如何降低锅炉烟气中的氮氧化物（NOX）

　　1、引言 
　　燃料与空气在高温燃烧时会释放出氮氧化物，统称为NOx，主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）及氧化亚氮（N2O），其中，NO约占95%，No2等仅占5%。NO排入大气后与空气中的氧结合成NO2，NO2在一定的条件下进一步氧化成N2O。燃煤锅炉在1996年时，国家要求应控制在650mg/m3，在2004年第3时段排放的标准进一步加强，规定控制在450 mg/m3；今年，国家环保总局下达新的环保要求，京津冀等地要达到≤100 mg/m3的要求，这对我们沧东电厂（属于京津冀地区）来说，任务非常艰巨。因此，对于我们燃煤机组的火电厂、热电厂减少NOX的排放则迫在眉睫。在燃烧期间， NOX生成途径共有3条： 
　　热力型的NOX：即空气中氮是在高温（1400℃以上）下经氧化而产生；快速型的NOX是因为燃料挥发物中的碳氢化合的物高温分解而生成的CH自由基与空气中的氮气反应所生成的HCN及N，更进一步的跟氧气作用并以飞快的速度所生成NOx；燃料型的NOX为燃料中含有的氮化合物在燃烧期间氧化而生成NOx，称之为燃料型的NOx。 
　　2、降低的方法 
　　许多电厂投产较早，在设计之初并没有脱硝的设备，对于没有脱硝设备与脱硝燃烧器的燃煤的锅炉来说，应该采取低氮燃烧的技术来降低NOX生成的机会。 
　　1）在燃用挥发成分比较高的烟煤期间，燃料型NOX含量比较多，而快速型NOx很少。因为燃料型NOX是空气中的氧跟煤中氮元素热解产物发生反应而生成的NOx，燃料中氮并不是全部都转变为NOX，它存在着一个转换率，要想降低这个转换率，从而控制NOx的排放总量，可以采取以下措施： 
　　（1）减少燃烧的过量空气系数，降低锅炉风量（氧量）是降低NOx的有效手段；（2）控制燃料与空气的前期混合，适当降低一次风量；（3）提高入炉的局部燃料浓度。 
　　2）降低燃烧最高温度区域的范围： 
　　（1）要降低锅炉燃烧的峰值的温度，高负荷期间，锅炉内部的燃烧剧烈，温度较高，因此易生成NOx；（2）降低燃烧的过量，空气的系数及局部氧的浓度。 
　　具体的来说，则是在确保锅炉在燃烧安全的前提下，选择以下措施以减少氮氧化物的生成： 
　　（1）低过量空气的燃烧。要使燃烧的过程尽可能的在接近理论空气量的条件下来进行，伴随着烟气中过量氧的减少，以抑制NOX的生成。控制低过量空气的燃烧，不仅可以有效减少氮氧化物，还能有效降低引送风机电耗，达到节能降耗的目的，一举多得。但是，在低氧燃烧的同时，要注意控制CO的生成量，若CO含量多，锅炉燃烧不完全，造成燃烧不经济。同时，低负荷时，为保证燃烧安全，也不宜使用低氧燃烧。 
　　（2）空气分级燃烧。基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成，采用倒三角的配风方式。正确配风，调节各二次风门开度，或二次风门采用腰凹形配风，减少燃烧区域的氧量，能有效降低氮氧化物。 
　　3、改用低氮燃烧器 
　　我厂神华河北国华黄骅发电厂一期工程建设2×600MW 亚临界燃煤发电机组，1 号机组、2 号机组分别于2006 年6 月、12 月投入商业运行。在设计之初，两台锅炉NOX 排放浓度（6%O2）为350～400mg/Nm3，为满足日益严格的环保要求， 1 号、2 号锅炉需进行加装烟气脱硝装置的改造。同时在保证锅炉安全、经济运行前提下，对1 号、2 号炉燃烧器进行改造。 
　　锅炉低NOx 燃烧改造后的性能保证指标： 
　　1） 燃烧器设计应采用国内先进超低氮燃烧技术，以抑制 NOx 的生成。 
　　2） 燃用目前实际运行煤种，保证锅炉在额定负荷下，NOx 排放不超过100mg/m3（干基、6%O2、以NO2 计），在50%BMCR 负荷以上的其他负荷段，NOx 排放不超过150mg/m3（干基、6%O2、以NO2 计）。3） 锅炉最低稳燃负荷为 30%-BMCR 负荷。4） 锅炉效率不低于原设计值（93.66%），并且不低于改造前的摸底试验的锅炉效率。 
　　改造后的燃烧器采用复合式空气分级低NOx 燃烧技术。通过采用高级复合式空气分级低NOx 燃烧技术和炉膛布置的匹配来满足NOx 排放量小的要求，主要采用以下技术措施，来保证NOx 排放要求。 
　　采用可水平摆动紧凑燃尽风（CCOFA），分为CCOFA1和CCOFA2两层紧凑燃尽风、可水平摆动的高位燃尽风（SOFA），分为6层高位燃尽风、预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）、宽调节比（WR）煤粉喷嘴。 
　　复合式空气分级低NOx 燃烧技术是这样的一个系统，为使当挥发氮物质形成时、非常关键的早期燃烧阶段中O2 降低，它把整个炉膛内分段燃烧和局部性空气分段燃烧时降低NOx 的能力结合起来，在初始的富燃料条件下促使挥发氮物质转化成N2，因而达到总的 NOx 排放减少。该系统的设计概念是把注意力集中到锅炉的整套燃烧系统上。该系统包括制粉系统、煤粉喷嘴以及多层辅助风（CFS、CCOFA 和SOFA）的优化设计。 
　　采用CCOFA 与SOFA 以实现对燃烧区域过量及空气系数的多级控制。任何OFA 系统（包括CCOFA 与SOFA）的设计都应先取决于所要求的NOx 排放水平及煤种的特性，应该针对每一个具体的情况给予决定，同时还要考虑到炉膛形状与煤粉停留时间和炉膛输入热量及制粉系统的性能等参数。通常在主风箱上端设有紧凑的燃尽风（CCOFA），将部分二次风送进炉膛。 
　　4、在省煤器出口加装SCR脱硝装置。 
　　SCR装置运行原理如下： 
　　氨气作为脱硝剂被喷入高温烟气脱硝装置中，在催化剂的作用下将烟气中NOx 分解成为N2和H2O，其反应公式如下： 
　　催化剂 ：4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O 
　　催化剂 ：NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O 
　　一般来说，通过使用适当的催化剂，上述反应就可以在200 ℃～450 ℃的温度范围内有效的进行， 在NH3 /NO = 1的情况下，就可达到80～90%的脱硝效率。 而烟气中的NOx 浓度通常是较低的，可是烟气的体积相对来说很大，所以用在SCR装置的催化剂必定是可以高性能。所以用在此种条件下的催化剂必然能满足燃煤锅炉高的可靠性运行的要求。 
　　SCR的脱硝技术以它脱除效率较高，并适应当前环保的要求，因而得到了电力行业的高度重视及广泛的应用。 而在环保要求很严格的发达国家，例如：德国、日本、美国、加拿大、荷兰、奥地利、瑞典、丹麦等国SCR的脱硝技术早已是应用最多及最成熟的技术之一。依据发达国家的经验， SCR的脱硝技术必将会成为我国的火力电站燃煤锅炉最主要的脱硝技术，并且会得到越来越广泛的应用。 
　　5 结语 
　　1、2号锅炉采用低氮燃烧器改造后，燃烧器出口NOx由改造前300 mg/m3降至130 mg/m3左右。已能保证NOx在较低的水平。在加装选择性反应脱硝（SCR）装置后，能保证排放烟气NOx在50 mg/m3及以下水平。经过燃烧器及脱硝改造，锅炉的燃烧特性改变，需要加强燃烧调整，防止燃烧调节不良等造成汽温超限的异常事件。同时，我们还应防止氨逃逸造成空预器堵灰，反应剂失效等恶性事件的发生。我们应加强对脱硝投入后锅炉燃烧的摸索，既保证燃烧安全经济，又达到环保要求，保证机组安全、环保健康长周期稳定运行。