生物質(zhì)直燃鍋爐脫硝技術(shù)研究進(jìn)展

劉作　孟嫚嫚　羅冰　郭會(huì)朋　王海峰

摘要：隨著國內(nèi)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，生物質(zhì)鍋爐脫硝面臨巨大壓力。本文綜述了生物質(zhì)直燃鍋爐NOx的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)生物質(zhì)直燃鍋爐的脫硝技術(shù)進(jìn)行研究和分析，為生物質(zhì)直燃鍋爐脫銷技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞： 生物質(zhì)； 鍋爐； 脫硝； 氮氧化物

一、生物質(zhì)直燃鍋爐NOx產(chǎn)生的機(jī)理

生物質(zhì)燃料具有水分變化大、熱值低、揮發(fā)分高、密度小的特點(diǎn)。燃燒時(shí)給料均勻性差，造成爐膛內(nèi)燃燒區(qū)溫度變化劇烈，再加上燃料中氮含量相差較大，生物質(zhì)鍋爐出口NOx初始排放濃度波動(dòng)很大。

生物質(zhì)直燃鍋爐生成的氮氧化物主要是NO和NO2，流化床生物質(zhì)鍋爐燃燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生N2O[7]。生物質(zhì)燃料燃燒過程中，NOx的形成主要有三種形式：燃料型NOx、熱力型NOx和快速型NOx。在1400℃以下，熱力型NOx生成量很少，生物質(zhì)直燃鍋爐爐膛溫度在750～1000℃左右，生成的熱力型NOx較少，約占10～20%，快速型NOx的生成量占總量的5%以下。燃料型NOx主要決定于燃料中的氮含量，且一般在600～800℃左右形成，此溫度與生物質(zhì)鍋爐爐膛溫度高度重合，生物質(zhì)直燃鍋爐生成的燃料型NOx約占60～80%。

二、常規(guī)脫硝技術(shù)

降低生物質(zhì)直燃鍋爐NOx排放主要有兩種技術(shù)路線，低氮燃燒技術(shù)（控制燃燒過程中NOx的生成）和煙氣脫硝技術(shù)（對(duì)生成的NOx進(jìn)行處理）。

（一）低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)主要工藝途徑有空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)、低過?？諝馊紵约安捎玫蚇Ox燃燒器等。采用低氮燃燒技術(shù)，脫硝效率受爐膛燃燒工況影響大，僅能達(dá)到10%至30%，且會(huì)在一定程度上降低燃燒效率。

（二）煙氣脫硝技術(shù)

目前主流的煙氣脫硝技術(shù)有選擇性催化還原脫硝（SCR）、選擇性非催化還原脫硝（SNCR）以及在二者基礎(chǔ)上發(fā)展起來的SNCR-SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)。

1.選擇性催化還原技術(shù)SCR

SCR技術(shù)采用液氨、氨水或尿素作為還原劑，在催化劑的作用下，將煙氣中的氮氧化物還原為氮?dú)夂退?，催化劑決定了該反應(yīng)溫度區(qū)間為300～420℃。受溫度區(qū)間的限制，脫硝反應(yīng)器有兩種布置形式。一是布置于生物質(zhì)直燃鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間，該工藝占地面積大，對(duì)氣氨的均勻分布及煙氣的分布要求高。另一種布置形式為低溫低塵布置，將SCR反應(yīng)器布置在除塵器之后，對(duì)煙氣再加熱后進(jìn)行脫硝，因煙氣較為干凈，催化劑選型不受影響，但煙氣再加熱費(fèi)用昂貴。在生物質(zhì)直燃鍋爐上使用SCR脫硝效率能達(dá)到70%～90%，但投資高，催化劑昂貴。由于生物質(zhì)燃料熱值低、堿金屬含量高，易出現(xiàn)存在催化劑中毒和反應(yīng)器堵塞、磨損等問題，目前國內(nèi)外SCR催化劑脫硝連續(xù)運(yùn)行時(shí)間最長為三個(gè)月[3]。

2.選擇性非催化還原技術(shù)SNCR

SNCR技術(shù)以爐膛作為反應(yīng)器，使用氨水或尿素作為脫硝劑，不需要催化劑，在850～1100℃的溫度區(qū)間內(nèi)完成脫硝反應(yīng)。具有工藝系統(tǒng)簡單，煙風(fēng)阻力小，占地面積小，投資少的優(yōu)點(diǎn)。SNCR適合爐膛出口煙溫為800～1100℃的鍋爐，而生物質(zhì)灰分中堿金屬含量較高，灰熔點(diǎn)較低，為防止高溫腐蝕和結(jié)焦，大部分生物質(zhì)鍋爐的爐膛溫度控制在750～880℃，且爐膛內(nèi)燃燒區(qū)溫度變化劇烈，尋找合適的SNCR反應(yīng)窗困難。另一方面，受鍋爐爐膛空間限制，難以保證停留時(shí)間，存在氨分布不均和氨逃逸問題。實(shí)際運(yùn)行中，在生物質(zhì)鍋爐上使用SNCR脫硝效率約為15%～50%。

3.聯(lián)合SNCR/SCR脫硝技術(shù)

聯(lián)合SNCR-SCR脫硝技術(shù)是結(jié)合了SNCR技術(shù)投資省、SCR技術(shù)高效的特點(diǎn)而發(fā)展起來的一種新型工藝。聯(lián)合SNCR-SCR工藝最主要的改進(jìn)就是省去了SCR設(shè)置在煙道里的復(fù)雜氨噴射系統(tǒng)。SNCR-SCR聯(lián)合煙氣脫硝具有、脫硝效率高（80%以上）、催化劑用量小、反應(yīng)塔體積小，空間適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在投資高、催化劑壽命有限、氨的逃逸量高等問題。

開發(fā)高效率、低投資、無污染的脫硝技術(shù)是發(fā)展生物質(zhì)直燃鍋爐脫硝的重要方向。固態(tài)高分子脫硝（PCR）是近幾年剛剛興起的一種新型煙氣脫硝工藝，因其脫硝效率高、投資及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種前景廣闊的脫硝技術(shù)，已在實(shí)際工業(yè)中得到應(yīng)用，適合我國國情。

三、固態(tài)高分子脫硝（PCR）

（一）固態(tài)高分子脫硝（PCR）基本原理

固態(tài)高分子脫硝（PCR）工藝是一種爐內(nèi)脫銷工藝，其基本原理類似于SNCR。高分子脫硝劑作為催化還原劑通過粉體氣相自動(dòng)輸送系統(tǒng)輸送到鍋爐爐膛中，在650℃以上被激活、氣化，瞬間與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其還原成N2和H2O，從源頭遏制NOx的生成，其反應(yīng)方程式為：

CnHmNs （PCR高分子脫硝劑）+NOx

CO2+N2+H2O（1）

此技術(shù)的關(guān)鍵在于選擇合適的固態(tài)高分子脫硝劑噴入位置，保證反應(yīng)溫度及脫硝劑與煙氣的充分混合。（見圖1）

（二）固態(tài)高分子還原劑

固態(tài)高分子還原劑是一種以高效還原活性的功能高分子材料為主要組成成分的固態(tài)粉末混合物。其中含有的主要組份有：功能高分子還原材料（CnHmNs）、乳化劑、分散劑、緩釋劑、活化劑和滲透劑，以及由氧、鎂、鋁、硅、鈣、鋇、錳和稀土元素等化合物組成的催化劑及其助劑。

還原劑借助稀土元素增加催化劑的活性，借助介孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合載體強(qiáng)化加氫還原活性完成加氫脫銷過程，降低生物質(zhì)燃燒后的煙氣中NOx的排放量。（見圖2）

（三）固態(tài)高分子脫硝（PCR）的優(yōu)勢

固態(tài)高分子脫硝（PCR）采用標(biāo)準(zhǔn)化的氣流混合及輸送一體化裝置，不受現(xiàn)有脫硝現(xiàn)場的場地及空間限制，特別適合對(duì)SCR脫硝場地有嚴(yán)格要求的場合，工藝簡單，使用方便，空間布置靈活。且脫硝劑費(fèi)用低，脫硝能耗少，使用成本低。

和傳統(tǒng)的SNCR脫硝工藝相比，固態(tài)高分子脫硝工藝無需向爐膛中噴入工藝水，無需消耗氣化潛熱，提高了鍋爐的燃燒效率。在生物質(zhì)直燃鍋爐上應(yīng)用固態(tài)高分子脫硝（PCR）效率可達(dá)80%以上，遠(yuǎn)高于SNCR。高分子脫硝劑的反應(yīng)生成物為CO2和H2O，無其它有機(jī)物產(chǎn)生，沒有有害副產(chǎn)物，無二次污染，不會(huì)形成氨鹽，也無氨逃逸現(xiàn)象。

固態(tài)高分子脫硝（PCR）在華能吉林發(fā)電有限公司農(nóng)安生物質(zhì)發(fā)電廠、南陽鎮(zhèn)平熱電廠等項(xiàng)目已成功投入運(yùn)行。

四、結(jié)語

（一）生物質(zhì)直燃鍋爐中NOx以燃料型為主。生物質(zhì)直燃鍋爐NOx原始排放濃度一般在150～450mg/m3，生物質(zhì)循環(huán)流化床鍋爐比生物質(zhì)爐排鍋爐NOx排放量稍低。

（二）常規(guī)生物質(zhì)直燃鍋爐脫銷技術(shù)主要有低氮燃燒技術(shù)、SCR、SNCR以及SNCR -SCR聯(lián)合脫硝。這些技術(shù)在生物質(zhì)直燃鍋爐應(yīng)用有脫銷效率低、氨逃逸嚴(yán)重、費(fèi)用昂貴、催化劑中毒和反應(yīng)器堵塞、磨損等問題亟需解決，有待繼續(xù)優(yōu)化和發(fā)展。

（三）固態(tài)高分子脫硝（PCR）這一新興脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、投資及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，在生物質(zhì)直燃鍋爐上應(yīng)用具有廣闊前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬文超，陳冠益，彥蓓蓓.生物質(zhì)燃燒技術(shù)綜述[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2007，41 （1）：43-48.

[2]張衛(wèi)風(fēng)，吳彩斌.我國生物質(zhì)燃燒利用技術(shù)研究進(jìn)展[C].第二屆研究生生物質(zhì)能研討會(huì).廣州，2007：12-14.

（通訊作者：劉作）