簡析層燃鍋爐中脫硝技術的組合應用

＊夏德亮（渤海造船廠集團有限公司動能保障部 遼寧 125004）

簡析層燃鍋爐中脫硝技術的組合應用

＊夏德亮（渤海造船廠集團有限公司動能保障部 遼寧 125004）

分析現階段所采用的幾種脫硝技術，并結合實際運行狀況分析幾種脫硝技術在應用中存在的局限性，通過對在用鏈條鍋爐實際運行狀況，提出合理、經濟的脫硝技術，使得在保正鍋爐安全經濟運行基礎上實現煙氣排放達標的最終工作目標。

脫硝；層燃爐；低氮燃燒；氮氧化物；臭氧脫硝

隨著科技不斷發展，人們自我環保意識不斷增強，國家相關部門本著以人為本的工作理念，嚴格貫徹落實《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》、《國務院關于加強環境保護重點工作意見》等法律法規，陸續出臺相關的大氣污染物排放標準，針對這一標準的出臺，相應的鍋爐脫硫、除塵設備的改造工作全面啟動，經過脫硫、除塵技術的大力推廣使用，脫硫、除塵技術已經完全成熟的在實際中得到應用，使得大氣污染物中顆粒物排放、二氧化硫排放完全能夠達到現行國家要求的排放標準。同時，非層燃爐的氮氧化物處理技術SNCR法及SCR法也得到廣泛應用并取得較好的成效，但對層燃爐的脫硝技術改造仍處于技術攻堅階段，雖然有在煙道尾部增加臭氧脫硝的技術能夠去除煙氣中的氮氧化物，但在實際運行中，僅僅采用臭氧脫硝技術來去除煙氣中的氮氧化物，運行成本極高，這是所有用戶所不能承受的運行模式。

層燃爐脫硝不同于其他爐型脫硝，層燃爐因其固有的鍋爐結構，爐內管系、燃燒系統錯中復雜，如果盲目的在層燃爐型中使用SNCR法和SCR法脫硝，只能造成鍋爐管系迅速腐蝕而處于癱瘓狀態，而臭氧脫硝方法又存在極高的運行成本問題，那么如何來實現層燃料脫硝目標呢？我們要從其產生的原理進行分析，從中找到處理問題的關鍵點，有針對性的采取技術措施，從而實現經濟高效的脫硝目標。

1.NOX的產生原理

一般燃煤設備燃燒過程中生成的氮氧化物包括NO、NO2、N2O等，其中NO占90%以上，NO2占5%～10%，N2O只占1%左右，因此燃燒過程中產生的NOX主要是指NO和NO2。在含氮物質的氧化和還原反應過程中，按照NOX生成的主要途徑和來源可以分為熱力型NOX、快速型NOX和燃料型NOX。

(1)熱力型NOX主要是指在燃燒過程中參與燃燒的空氣中的氮氣被氧化生成NOX，其中的過程是一個不分支連鎖反應。熱力型NOX的生成機理是前蘇聯科學家捷里多維奇于1946年提出的，總反應如下：

N2+O2→NO

NO+O2→NO2

在這一反應中，只有當溫度達到1500℃時NOX生成才變得明顯，能占到NOX生成總量的20%以上，而且溫度每升高100℃時，反應速率增大6～7倍，因此熱力型NOX的控制原理就是降低高溫火焰區的氧的濃度、降低燃燒溫度以及縮短在高溫區的停留時間，在工程實踐中體現為用低氮燃燒器、濃氮燃燒、水蒸汽噴射以及高溫空氣燃燒等措施控制NOX的生成。

(2)快速型NOX的生成，Fenimove根據碳氫燃料預混火焰軸向NO分布的實驗結果，指出碳氫自由基（Chi）在燃燒過程中撞擊空氣中N2分子生成HCN、NH、CN和N等中間產物，這些中間產物再進一步氧化生成NOX稱為快速型NOX。快速型NOX中的氮雖然也來自空氣中的氮氣，但同熱力型NOX生成機理卻不同，快速型NOX的生成對溫度依賴性很低，然而過量空氣系數對快速NOX影響較大，燃燒中快速型NOX的生成量很少，一般不作為NOX控制的主要考慮對象。

(3)燃料型NOX是指燃料中的氮化合物，在燃燒過程中熱分解后又氧化的NOX。由于N—H鍵和N—C鍵遠比N≡N鍵要小得多，燃料型NOX的生成要比熱力型NOX生成容易得多，生成NOX約占總量的60%～80%。

煤中的燃料氮，一部分在高溫下轉化成揮發份氮，另一部分留在焦炭中成為焦炭氮。揮發份氮和焦炭氮在一定條件下又生成NO2，燃料氮轉化成揮發份氮的比例、揮發份氮以及焦炭氮轉化生成NO的比例和燃燒溫度、過量空氣系數、空氣與燃料的混合情況等燃燒條件等特性有關。

2.NOX濃度監測數據計算方法

在實際生產過程中，鍋爐煙氣監測最終數據是一個經過折算后的數據，并不是鍋爐運行中產生的實際數值，折算公式如下：

ρ=ρ′×（21－ΦO2）／（21－Φ′O2）

式中：

ρ— 大氣污染物基準含氧量排放濃度，mg／m3；

ρ′— 實測的大氣污染物排放濃度，mg／m3；

ΦO2— 實測的氧含量；

Φ′O2— 基準氧含量。

3.產生機理分析及測算數據分析

(1)從NOX產生機理不難分析出，我們主要控制的是燃料型NOX，輔助控制熱力型NOX，通過對這兩個過程的控制，實現從根本上控制減少NOX的目的，從而降低脫硝成本的目標。但從實際生產中表明我們可以通過合理的科學技術控制NOX生成量，使其減少NOX生成總量的20%～30%。

(2)從NOX濃度監測數據計算公式分析，可以得出：大氣污染物基準含氧量排放濃度與實際污染物排放濃度和實測的氧含量兩個參數有關，煙氣中實際含氧量變化范圍為0%～21%之間，它的大小直接決定著最終考核的排放濃度值的大小，在實際生產中煙氣中必然有一定的氧含量，如科學控制可控制在11%左右，這樣就可以無限接近燃煤鍋爐基準氧含量（Φ′O2）9%，使得大氣污染物基準含氧量排放濃度與實測的大氣污染物排放濃度無限接近。

4.層燃爐脫硝方案的確定

從上述分析研究表明，最終煙氣排放中NOX濃度與煤的燃燒過程控制、燃燒過程中氧含量大小控制以及尾部煙氣中NOX處理情況相關。根據對鏈條爐的普查情況，鏈條爐尾部煙氣中NOX濃度在未采取任何措施前濃度為350～450 mg／m3；尾部煙氣氧含量為13%～15%。

(1)現階段國內、國際上使用的脫硝技術

①SNCR法脫硝

SNCR法脫硝，是在鍋爐本體上選擇加藥點，利用新安裝的藥劑（氨水或尿素溶液）輸送泵通過噴槍噴射到爐膛溫度在850℃～1200℃燃燒區的位置，使噴射藥劑在該溫度下與煙氣中的N0X等氧化物進行反應，從而達到脫硝的目的。缺點是：如果溫度達不到反應要求，脫硝率將急劇下降或者為零；在使用中，會有氨逃逸問題及噴射點藥劑對鍋爐管系的腐蝕而造成的管系爆管及尾部省煤器、空氣預熱器的腐蝕問題；脫硝效率50%～70%，根據加藥量改變。

②SCR法脫硝

SCR法脫硝，是在鍋爐內反映環境溫度不能達到SNCR法所需溫度時，采取的更高一級的脫硝方法，此種方法是利用催化劑來降低藥劑溶液與煙氣中氮氧化物反應溫度（反映溫度為300℃左右），在省煤器到除塵器進口間選擇合適的位置增加反應裝置，從而達到脫硝目的。

缺點是投資費用較高，SCR法脫硝投資費用是SNCR法脫硝的3～5倍；新增加的反映場是在省煤器和除塵器之間，占地空間大，從設備安裝位置及空間上限制了改中方法的實施使用，同時煙氣阻力增加較大；脫硝效率能達到50%～70%左右，根據加藥量改變。

③臭氧脫硝

臭氧脫硝，是在除塵器后、脫硫塔前的煙道上，選擇適合點向煙氣中注入臭氧，使煙氣中的氮氧化物進一步氧化成為可吸收的N2O5，使煙氣在進入脫硫塔中進行脫硫的同時達到脫硝的目的，脫硫、脫硝所使用的藥劑溶液相同，僅增加藥劑投入量即可同時完成脫硫、脫硝。

此種方法脫硝，需要增加臭氧制備等系統裝置，需要新建廠房及配電間；此種方法脫硝，初期建設費用較高，設備投用后，氮氧化物排放值雖然可降到無限最小，但運行費用是與處理煙氣中的NOX成正比關系，而且費用很高,如不計運行成本，脫硝效率可達100%。

④低氮燃燒技術

此種方法是依據爐型及燃用煤種，通過調整進入爐膛一次風量中配以二次煙氣及尾部煙道中回收的炭晶顆粒，迫使鍋爐燃燒過程中N元素的遷移技術，通過合理調配進入爐膛的風、煙氣、炭晶顆粒來提高鍋爐運行效率的同時降低氮氧化物的生成，從而實現煙氣氮氧化物控制的目地。

低氮燃燒技術只能降低煙氣中NOX含量的20%～35%，單獨使用此中方法脫硝是實現不了煙氣排放控制的指標；優點是此種脫硝方法初期建設費用、運行費用低；SNCR法脫硝、SCR法脫硝及臭氧脫硝在投入使用后，都會對鍋爐運行效率有不同程度的降低，而低氮燃燒技術投入使用后會提高鍋爐燃燒效率。

(2)結論

SNCR法、SCR法及臭氧法脫硝投入使用后運行成本都比較高，而低氮燃燒技術雖然運行費用很低，但效率低達不到使用要求。

綜上所述分析，在層燃爐尤其是在鏈條爐中SNCR法脫硝及SCR法脫硝技術很難解決脫硝藥劑對鍋爐管系快速腐蝕的問題，雖然投用后能有一定的脫硝效果，但以大幅減低鍋爐使用率為代價，此兩種方法目前在技術上并不適合層燃爐脫硝；臭氧脫硝方法雖然單獨使用初期建設費用和后期運行費用較高，但這種方法對鍋爐管系及附屬設備設施沒有大的影響，也不會對鍋爐管系造成腐蝕；低氮燃燒技術雖然效率低下，但它卻是從根源上降低了NOX的產生，同時低氮燃燒技術能夠提高鍋爐熱效率。

所以層燃爐脫硝方案應該確定為：鍋爐密封改造+低氮燃燒技術+臭氧脫硝技術的三種方案共同使用。

夏德亮（1978～），男，渤海造船廠集團有限公司動能保障部，研究方向：機械設備維護，鍋爐煙氣治理等。

(責任編輯李燕）

Analysis of the Combined Application of Denitration Technoloy of Layer-burning Boiler

Xia Deliang
（Kinetic Energy Security of Bohai Shipyard Group co., LTD, Liaoning, 125004）

Analyze the several kinds of denitration technologies adopted at present stage and analyze the existing limitations of the application of several kinds of denitration technologies in application according to actual operation situation. According to the practical operation situation of chain-grate boiler, put forward the reasonable and economic denitration technology so that to achieve the finally working goal of reaching the standard of flue gas emission on the basis of guaranteeing the safe and economic operation.

denitration；layer-burning boiler；low-nitrogen combustion；nitric oxide；ozone denitration

T

A