燃煤火電廠氮氧化物減排技術研究

南陽中譽發電有限公司 侯小春

1 氮氧化物形成和排放機理

1.1 氮氧化物排放標準和限值

隨著人們對環境保護意識的不斷提高，各國對氮氧化物排放的限制也越來越嚴格。燃煤火電廠是氮氧化物排放的主要源頭之一，各地區對其氮氧化物排放的標準和限值有所不同[1]。例如，我國大的燃煤火電廠氮氧化物排放標準為GB13223-2011《大氣污染物排放標準》，限值為150mg/m3。而歐盟對燃煤火電廠氮氧化物排放的標準為2001/80/EC，限值為200mg/m3。

1.2 氮氧化物生成機理

氮氧化物的生成機理是研究燃煤火電廠氮氧化物減排技術的基礎，其氮氧化物生成途徑包括：

一是熱氧化生成。當煤炭中的有機氮化合物暴露在高溫的燃燒氣體中時，發生熱氧化反應，產生一氧化氮（NO），這是氮氧化物中最主要的生成途徑之一。

二是燃料氮化物生成。煤炭中的有機氮化合物在高溫條件下分解產生氨氣（NH3），然后氨氣與燃燒過程中的氧氣反應生成一氧化氮（NO），這種機制在燃煤火電廠中也會貢獻一定比例的氮氧化物排放[2]。

三是熱解和重組反應。高溫下，煤炭中的有機氮化合物和氨氣可能發生熱解和重組反應，生成氨氣和一氧化氮。

四是燃料中的無機氮化合物氧化。煤炭中存在的無機氮化合物，如氰化物和銨鹽，在燃燒過程中會發生氧化反應，產生一氧化氮和二氧化氮（NO2）。

1.3 氮氧化物排放來源

氮氧化物的排放來源主要包括燃料中的氮和空氣中的氮的氧化。燃料中的氮氧化物排放主要來自燃料中的有機氮和無機氮化物，例如氨基酸、蛋白質、尿素和氨等。當燃料在高溫和高壓條件下進行燃燒時，燃料中的氮和氧會發生反應，產生NO 和其他氮氧化物。此外，空氣中的氮和氧也會在高溫和高壓條件下發生反應，形成NO。煤炭中的無機氮和空氣中的氮在高溫和高壓條件下也會反應，生成NO。因此，燃煤火電廠是氮氧化物的主要排放來源之一。

2 燃煤火電廠氮氧化物減排技術

2.1 氮氧化物排放計算公式

氮氧化物的排放計算包括煙氣排放計算和燃料消耗計算。其中，煙氣排放計算公式根據燃燒產生的煙氣中氮氧化物的含量和排放量進行計算，常見的計算式為：

NOx 排放量=[NOx]×V×α

其中，[NOx]為單位體積煙氣中NOx 的濃度，V 為煙氣排放速度，α 為排放系數。

而燃料消耗計算公式則是根據燃料的化學計量比和燃燒產生的氮氧化物的摩爾數進行計算，常見的計算式為：

NOx 排放量= 燃料消耗量×NOx 生成率×1000/分子量

其中，NOx 生成率指的是每燃燒1m3燃料所生成的NOx 摩爾數，分子量指的是NOx 分子的相對分子量。

2.2 SNCR 技術

選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）技術是一種常用的燃煤火電廠氮氧化物減排技術，通過在燃燒過程中注入還原劑，使其與燃燒產生的氮氧化物發生反應，從而減少氮氧化物的排放[3]。

2.2.1 特點

SNCR 技術無須使用催化劑，降低了設備成本和維護成本，可在現有燃燒系統中進行改造，方便技術的應用和推廣，適用于低溫燃燒系統，如燃煤火電廠鍋爐的尾部。

2.2.2 原理

還原劑注入。在燃燒過程中，適量的還原劑（如氨水、尿素溶液）通過噴嘴或噴淋裝置注入燃燒系統。

反應區域。還原劑在燃燒區域或燃燒產物混合區域與燃燒過程中生成的氮氧化物發生反應。

還原反應。還原劑中的氨在高溫下分解為氨氣，氨氣與氮氧化物反應生成氮氣和水。

采用NH3作為還原劑:

4NH3+ 4NO+ O2→4N2+6H2O

4NH3+ 2NO+ 2O2→3N2+6H2O

8NH3+ 6NO2→7N2+12H2O

而采用尿素作為還原劑:

CO（NH2）2→2NH2+ CO

NH2+ NO →N2+ H2O

CO + NO →N2+ CO2

SNCR 技術的效果受到多種因素的影響，包括還原劑的注入位置、注入量、燃燒溫度和氧化還原環境等。通過合理調整這些參數，可以實現對氮氧化物的有效減排[4]。然而，SNCR 技術也存在一些限制，如反應效率對燃燒條件敏感、還原劑的選擇和儲存等方面的問題。因此，在實際應用中需要綜合考慮燃燒系統特點和運行條件，進行技術的優化和改進。

2.3 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術是一種通過改變燃料和空氣的供給方式，降低燃燒過程中氮氧化物生成的技術。其主要原理是通過優化燃燒過程，使燃料與空氣充分混合，控制燃燒溫度和氧化還原環境，以減少氮氧化物的生成。

2.3.1 特點

低氮燃燒技術適用于不同類型的燃煤火電廠，包括燃煤鍋爐和燃煤發電機組。通過優化燃料供給、燃燒器設計和燃燒控制參數，可以實現較低的氮氧化物排放。低氮燃燒技術相對于其他技術而言，操作簡單，投資成本較低。

2.3.2 原理

燃料改進。通過選擇低氮燃料或燃料添加劑，減少燃料中的氮含量，從源頭上降低氮氧化物的生成。

空氣分布優化。通過調整燃燒器結構和供氣方式，使燃料與空氣充分混合，實現均勻燃燒，減少局部高溫區域的形成。

過量空氣控制。合理控制燃燒過程中的空氣供給量，以確保燃燒反應充分進行，避免過高的燃燒溫度和氮氧化物的生成。

燃燒控制技術應用。結合分級燃燒、燃燒溫度控制等技術手段，進一步降低氮氧化物排放。

低氮燃燒技術的效果與燃料特性、燃燒器設計和操作控制等因素密切相關。針對不同的燃煤火電廠，需要進行系統的技術改進和優化，以實現最佳的低氮燃燒效果。同時，還需注意燃燒穩定性、設備運行安全和經濟性等方面的考慮。

2.4 復合技術

復合技術是指將多種氮氧化物減排技術相結合，通過綜合應用不同技術的優勢，以達到更高效的氮氧化物減排效果的技術方案。復合技術在燃煤火電廠的氮氧化物控制中得到廣泛應用。

2.4.1 特點

復合技術通過綜合應用不同的氮氧化物減排技術，可以充分發揮各技術的優勢，提高減排效率。

可根據具體情況和要求，選擇適合的技術組合，以滿足燃煤火電廠的氮氧化物減排目標。

通過優化技術組合和相互協同作用，可以實現更低的氮氧化物排放水平。2.4.2 原理

復合技術通常采用多階段的技術組合，將不同的氮氧化物減排技術有機結合起來，形成一個系統的氮氧化物控制方案。可以將燃燒控制技術、SCR技術、SNCR 技術、低氮燃燒技術等按照具體情況和需求進行組合，形成技術鏈條，實現氮氧化物的逐級減排。通過前段技術的處理，如燃燒控制和低氮燃燒技術，可以在燃燒過程中降低氮氧化物生成；而后段技術，如SCR 技術和SNCR 技術，可以進一步將殘留的氮氧化物轉化為無害物質。

復合技術的應用需要綜合考慮技術的適用性、可行性和經濟性。在實施復合技術時，需要合理選擇技術的順序和配置，以提高氮氧化物的減排效果。此外，對于復合技術的應用，還需要進行系統的運行監測和調整，以保證技術的穩定性和持續的減排效果。

3 典型技術的分析與評價

案例名稱：某燃煤火電廠SCR 技術應用分析

工作原理：SCR 技術通過在煙氣中噴入氨氣或尿素，利用催化劑的作用，將煙氣中的NOx 轉化為無害的氮氣和水。

催化劑通常采用釩（V2O5）或鎢（WO3）等成分，催化劑層通過催化作用促進NOx 和還原劑之間的反應。

適用范圍：SCR 技術適用于燃煤火電廠的尾部煙氣處理，特別適用于高溫燃燒系統。

可以與其他氮氧化物減排技術結合應用，形成復合技術方案，以進一步提高減排效果。

SCR 技術優缺點對比詳見表1。

表1 SCR 技術優缺點對比

成本效益：SCR 技術能夠顯著降低燃煤火電廠的氮氧化物排放，符合環境保護要求，有助于企業獲得減排獎勵和政府補貼。

技術成本主要包括催化劑購置、設備安裝和運行維護等方面，需要進行綜合經濟評估和成本效益分析。

通過分析該案例，可以得出SCR 技術在燃煤火電廠氮氧化物減排方面的工作原理、適用范圍、優缺點以及成本效益方面的結論：SCR 技術在燃煤火電廠氮氧化物減排方面具有較高的減排效率和適應性，通過催化劑的作用將煙氣中的NOx 轉化為無害物質，工作原理清晰明了。

SCR 技術適用于高溫燃燒系統，可與其他減排技術結合應用，形成復合技術方案。

優點包括高效減排、適應性強和穩定性高，但也存在額外還原劑和催化劑維護等方面的成本和管理要求。

在經濟效益方面，SCR 技術能夠滿足環境保護要求，有助于獲得減排獎勵和政府補貼，但需要進行綜合經濟評估和成本效益分析。

基于這些結論，燃煤火電廠在考慮氮氧化物減排技術時可以充分考慮SCR 技術的應用。需要根據具體情況評估催化劑和還原劑的成本、設備安裝和維護成本以及預期的減排效果。同時，可以綜合考慮復合技術方案，將SCR 技術與其他技術相結合，以進一步提高減排效果和經濟性。最后，加強技術運行監測和維護，確保SCR 技術的穩定運行和持續減排效果。

4 技術應用前景展望

未來，燃煤火電廠氮氧化物減排技術的應用將面臨廣泛的潛在應用和挑戰。技術將擴展到中小型火電廠和工業鍋爐等領域，但需要考慮技術的可行性、成本效益和適應性。挑戰方面，煙氣中復雜的污染物組分、催化劑的穩定性以及運行條件和負荷變化對技術的影響需要解決。

5 結語

論文系統研究了燃煤火電廠氮氧化物減排技術，總結了其工作原理、適用范圍、優缺點和成本效益。通過分析案例和數據，發現SCR 技術是一種有效的減排技術，在實際應用中取得了顯著的減排效果。然而，技術的推廣和應用仍面臨著一些挑戰，如適應不同地區法規標準、處理復雜煙氣成分以及經濟成本的考量。因此，建議加強技術推廣、加強技術轉化和運行維護，以推動燃煤火電廠氮氧化物減排技術的應用。同時，未來的技術發展應注重提高減排效率、降低成本，并積極應對新的環境挑戰，這將為燃煤火電廠的可持續發展和環境保護作出積極貢獻。