燃煤工業鍋爐減排NOx研究分析

劉 宇，王 凡，朱金偉，張 凡，岳 濤

(1.中國環境科學研究院 北京 100012；2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054)

燃煤工業鍋爐減排NOx研究分析

劉 宇1，王 凡1，朱金偉1，張 凡1，岳 濤2

(1.中國環境科學研究院 北京 100012；2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054)

通過對我國燃煤工業鍋爐NOx排放、污染現狀和國內外控制技術進行分析，提出燃煤工業鍋爐NOx控制對策和措施，并提出低氮燃燒是降低NOx排放的最經濟技術。

燃煤工業鍋爐;氮氧化物控制;減排

隨著能源消耗量增加、國民經濟快速發展，氮氧化物排放量呈顯著增加趨勢，已使得我國酸雨污染由硫酸型主導，向硫酸和硝酸復合型轉變，嚴重影響了環境質量及人體健康，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”環境保護工作的減排重點。據統計，隨著國民經濟發展，人口不斷增長和能源消費量的增加，中國NOx排放量已由2000年的1177萬t增長至2008年的2300萬t，其中火力發電是最大來源，NOx排放量為840萬t，機動車NOx排放量為480萬t，燃煤工業鍋爐氮氧化物排放量成為繼火力發電、機動車之后的第三大氮氧化物排放源[3]，NOx排放量達250萬t。數量多、長期存在使用的燃煤工業鍋爐對NOx排放量的貢獻作用已不可忽視，研究適合我國燃煤工業鍋爐現狀的氮氧化物控制技術顯得非常必要。

1 燃煤工業鍋爐現狀

目前全國有工業鍋爐約48萬臺，燃煤量達6.4億t/a，約占全國原煤年產量的1/4。工業鍋爐按燃燒方式可分為手燒爐排鍋爐、振動爐排鍋爐、鏈條爐排鍋爐、拋煤機爐和循環流化床鍋爐等，其中70%以上的為4t/h以下的低壓小容量鍋爐，絕大多數為層燃爐。較大規模的燃煤工業鍋爐將在未來相當長的一段時間內長期存在。但目前國內幾乎所有的工業鍋爐都沒有采取NOx控制技術。

我國燃煤工業鍋爐具有如下特點：1）多為低空排放，對城市大氣污染貢獻率高（45%～65%），是影響城市空氣質量的主要污染源之一；2）布局相對分散，大多分布在城市或居民區周邊；3）燃煤品質差，且差異大，污染嚴重；4）污染物排放強度高，NOx排放濃度一般為300～1000mg/m3，NOx排放系數達2.94kg/t煤。

2 NOx生成機理

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

（1）熱力型NOx

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

（2）快速型NOx

快速型NOx是1971年Fenimore通過實驗發現的，在燃料過濃時，在碳氫化合物燃料燃燒反應區附近會快速生成NOx

[6]。由于燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基可以和空氣中氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成NOx，其形成時間只需約60ms，生成量與爐膛壓力的0.5次方成正比，與溫度變化的關系不大。

上述兩種氮氧化物都不占煤粉燃燒NOx產物的主要部分，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℃時就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產物中占60%～80%。在其生成過程中，首先是含有氮的有機化合物熱裂解產生N、CN、HCN等中間產物基團，然后再氧化成NOx[7]。由于煤的燃燒過程由揮發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 燃煤工業鍋爐減排NOx的主要技術措施

基于NOx的生成規律可知，NOx的生成及去除多與以下因素有關：1）煤種特性，如煤的含氮量、揮發分含量、燃料比等[8]；2）燃燒溫度；3）爐膛內反應區煙氣的氣氛，即煙氣內的氧氣、氮氣、NO等的含量[9]；4）燃料及燃燒產物在火焰高溫區和爐膛內的停留時間[8]。

圍繞燃煤工業鍋爐NOx的生成機理，NOx減排技術主要有兩大類：一是燃燒方式改進，二是燃燒后的控制治理。

（1）燃燒方式改進技術

燃燒方式改進技術的主要技術措施是改善燃燒條件：包括低過量空氣燃燒法、空氣分級燃燒法、燃料分級燃燒法、煙氣再循環法等[10、11]。

對于現有的鍋爐本體進行改造，難度較大，不易推廣應用，可將成熟的低氮燃燒措施或技術應用于新推出爐型，并逐漸引導取代現有的落后爐型，有利于取得預想的減排效果。控制NOx形成的因素主要有：空氣－燃料比、燃燒區溫度及其分布、后燃燒區的冷卻程度、低氮燃燒器形狀等等；煙氣循環燃燒法主要是通過降低氧濃度及燃燒區溫度，減少熱力型NOx。

（2）爐膛噴射脫硝技術

爐膛噴射脫硝技術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，在一定的溫度條件下還原NO，達到降低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效果較好，故噴射點位置選取比較重要，也受到限制，同時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充分進行、使用最少量的氨或尿素水溶液從而達到最好效果的重要條件。若噴入的氨未充分反應，則余氨會影響受熱面，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，費用低，但適用范圍窄，條件受限，因而良好的混合及反應空間、時間、溫度等條件很重要。

（3）煙氣脫硝技術

煙氣脫硝技術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，缺乏化學活性，難以被水溶液吸收；NOx經還原后成為無毒的N2和O2，脫硝的副產品便于處理；NH3對煙氣中的NOx可選擇性吸收，是良好的還原劑。濕法與干法相比，主要缺點有：裝置復雜且龐大、要處理排水、內襯材料易被腐蝕、副產品處理較難以及電耗大等。

4 結論

低氮燃燒技術是降低燃煤工業鍋爐NOx排放量最主要也是較經濟的技術，但一般效率僅為50%左右。對于較高的排放要求，還必須進行煙氣脫硝，脫硝技術面臨的難點主要為處理煙氣量大、NOx濃度相對低。

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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

國家“863計劃”項目：燃煤鍋爐煙氣的脫硫脫汞的新技術研究（2008AA06Z318）；中央級公益性科研院所基本科研業務專項：工業鍋爐NOx綜合控制技術研究（2009KYYW02）。