手段。經(jīng)驗證煙氣再循環(huán)技術(shù)可以有效地降低NOx含量減少NOx生成與排放，合適的煙氣再循環(huán)方式可以有效的提高鍋爐爐膛溫度，降低爐內(nèi)氧量，對保證鍋爐低NOx運行有一定的效果，為降低NOx排放提供思路。

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