生物質鍋爐脫硝技術發展現狀分析

文_王獻民 河南昊威環保科技有限公司

1 生物質鍋爐NOX的來源

生物質鍋爐燃燒污染物主要為NOX和SO2。其中，NOX具有濃度高、波動大的特點，主要成分包括NO和NO2。NOX中95%的成分為NO，其余為NO2。產生的SO2排放量較低。生物質鍋爐燃燒過程中，NOX的主要有熱力型NOX、燃料型NOX和快速型NOX。

（1）熱力型NOX

熱力型NOX是指在高溫條件下，生物質鍋爐燃燒產生的氧氣和氮氣，其生成機理是一個不分支的連鎖反應。具體是指在高溫條件下，激活了氧氣分子，時期成為鏈鎖反應的活性中心，且分別形成氧游離基、氮游離基，二者通過單獨與氮氣和氧氣鏈鎖反應分別又生成新的氮游離基、氧游離基。

（2）燃料型NOX

燃料型NOX是指含氮化合物在生物質燃燒過程中進行分解，被氧化后生成。與其它兩種途徑相比，燃料型NOX反應機理以及生產過程較為復雜。具體是首先含氮氧化物在生物質燃燒中進行熱裂解，然后對分解后產生的-N、-CN、HCN等基團進行氧化，最終生成NO2以及NO的反應。不同生物質種類以及原料對燃料型NOx生成量變化很大。生物質鍋爐燃料型NOX生成量占全部NOX生成量的70%以上。

（3）快速型NOX

快速型NOX是指氮氧化合物在生物質燃燒過程中進行分解，并生成如CH、CH2等碳氫自由基，這些自由基會對空氣中的氮氣分析進行撞擊，形成CN類化合物后瞬間氧化，最終形成NOX。此生成過程主要受過量空氣系數以及爐膛壓力的影響，與溫度關系很小。快速型NOX產生的量較少，可以忽略不計。

2 生物質鍋爐脫硝技術現狀

2.1 低氮燃燒技術

自20世紀60年代開始進行對低氮燃燒技術的分析研究，其目的是減少NOX對環境產生的危害。該技術主要從生成源頭減少NOX，主要包括空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、煙氣再循環技術等等。不同的技術途徑，其脫硝效率存在明顯的差異，且存在各自的優勢以及不足。通過大量的工程應用，一般能達到的脫硝率在50%以下。

2.2 選擇性催化還原技術

催化還原技術（SCR）是將還原劑（尿素溶液或氨水）熱解成NH3后與適量空氣均勻混合，通過噴氨格柵、整流格柵，將混合均勻后的氣體引入SCR反應器中（反應器中內置催化器，合適的溫度條件為320～400℃），在吹化劑的作用下NH3與NOX進行還原反應，最終生成氮氣和水。脫硝裝置一般有高飛灰區布置（除塵器前）和低灰區布置（除塵器后）等兩種方式，前者布置由于生物質燃燒后飛灰中含堿性氧化物濃度較高，催化劑使用壽命較短；后者則需要設置額外熱源對煙氣進行加熱，運行成本較高。通過工程應用發現該技術脫硝效率可以達到90%以上，但是投資與運行費用較高。

2.3 選擇性非催化還原技術

非催化還原技術（SNCR）采用的還原劑一般選用10%～25%的氨水或者是10%～40%的尿素溶液，通過霧化噴射系統，將其噴射到鍋爐850～1200℃燃燒區域進行高效蒸發，分解(熱解)出NH3，使其與NOX進行非催化還原反應，最終將NOX還原成N2和H2O。該技術的脫硝效率主要受噴槍霧化程度、爐膛溫度等因素的影響。該技術具有投資省、運行費用低以及操作簡便等優勢，但是脫硝效率較低（一般在50%以下），且容易出現氨逃逸等問題。

2.4 SNCR-SCR耦合脫硝技術

SNCR-SCR耦合脫硝技術兼顧了SNCR和SCR等兩項技術，也具備這兩項技術的優點。該技術是先將脫硝劑尿素溶液噴入爐膛850～1200℃燃燒區域尾部，利用高溫環境熱解出NH3，實施一次脫硝反應(SNCR反應)，沒有反應完全的氨氣和NOx再進入SCR反應器在催化劑作用下進行二次脫硝（SCR反應）。該技術具有脫硝效率高、催化劑用量少、投資和運行成本低等特點。

3 生物質鍋爐脫硝技術研究進展

傳統的、常用的生物質鍋爐脫硝技術，通過分析可以發現各技術都存在一定的局限性。因此近幾年，我國也在加緊研發高效、低污染以及低投資的生物質鍋爐脫硝技術，目前研究進展如下。

3.1 等離子體脫硝技術

等離子脫硝技術是一種無二次污染的新型、高效脫硝技術，可以將等離子體脫硝技術分為3種，具體包括脈沖電暈放電法(PPCP)、電子束照射法（EBA）以及介質阻擋放電法（DBD）。脈沖電暈放電法運用的是電極尖端放電原理，其主要過程是通過調節曲率半徑很小電極上電壓對其周圍進行電離，以達到局部放電的目的。該技術的放電過程為快速放電，并且會引起化學反應，能量利用率較高，安全性以及實用性也比較高，會產生極少的氨氣逃逸量。目前該技術對于大功率、窄脈沖以及長壽命電源，仍然處于試驗階段。電子束照射法是指通過高能量電子束照射NOX來電離氣體分子所產生活性離子與NOX進行快速反應，實現脫硝的目的。高能量電子加速器是由高壓電子加速器所產生的。該技術脫硝效率可達到80%～85%，且不產生廢水。但是能量利用率低。介質阻擋放電法是在兩電極之間設置絕緣介質，通過對電極兩端電壓的調壓來擊穿氣體，從而實現放電。該技術能量利用率高，可以實現強電離放電。

3.2 活性分子氧化脫硝技術

臭氧可以作為一種高效、生存周期較長的強氧化劑，對于NOX中的氮氧，可以運用這種強氧化劑將NO氧化成易溶于水的高價態氮。具體過程是除塵后的凈化煙氣與臭氧（O3）按照一定的比例混合，在低于150℃溫度條件下，通過氧化反應形成高價態氮氧化合物，然后送入脫硫塔或洗滌吸收塔，在塔內使其融于水，形成硝酸鹽，最終脫除NOX。該技術方法脫硝效率可以達到90%以上，不需要使用催化劑，且安裝方便。但是制備臭氧耗電量大，運行費用高，產生硝酸鹽廢水需進行二次處理。

3.3 高分子脫硝技術

高分子脫硝技術(PNCR)是目前我國研發的生物質鍋爐新型脫硝技術。該技術通過化學動力模型構建、流體力學計算，并根據生物質鍋爐具體運行參數，對該技術進行分析儀研究。高分子脫硝劑是一種混合粉末，這種混合粉末主要為功能高分子材料和少量稀土元素助劑。高分子脫硝劑具有很強的加氫還原活性。具體是將高分子脫硝及粉末裝入進料裝置，通過羅茨風機空氣運輸到生物質鍋爐爐膛中，在750℃溫度下，通過激活、氣化高分子脫硝劑，使得NOX還原成氮氣和水。該技術的脫硝效率可以達到86%以上，且流程簡便、能耗低、投資少、無銨鹽和氨逃逸現象。其不足在于反應滯后等。

3.4 液生態生物鈣脫硝技術

液生態生物鈣脫硝技術（B-SNCR）也是一種新型脫硝技術，具有高效、實用、環保等特點。具體運用過程中，在高溫650～1000℃和活性離子的催化下，液態生物鈣脫硝劑快速裂解，產生的-CH3、 -CH2等高活性還原態自由基團，并與NOX發生氧化還原反應，還原成N2和H2O。該技術脫硝效率可達90%以上，投資低、無二次污染，無氨逃逸、液氨儲存安全問題、脫硝深度可靠性強。目前液生態生物鈣脫硝技術已經應用在生物質鍋爐、馬蹄焰玻璃窯爐等，并且已經取得了明顯的效果。

4 結語

近年來，隨著我國對環保問題日漸重視，對各個行業明確提出了更高的環保要求，在此背景下，傳統具有污染、低效的生物質鍋爐脫硝技術已經無法滿足要求。未來還應加強對新型生物質鍋爐脫硝技術的分析研究，研究出更多符合我國國情的清潔能源以及環保處理應用技術，運用清潔、高效可再生能源代替不可再生能源，以提高對能源的利用率，減少廢氣的排放。

生物質作為一項重要能源，在我國應用的越來越廣泛。隨著我國對生物質鍋爐脫硝技術的研究，出現了許多新型生物質鍋爐脫硝技術。但是目前許多新型生物質鍋爐脫硝技術應用過程中仍然存在一些問題，未來我國還應加大對生物質鍋爐脫硝技術的研究力度，以便研究出更多清潔、高效、投資少的技術，并將其運用到我國各個行業中，為各個行業的發展創造更多的經濟效益以及環保效益。