烟气炉内脱硝技术

电站锅炉、工业锅炉、焚烧炉、燃气轮机等的烟气会向环境排放NO和NO₂等氮氧化物（通称为“NO_X”），氮氧化物（NO_X）是造成大气污染的主要污染物，目前国内65%的NO_X是燃煤产生的，而我国又是最大的煤炭生产国和消费国，因NO_X对人体有害、引发酸雨、并且是光化学烟雾的重要产生原因，据专家预测，如不采取有效措施，随着工业的发展在未来5-10年内NO_X的排放将超过SO₂而成为第一大酸性污染物。NO_X的排放受到越来越严格的限制，现有控制NO_X排放的技术主要有三种：

1、分级燃烧，实施方式包括低NO_X燃烧器（LNB）和燃料再燃。但分级燃烧技术对NO_X的生成和排放控制有一定限度，LNB一般只有30-50%的效率，再燃的效率约为50-60%，单采用分级燃烧难以达到NO_X的排放控制标准。

2、选择性催化还原（SCR），即在催化剂表面、通过氨或尿素等含氮还原剂（N-agent）来还原NO_X。一般SCR系统安装在420℃左右的烟气温度范围。虽然SCR系统能相对容易地实现80-90%的NO_X降低率，但此方法存在的缺点是：需要设置催化剂反映塔、催化剂费用高、烟气中导致催化剂失效的因素较多，燃煤时催化剂的使用寿命仅约为四年，而且失效的催化剂是危险固废。

3、选择性非催化还原法（SNCR），在高温段将还原剂喷入从而将NO_X还原为分子态的氮，现有技术中常用的还原剂是氨和尿素，此时SNCR只在一个很狭窄的温度范围内（氨：900-1100℃;尿素：900-1500℃）有效。温度更高的条件下，还原剂本身被氧化成NO；而低于最佳反映温度时，选择性还原反应速度很慢从而造成未反应的还原剂泄漏（如氨泄漏）。而且在现有的燃烧系统中，最佳温度范围（即通常被称为“温度窗口”）可能随时燃烧工况的变化（如锅炉负荷的变动）和烟道内较大的温度梯度的变化而发生改变，这给还原剂的喷射位置的确定带来了很大的困难。除温度窗口外，影响SNCR的效果的因素还有烟气中的氧量等。

目前，国内外已开发出很多种NO_X的脱除工艺，在各种NO_X脱除工艺中，燃煤锅炉采用M型NO_X低燃烧器及M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，可用于炉内主燃烧器燃烧区，未燃烧燃料和还原区，完全燃烧区，高温区和中温区脱除NO_X，且能耐受烟气中氧量升高，脱NO_X还原剂泄露少的炉内脱NO_X新技术。具有不改变锅炉原有结构、无需巨额的前期改造资金、不改变现行的锅炉操作方式、无需占用大量的场地，占地面积小、脱NO_X成本低、设施简单等优点，尤其适合老旧电厂进行脱NO_X技术改造。实验数据表明，炉内脱NO_X效率≥80%。该技术可达到较高的脱NO_X效率而不需要昂贵的催化剂，比采用选择性催化还原法（SCR）和非催化性还原法（SNCR）技术的投资节省50%-70%，运行和维护费用节省60%-75%，脱NO_X工艺简单，性能优越，省去了还原剂氨尿素及铵盐的添加，解决了催化剂堵塞和老化失效更换的问题，节约了大量的资源。M型低NO_X燃烧器与M型炉内燃烧脱NO_X相结合的脱NO_X方法，是一种无需大的设备投入，不用催化剂和免除还原剂氨泄漏，设备投资少，可用于炉内高温区和中温区脱除NO_X且能耐受烟气中氧量升高、脱NO_X还原剂泄露少的M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的炉内脱NO_X技术方法。

一、NO_X炉内燃烧控制技术

某燃煤电厂3台600MW燃烧锅炉辐射再热式、超临界压力、变压运行直流燃煤锅炉，额定蒸发量为1950t/h。炉内脱NO_X系统采用M型低NO_X燃烧器和M炉内燃烧脱NO_X2部分组成。

1、 M型低NO_X燃烧器

（1）工作原理

采用一次风不分股的低NO_X燃烧器时，一次风的空气/煤粉比与NO_X产生量的关系如图1所示

由图可知：当一次风的空气/煤粉比值在0-Cmax之间时，NO_X的产生量随空气/煤粉比的增加而增大；在空气/煤粉比接近Cmax时（煤中挥发性物质完全燃烧所需要的理论空气量与煤粉量之比），NO_X的产生量出现最高值；当空气/煤粉比在Cmax-Cmin之间时，NO_X的生产量随空气/煤粉比的增加而减少；在空气/煤粉比接近Cmin时（煤粉完全燃烧所需要的理论空气量与煤粉量之比），NO_X的产生量达到最低值；当一次风的空气/煤粉比＞Cmin，NO_X的产生量随空气/煤粉比的增加而急剧增加。

一般情况下，一次风的空气/煤粉比在C₀附近，有时可能达到Cmax，这主要决定于干燥煤粉和输粉的条件。因此，采用一次风不分股的低M型NO_X燃烧器时，燃料燃烧所生成的NO_X相当于（NO_X）C₀，NO_X的生成量就有可能接近峰值；如果减少一次风的量，控制一次风的空气/煤粉比在较低水平，使煤粉在浓燃料条件下燃烧，虽然可以降低NO_X的生成量，维持稳定燃烧，但飞灰中的未燃碳将很高。反之，如果增加一次风量，将一次风的空气/煤粉比控制在较高水平，使煤粉在稀燃料条件下燃烧，虽然可以减少NO_X的生成量和飞灰中的未燃碳，但燃烧不稳定。

为解决类似矛盾，在一次风不分股的SGR型低NO_X燃烧器的基础上，研制了M型低NO_X燃烧器，将一次风分成浓燃料和稀燃料2股，其一次风的空气/煤粉比与NO_X的生成量的关系亦如图1所示。浓燃料燃烧的空气/煤粉比在C₁附近，生成的NO_X为（NO_X）_c1；稀燃料燃烧的空气/煤粉比在C₂附近，生成的NO_X为（NO_X）_c2；一次风与粉煤燃烧生成的总NO_X相当于（NO_X）_PM；SGR型低NO_X燃烧器生成的NO_X为（NO_X）_c0，显然，（NO_X）_PM＜（NO_X）c₀，由于浓燃料燃烧时的粉煤浓度大、着火温度低，产生了易于着火的粉煤气流，同时，浓相煤粉着火后产生集中的火焰，提供了稀相煤粉气流的着火能量，既提高了着火的稳定性，又降低了飞灰中的未燃碳。

（2）组成与结构

M型低NO_X燃烧器由浓燃料和稀燃料煤粉分离器、浓燃料煤粉喷嘴、稀燃料煤粉喷嘴、二次风喷嘴、再循环烟气喷嘴、油枪喷嘴组成，其结构如图2所示。

（1）特点

a采用M型低NO_X燃烧器可以将NO_X排放质量浓度控制在410mg/m³（本文烟气量均指标准状态值）以内；

b点火的稳定性大大提高；

c维持良好的燃烧，未燃碳较少；

d锅炉的效率和性能较使用常规燃烧器时有不同程度的提高；

e燃烧器结构简单，可燃用常规的燃烧煤；

f与常规的燃烧系统组合时，没有因减排NO_X而产生的专门费用。

1、 M型炉内燃烧脱NO_X法

（1）工作原理

锅炉燃烧所产生的烟气，大约95%的NO_X是NO。在炉膛内，NO有可能发生2种截然相反的化学反应：a在较低的反应温度和较高浓度O₂的条件下，NO与O₂发生氧化反应，生成NO_X。b在较高的反应温度和较低浓度O₂的条件下，NO与煤炭发生还原反应，生成无害的N₂。在发生NO还原反应的同时，由于空气量不足，将造成烟气中的碳氢化合物和CO等可燃性物质增加。在这种情况下，应当在NO还原反应的下游区域，分级供给燃料完全燃烧所需要的空气量，使得燃烧完全燃烧。

M炉内燃烧脱NO_X法的基本原理如图3所示。燃料燃烧所需要的空气通过燃烧器喷嘴（MB）、然尽风喷嘴（OFA）和增量风喷嘴（AA）分3次在3个不同的燃烧区域供给，在炉膛内形成1.主燃烧气燃烧区2.未燃烧燃料和还原区3.完全燃烧区等3个不同的燃烧区或使得燃烧在3个不同的空气/燃料区域内完成，以实现空气的分级燃烧，延长完全燃烧的时间，降低炉膛温度水平，从而有效的抑制NO_X产生，并保证燃料的完全燃烧。

3、燃烧过程

如图3所示，M炉内燃烧脱NO_X在各个燃烧区域的燃烧过程如下：

（1）主燃烧器燃烧区。在该区域，煤粉分成浓相燃料和稀相燃料2股，分别通过浓相燃料喷嘴和稀相燃料喷嘴由一次风送入燃料室，并与二次风在喷燃器口混合入炉燃烧，由于此燃烧区域内空气/燃料比较小，燃料供养不足、炉温较低，不仅减少了燃料型NO_X的生成量，而且很少生成热力型NO_X。其主要化学反映为：

C_nH_m O₂→CO₂ H₂O   

N O₂→NO     

（2）未燃烧燃料和还原区。当燃烧着的气粉流与燃尽风喷嘴（OFA）供给的燃尽风相遇时，燃烧进入未燃烧燃料和还原区域。在此区域内，燃料因接触到补充的空气而进一步燃烧，炉温相对升高，同时，煤炭参与燃烧。由于此区域内空气/燃料比刚刚接近于燃烧所需要的理论空气量，燃料供氧仍然不足，煤炭的还原能力很强，部分NO_X被还原，因此，实际生成的NO_X反而减少。主要化学反应为：

C_nH_m O₂→H₂ CO C_n′H_m′                 

C_n′H_m′ NO→Nh_i N₂ C_n′′H_m′′                

（3）完全燃烧区。在炉膛上部，通过增量风喷嘴（AA）将燃料燃烧所需要的过量空气送入炉膛，形成完全燃烧区。在该区域内，由于过量空气的存在，保证了煤粉的完全燃烧及锅炉的效率，将飞灰的含碳量控制在合理的范围内。同时，由于过量空气的存在烟气中存在的过剩氧气与游离氮结合生成部分NO_X。但是，此时燃烧温度已降低，NO_X的生成量是有限的。主要化学反应为：

C_n′′H_m′′  O₂→CO₂ H₂O                  

C_n′H_m′ O₂→CO₂ H₂O 

CO H₂ O₂→CO₂ H₂O 

Nh_i  O₂→NO N₂                 

3、技术特点

（1）对燃料的适应性强，适用于煤、油、汽等燃料：

（2）不增加机组运行费用，不用触媒，也不需要喷氨；

（3）不增加新的环境污染物；

（4）锅炉效率和烟气量不发生变化；

（5）锅炉运行状况好，燃烧稳定，能保证锅炉的安全运行；

（6）脱NO_X效率高，最高可达50%；

二、M型炉内燃烧脱NO_X法的运行与控制效果

某燃煤厂1~3号机组600MW燃煤锅炉采用双炉膛、双火球设计，同时采用M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X法控制NO_X。每台炉有5层，每层布置8只，共40只，M型低NO_X燃烧器，16只油燃烧器。每台锅炉共设计80个一次风喷嘴、24个二次风喷嘴、16个带油枪的二次风喷嘴、8个燃尽风喷嘴（OFA）/24个增量风喷嘴(AA),以实现空气的分级燃烧，有效地抑制NO_X的产生，同时保证燃料的完全燃烧。1~3号锅炉实际运行中NO_X排放质量浓度、锅炉效率、飞灰中未燃烧质量分数、省煤器出口CO、省煤器出口氧量等的测试结果见表1.

1、NO_X的控制效果

据调查，我国燃煤电厂中采用常规燃烧器的固态排渣锅炉中的NO_X排放质量浓度一般在600~1200mg/m³之间；而采用低NO_X燃烧器的固态排渣锅炉中，NO_X的排放质量浓度一般在400~500mg/m³之间。据介绍，单独采用M型低NO_X燃烧器，可以将NO_X的排放质量浓度控制在410mg/m³以内；采用M型炉内燃烧脱NO_X法，其脱NO_X效率最高可达50%。若同时采用M型低NO_X燃烧器和M炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，可以将锅炉排烟中的NO_X排放质量浓度控制在308mg/m³以下，表1的结果表明：同时采用M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，锅炉烟气中NO_X的质量浓度在250~300mg/m3之间，不仅达到锅炉设计的NO_X<308mg/m3的性能保证值，而且远低于采用常规燃烧器或仅采用低NO_X燃烧器的固态排渣锅炉的排放水平。其NO_X排放浓度仅相当于《火电厂大气污染排放标准》（GB13223-1996）规定值的38.46%~46.15%。具有十分显著的NO_X控制效果。

表1 某厂1~3号炉脱NO_X效果测试结果

 

三、锅炉效率

锅炉效率的设计值为89.78%（按高位热值计）和93.44%（按低位热值计）。采用M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法后，实测锅炉效率在90.35%~90.91（按高位热值计）之间。在各种负荷条件下，实测锅炉效率均高于其性能保证值。

四、飞灰中的未燃碳

表1中的测试结果表明，同时采用M型低NOX燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，1~3号锅炉飞灰中的未燃碳在1.64%~4.1%之间，与同类锅炉飞灰中的未燃碳水平相当。同时省煤器出口CO测试值在0~20mg/m3之间，说明煤粉中的可燃物已基本燃尽，锅炉燃烧是充分的。

五、锅炉烟气质量

实际运行测试表明，采用了M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，在600MW负荷下，省煤器出口氧量测试值在3.1%~3.2%之间，过剩空气系数小于1.20，在450MW负荷下，省煤器出口氧量测试值在3.8%~4.6%之间，过剩空气系数小于1.29，在300MW负荷下，省煤器出口氧量测试值在4.9%~5.4%之间，过剩空气系数小于1.35。与未采用M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合方法的600MW超临界直流锅炉相比，省煤器出口氧量及过剩空气系数相当，说明锅炉烟气量并没有增加。

六、市场前景

(1)同时采用M型低NO_X燃烧和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，对NO_X的控制效果显著，600MW燃煤锅炉NO_X排放水平远低于《火电厂大气污染排放标准》（GB13223-1996）的规定值。

   （2）M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法，技术成熟，易于操作，且可确保锅炉安全、经济、稳定地运行，锅炉效率等于或优于未采用M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合法的600MW超临界直流锅炉，且不增加机组运行费用，也不产生其他次生污染物。

   （3）M型低NO_X燃烧器和M型炉内燃烧脱NO_X相结合的方法可作为我国燃煤电厂，特别是大中型燃煤电厂控制NO_X污染的手段之一。

来源：环保废气圈  米导设计工作室