燃煤工业锅炉减排NOx研究分析

刘 宇，王 凡，朱金伟，张 凡，岳 涛

(1.中国环境科学研究院 北京 100012；2.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054)

燃煤工业锅炉减排NOx研究分析

刘 宇1，王 凡1，朱金伟1，张 凡1，岳 涛2

(1.中国环境科学研究院 北京 100012；2.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054)

通过对我国燃煤工业锅炉NOx排放、污染现状和国内外控制技术进行分析，提出燃煤工业锅炉NOx控制对策和措施，并提出低氮燃烧是降低NOx排放的最经济技术。

燃煤工业锅炉;氮氧化物控制;减排

随着能源消耗量增加、国民经济快速发展，氮氧化物排放量呈显著增加趋势，已使得我国酸雨污染由硫酸型主导，向硫酸和硝酸复合型转变，严重影响了环境质量及人体健康，尤其是近年来氮氧化物排放量的显著增加，使得酸雨中的硝酸根离子所占比例从上世纪80年代的1/10逐步上升到近年来的1/3[1、2]，因此控制NOx排放已成为“十二五”环境保护工作的减排重点。据统计，随着国民经济发展，人口不断增长和能源消费量的增加，中国NOx排放量已由2000年的1177万t增长至2008年的2300万t，其中火力发电是最大来源，NOx排放量为840万t，机动车NOx排放量为480万t，燃煤工业锅炉氮氧化物排放量成为继火力发电、机动车之后的第三大氮氧化物排放源[3]，NOx排放量达250万t。数量多、长期存在使用的燃煤工业锅炉对NOx排放量的贡献作用已不可忽视，研究适合我国燃煤工业锅炉现状的氮氧化物控制技术显得非常必要。

1 燃煤工业锅炉现状

目前全国有工业锅炉约48万台，燃煤量达6.4亿t/a，约占全国原煤年产量的1/4。工业锅炉按燃烧方式可分为手烧炉排锅炉、振动炉排锅炉、链条炉排锅炉、抛煤机炉和循环流化床锅炉等，其中70%以上的为4t/h以下的低压小容量锅炉，绝大多数为层燃炉。较大规模的燃煤工业锅炉将在未来相当长的一段时间内长期存在。但目前国内几乎所有的工业锅炉都没有采取NOx控制技术。

我国燃煤工业锅炉具有如下特点：1）多为低空排放，对城市大气污染贡献率高（45%～65%），是影响城市空气质量的主要污染源之一；2）布局相对分散，大多分布在城市或居民区周边；3）燃煤品质差，且差异大，污染严重；4）污染物排放强度高，NOx排放浓度一般为300～1000mg/m3，NOx排放系数达2.94kg/t煤。

2 NOx生成机理

工业锅炉排放的NOx是燃料与空气在高温燃烧时产生的，主要包括NO、NO2和N2O。在NOx中，NO占有90%以上，NO2仅占2%～10%，产生机理一般分为如下三种。

（1）热力型NOx

燃烧时，空气中的氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应[4、5]。相关研究表明，随着反应温度（T）的升高，其反应速率按指数规律增加，当T＜1500℃时，NOx的生成量很少，而当T＞1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6～7倍。

（2）快速型NOx

快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的，在燃料过浓时，在碳氢化合物燃料燃烧反应区附近会快速生成NOx

[6]。由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx，其形成时间只需约60ms，生成量与炉膛压力的0.5次方成正比，与温度变化的关系不大。

上述两种氮氧化物都不占煤粉燃烧NOx产物的主要部分，不是主要来源。

（3）燃料型NOx

燃料型NOx由燃料中的含氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600℃～800℃时就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx产物中占60%～80%。在其生成过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN等中间产物基团，然后再氧化成NOx[7]。由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化和焦炭中剩余氮的氧化两部分形成。

3 燃煤工业锅炉减排NOx的主要技术措施

基于NOx的生成规律可知，NOx的生成及去除多与以下因素有关：1）煤种特性，如煤的含氮量、挥发分含量、燃料比等[8]；2）燃烧温度；3）炉膛内反应区烟气的气氛，即烟气内的氧气、氮气、NO等的含量[9]；4）燃料及燃烧产物在火焰高温区和炉膛内的停留时间[8]。

围绕燃煤工业锅炉NOx的生成机理，NOx减排技术主要有两大类：一是燃烧方式改进，二是燃烧后的控制治理。

（1）燃烧方式改进技术

燃烧方式改进技术的主要技术措施是改善燃烧条件：包括低过量空气燃烧法、空气分级燃烧法、燃料分级燃烧法、烟气再循环法等[10、11]。

对于现有的锅炉本体进行改造，难度较大，不易推广应用，可将成熟的低氮燃烧措施或技术应用于新推出炉型，并逐渐引导取代现有的落后炉型，有利于取得预想的减排效果。控制NOx形成的因素主要有：空气－燃料比、燃烧区温度及其分布、后燃烧区的冷却程度、低氮燃烧器形状等等；烟气循环燃烧法主要是通过降低氧浓度及燃烧区温度，减少热力型NOx。

（2）炉膛喷射脱硝技术

炉膛喷射脱硝技术主要包括喷氨及尿素（SNCR脱硝）、喷入二次燃料[12]等。基本原理是向炉膛喷射某种物质，在一定的温度条件下还原NO，达到降低NOx排放量的目的。

选择性非催化还原（SNCR）法只在较窄的温度范围内效果较好，故喷射点位置选取比较重要，也受到限制，同时喷入的氨或尿素水溶液与烟气的良好混合是保证脱硝反应充分进行、使用最少量的氨或尿素水溶液从而达到最好效果的重要条件。若喷入的氨未充分反应，则余氨会影响受热面，容易使烟气飞灰沉积，并有可能生成硫酸铵，带来堵塞、腐蚀等隐患。SNCR喷氨法投资少，费用低，但适用范围窄，条件受限，因而良好的混合及反应空间、时间、温度等条件很重要。

（3）烟气脱硝技术

烟气脱硝技术有湿法脱硝和干法脱硝两种，湿法脱硝主要有碱液吸收法、酸吸收法、氧化吸收法、还原吸收法、生物法和络合吸收法等，干法脱硝有烟气催化脱硝（SCR脱硝）、电子束照射烟气脱硝、同时脱硫脱硝法等[13、14、15]。

目前，干法脱硝占主流地位。主要原因是NOx与SO2相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；NOx经还原后成为无毒的N2和O2，脱硝的副产品便于处理；NH3对烟气中的NOx可选择性吸收，是良好的还原剂。湿法与干法相比，主要缺点有：装置复杂且庞大、要处理排水、内衬材料易被腐蚀、副产品处理较难以及电耗大等。

4 结论

低氮燃烧技术是降低燃煤工业锅炉NOx排放量最主要也是较经济的技术，但一般效率仅为50%左右。对于较高的排放要求，还必须进行烟气脱硝，脱硝技术面临的难点主要为处理烟气量大、NOx浓度相对低。

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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

国家“863计划”项目：燃煤锅炉烟气的脱硫脱汞的新技术研究（2008AA06Z318）；中央级公益性科研院所基本科研业务专项：工业锅炉NOx综合控制技术研究（2009KYYW02）。