低氮氧化物燃燒技術

低氮氧化物燃燒技術是改進燃燒設備或控制燃燒條件，以降低燃燒尾氣中NOx濃度的各項技術。影響燃燒過程中NOx生成的主要因素是燃燒溫度、煙氣在高溫區的停留 時間、煙氣中各種組分的濃度以及混合程度，因此，改變空氣—燃料比、燃燒空氣的溫度、燃燒區冷卻的程度和燃燒器 的形狀設計都可以減少燃燒過程中氮氧化物的生成。工業上多以減少過剩空氣和採用分段燃燒、煙氣循環和低溫空氣預熱、特殊燃燒器等方法達到目的。

基本介紹

• 中文名：低氮氧化物燃燒技術
• 外文名：low-nitrogen oxides burn-ing technology
• 學科：火力發電
• 影響因素：燃燒條件
• 相關技術：濃淡燃燒技術等
• 技術特點：工藝成熟、投資和運行費用低

發展歷程

國外從20世紀50年代開始就對燃煤在燃燒過程中NO_x的生成機理和控制方法進行研究，研究結果表明：影響NO_x生成和排放最主要的因素是燃燒方式，也即燃燒條件。因此當燃煤設備的運行條件發生變化時，NO_x的排放也隨之發生變化。燃燒溫度、煙氣中O₂、NH_i、CH_i、CO、C和H₂濃度是影響NO_x生成和破壞的最重要的因子，因此凡通過改變燃燒條件來控制上述因子，以抑制NO_x的生成或破壞已生成的NO_x，達到減少NO_x排放的措施，都稱為低NO_x燃燒技術。

低NO_x燃燒技術的主要特點是：工藝成熟、投資和運行費用低。在對NO_x排放要求非常嚴格的國家(如德國和日本)，均是先採用低NO_x燃燒器減少一半以上的NO_x後再進行煙氣脫硝，以降低脫硝設施入口的NO。濃度，減少投資和運行費用。低NO_x燃燒技術是各種降低NO_x排放技術中採用最廣、相對簡單、經濟有效的方法，但他們減少氮氧化物的排放有一定的限度。由於降低燃燒溫度、減少煙氣中氧的濃度等都不利於煤燃燒過程本身，因此，各種低氮燃燒技術都必須以不會影響燃燒的穩定性，不會導致還原性氣氛對受熱面的腐蝕，以及不會不合理地增加飛灰含碳量而降低鍋爐效率為前提。

燃燒技術

國外低氮燃燒技術的發展已經歷三代。第一代技術不對燃燒系統做大的改動；第二代技術以空氣分級燃燒器為特徵；第三代技術則是在爐膛內同時實施空氣、燃料分級的三級燃燒方式(或燃燒器)。

第一代低NOx燃燒技術

這一代技術不要求對燃燒系統做大的改動，只是對燃燒裝置的運行方式或部分運行方式做調整或改進。因此簡單易行，可方便地用於現役裝置，但NO_x的降低幅度十分有限，主要通過以下幾種方式來實現降低NO_x排放濃度。

(1)低過量空氣係數運行。

這是一種最佳化裝置燃燒、降低NO_x生成量的簡單方法。它不需對燃燒裝置做結構修改低過量空氣係數運行抑制NO_x生成量的幅度與燃料種類、燃燒方式及排渣方式有關。電站鍋爐實際運行時的過量空氣係數不能做大幅度的調整。對於燃煤鍋爐而言，降低過量空氣係數會造成受熱面的粘污結渣和腐蝕、汽溫特性的變化及因飛灰可燃物增加而造成經濟性下降。對於燃氣、燃油鍋爐而言，主要限制在於CO濃度超標。

(2)降低助燃空氣預熱溫度。

降低助燃空氣預熱溫度可降低火焰區的溫度峰值，從而減少熱力型NO_x的生成量。這一措施不宜用於燃煤、燃油鍋爐，對於燃氣鍋爐，則有降低NO。排放的明顯效果。

(3)濃淡燃燒技術。

這種方法是讓一部分燃料在空氣不足的條件下燃燒，即燃料過濃燃燒；另一部分燃料在空氣過剩的條件下燃燒，即燃料過淡燃燒。無論是過濃燃燒還是過淡燃燒，其過量空氣係數α都不等於1。前者α<1，後者α>1，故又稱為非化學當量燃燒或偏差燃燒。濃淡燃燒時，燃料過濃部分因氧氣不足，燃燒溫度不高，所以燃料型NO_x和熱力型NO_x都會減少。燃料過淡部分因空氣量過大，燃燒溫度低，熱力型NO_x生成量也減少。總的結果是NO_x生成量低於常規燃燒。

(4)爐膛內煙氣再循環。

把煙氣摻入助燃空氣，降低助燃空氣的氧濃度，是一種降低燃煤液態排渣爐，尤其是燃氣、燃油鍋爐NO_x排放的方法。通常的做法是從省煤器出口柚出煙氣，加入二次風或一次風中。加入二次風時，火焰中心不受影響，其唯一作用是降低火焰溫度，有利於減少熱力型NO_x的生成。對固態排渣鍋爐而言，大約80%的NO_x是由燃料氮生成的，這種方法的作用就非常有限。

對於不分級的燃燒器，在一次風中摻人煙氣效果較好，但由於燃燒器附近的燃燒工況會有所變化，要對燃燒過程進行調整。

(5)部分燃燒器退出運行。

這種方法適用於燃燒器多層布置的電站鍋爐。具體做法是停止最上層或幾層燃燒器的燃料供應，只送空氣。這樣所有的燃料從下面的燃燒器送入爐內，下面的燃燒器區實現富燃料燃燒，上層送人的空氣形成分級送風。這種方法尤其適用於燃氣、燃油鍋爐而不必對燃料輸送系統進行重大改造。德國把這種方法用在褐煤大機組上，效果不錯。

第二代低NOx燃燒技術

這一代技術的特徵是助燃空氣分級送人燃燒裝置，從而降低初始燃燒區(也稱一次區)的氧濃度，相應地也降低火焰的峰值溫度。屬於這一代措施的有現階段廣泛套用於電站鍋爐的各種低NO_x空氣分級燃燒器。如ABB—CE公司的整體爐膛空氣分級直流燃燒器、同軸燃燒系統(CFS I、CFS 11)、低NO_x同軸燃燒系統(LNCFS)及其種類繁多的變異形式、TFS2000燃燒系統；B&W公司的雙調風旋流燃燒器(DRB、DRB—XCL)；Steinmuller公司、德國Babcock公司的各種旋流燃燒器等。

第三代低NOx燃燒技術

這一代技術的主要特徵是空氣和燃料都是分級送人爐膛（如圖1所示）。在一次區內，主燃料在稀相條件下燃燒，還原燃料投入後，形成欠氧的還原區，在高溫(>1200℃)和還原氣氛下析出的NH₃、HCN、C_mHn等原子團與來自一次區已生成的NO_x反應，生成N2。燃盡風投入後，形成燃盡區，實現燃料的完全燃燒。屬於這一代措施是空氣/燃料分級低NO_x旋流燃燒器和用於切圓燃燒方式的三級燃燒。這類低NO_x燃燒技術以Steimuller公司的MSM型燃燒器日本三菱公司開發的MACT低NO_x燃燒系統為典型代表。

圖1

技術措施

影響燃燒過程中NO_x形成的因素包括：①空氣-燃料比；②燃燒空氣的預熱溫度；③燃燒區的冷卻程度；④燃燒器的形狀設計。可降低氮氧化物濃度的方法有：①減少送入燃燒器的過剩空氣；②降低熱風溫度；③降低燃燒室的熱強度；④採用雙面露光水冷壁;⑤人為地使燃料與空氣緩慢混合；⑥採用二段燃燒；⑦煙氣再循環。

在燃用氣體燃料或重油的鍋爐上，運用技術手段減少NOx的濃度獲得了一定的結果。但如何運用技術措施，減少固體燃料燃燒尾氣中NOx濃度，尚處在探索性研究中。

SNCR脫硝工藝

(1) SNCR脫硝工藝分析及存在的問題。

SNCR工藝 (可選擇性非催化降解) 依據氨在高溫下的反應來減少氮氧化物的生成量， 在反應中，氮氧化物由NH₃轉化成氮氣和水蒸氣： 4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

有效脫氮的溫度範圍較窄，最佳溫度為950℃。溫度下降時，氣體反應速率會迅速下 降，脫氮能力亦下降。當高於最佳溫度時，形成NO的同時會加快NH₃的氧化，即降低脫 氮效率。

脫氮用的氨氣宜液態存貯，應使用未加壓、25%液態的NH₃溶液。NH₃氣化後，應添 加空氣或蒸汽稀釋，混合氣體中NH₃的質量濃度應小於5%。應在要求的溫度範圍內吹入含 氨混合氣體，且其應在煙氣流中均勻分布。

使用該工藝存在以下問題：

1) 由於溫度隨鍋爐負荷和運行周期變化，及鍋爐中NO_x濃度的不規律性，該工藝套用 時變得較複雜。因此，在很大區域內、在鍋爐不同高度裝有大量的入氣口。甚至將每段高度 再分成幾小段，每小段分別裝有入氣口和NH₃測量儀。這增加了測量和控制NH₃的難度， 因此該工藝的脫氮效率不高。

2) 在吹入氨氣量較多、溫度降至最佳值以下、吹氣均勻度較低、吹氣量較少導致溫度 和氮氧化物含量不對稱時，未反應的氨氣比例將增加，會有氨氣逸出。

當氨氣逸出時，它與煙道內的剩餘物反應發生堵塞，如堵塞空氣加熱器等。因為NH₃ 與SO₃和煙氣中的水分析出，會在較冷部件中形成硫化氫氨，形成黏性沉積物，增加了飛灰 的堵塞、腐蝕和頻繁沖洗空氣加熱器的幾率。NH₃向飛灰逸出會降低飛灰的可綜合利用性， 使飛灰處置更複雜;NH₃逸出還可導致脫硫裝置後面的沖洗水中氨含量升高。

還不能計算出SCR工藝的脫氮效率。設定的脫氮效率越高，隨著脫氮效率的增 加，單位NH₃消耗也越高，該工藝的NH₃耗量高於SCR工藝在NH₃與NO_x摩爾比為1時 的耗量，氮氧化物可減少約50% (取決於初始氮氧化物含量、吹入氨氣和混合質量等)。理 論上，脫氮效率最高可達80%，但此時NH₃與NO_x摩爾比不成比例 (為2～3)，NH₃逸出 量高。為此，當採用SCR工藝時，脫氮效率應限制在接近50%。

(2) SNCR工藝的套用和改進。

SNCR工藝由美國Exxon和日本三菱公司開發，已在許多燃氣和燃油電廠使用。在日 本和歐洲的一些垃圾焚燒廠也使用該工藝，因為脫氮效率接近50%，所以滿足排放要求。 在德國，燃煤電廠採用SNCR工藝的進行各種適用性試驗，如Mainz-Wies-beden電廠。但 是，德國在二次除NO_x工藝中採用該工藝的還不到3%。

正在改進SNCR工藝，如試驗將燃用過的空氣送入降解介質中，並進入鍋爐; 還有使用尿素溶液作為降解介質來替代NH₃; 有時用額外的添加劑來增加降解溫度等。

SCR脫硝工藝

SCR工藝 (選擇性催化降解) 用加氨方法使氮氧化物反應為氮氣和水蒸氣，反應式如 下：

4NO+4NH₃+O₂→4N₂+6H₂O

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

利用催化劑來增加反應速率，使該工藝可在溫度280～400℃時使用。蜂窩式催化是廣 泛使用的方式，有時也用板式催化。催化材料通常由二氧化鈦構成，向其添加V₂O₅(和其 他材料，如WO₃)作為活性成分。催化元件的構成和其幾何形狀的變化可使催化劑的性能 和活性在一定範圍內改變，以適應不同的運行條件。SCR反應器由煙氣入口/出口、過濾器 等組成。過濾器中，用單獨的催化元件 (或片) 組合成模組，將模組分層安裝在SCR反應 器內形成若干層的反應層。

催化作用與煙氣流量和成分、燃料和燃燒類型、脫硝程度、NH₃逸出量和催化劑在煙道 內的分布等有關。由於催化劑的活性隨運行時間的增加而降低，所以設計時應考慮催化劑使 用期限。

SCR裝置可在低NH₃逸出時運行 (低於SNCR裝置)。然而，硫酸氫銨的形成會引起腐 蝕和沉積，反應如下：

NH₃+SO₃+H₂O→NH₄HSO₄

當NH₃和SO₃含量增加時，臨界溫度會上升，至於是生成 (NH₄)₂SO₄還是NH₄ HSO₄，取決於NH₃和SO₃含量的比值。除SCR反應器前煙氣中含的SO₃外，還應考慮SO₂ 在二次反應期中被催化氧化成SO₃的量。

SO₂氧化成SO₃的氧化率主要由活性成分V₂O₅決定。若其活性高，則SO₂向SO₃轉化率 高，氮氧化物的降低率也高。為含二氧化硫煙氣進行催化時應考慮此因素，以抑制硫酸氫銨 的形成。SCR工藝的灰塵沉積會造成催化元件通道堵塞和有效面積下降。如褐煤煙氣中會 產生侵蝕性灰，它使催化材料磨損; 另外，某些煙氣成分 (如As) 是催化抑制劑，可快速 降低催化劑的活性。

SCR反應器可以設定在鍋爐和煙囪之間煙道的不同位置處。燃煤爐膛可有兩種布置方式。在高灰塵結構中，它安裝在空氣預熱器前或脫硫裝置出口的有灰煙道 內，即在靜電除塵器和脫硫裝置後 (尾部) 的煙道系統內。