安然

【摘 ?要】在社會經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的同時，生態(tài)環(huán)境污染情況越來越嚴重，給人們身體健康帶來危害。在所有污染物中氮氧化物是大氣的主要污染物。生物質直燃鍋爐由于燃料的特有性質，產(chǎn)生的大量低濃度的NOx煙氣，導致大氣污染、酸雨和光化學煙霧等嚴重危害。因此，研究生物質鍋爐氮氧化物排放控制技術具有重要意義。

【關鍵詞】生物質鍋爐;氮氧化物;排放控制

引言

隨著我國能源結構改革的不斷深入，生物質能作為傳統(tǒng)化石能源的替代和補充日漸被重視并利用，以達到保護礦產(chǎn)資源，保障國家能源安全，實現(xiàn)CO2減排，保持國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目的。隨著建設規(guī)模和數(shù)量不斷擴大和增加，其運行中帶來的污染性排放，將對社會環(huán)境帶來不可忽視的影響。

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源豐富，生物質燃料燃燒排放的NOx含量較高。對于生物質燃料的燃燒，傳統(tǒng)應用于燃煤鍋爐的相關措施亦不完全適用，亟需研究高效的生物質鍋爐煙氣脫硝技術，在能源高效利用的同時降低NOx污染物的排放。

1 NOx的形成機理及其影響因素

氮氧化物是NO、N02、N20、N203、N204、N205等的總稱，其中NO占90%，N02占5%—10%，N20僅占1%左右。因此NO和N02是造成大氣污染的主要來源，脫硝主要目的就是降低NO和N02的生成。根據(jù)生物質燃料的燃燒機理，氮氧化物的生成途徑主要有三種：燃料型、熱力型及快速型3種，其中燃料型占NOx總生成量的60%—90%，熱力型占20%左右，快速型通常占NOx排放總量的5%以下。

燃料型NOx是由生物質燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，燃料型NOx的形成通常包括揮發(fā)性NO與焦氮性NO兩種途徑。由于燃料中氮的熱分解的溫度低于燃料中碳元素燃燒溫度，在600—800℃時，生物質燃料中的有機氮首先就被分解成HCN、NH3及CN等中間產(chǎn)物，然后再被氧化成NO，這時就有燃料型NOx的形成。通常高溫高壓生物質鍋爐爐膛的溫度在1200℃以上，所以溫度對燃料型NOx的影響較小。一般生物質燃料的含氮量、揮發(fā)分含量、著火階段氧濃度等對燃料型NOx的影響較大。

熱力型NOx是由于供燃燒用的空氣中的氮高溫氧化而生成的NOx，與溫度的關系很大。當T<1300℃時，NOx的生成量不大，而當T>1300℃時，T每增加100℃，反應速率增加6—7倍。由于常規(guī)高溫高壓生物質鍋爐爐膛中心溫度一般工況下不會超過1400℃，所以熱力型NOx可控制在爐內NOx總量的20%以下。降低熱力型NOx的主要措施為：降低主燃燒區(qū)的溫度，避免局部高溫;降低主燃燒區(qū)的氧濃度;減少煙氣在高溫區(qū)域的停留時間。

快速型NOx是在貧氧環(huán)境下，分子氮與碳氫自由基發(fā)生反應產(chǎn)生的，其中間產(chǎn)物是氰化物。所謂的快速型NOx是與燃料型NOx的緩慢反應速度而言的，其生成量受溫度的影響不大，而受壓力影響比較顯著且成0.5次方的比例關系?？焖傩蚇Ox一般產(chǎn)生于CHi原子團較多、氧濃度相對較低的富燃料燃燒情況。因此，影響快速型NOx生成的主要因素是過量空氣系數(shù)和燃燒溫度。

2生物質鍋爐氮氧化物排放控制技術

2.1低氧燃燒

低氧燃燒技術一般是在盡可能接近理論空氣量的前提下，降低輸入生物質鍋爐的空氣量。一般情況下可降低NOx排放15%—20%。但如果爐內的氧量過低（一般在3%）以下，生物質燃料就會不完全燃燒，CO濃度和飛灰含碳量急劇增加，增大化學不完全和機械不完全損失，降低了鍋爐效率。同時，爐內產(chǎn)生的還原性氣氛，會降低水冷壁附近灰的融點，引起水冷壁面結渣和高溫腐蝕。

2.2空氣分級燃燒

空氣分級燃燒技術是將燃燒所需的氧分兩次送入爐膛，第一次是向主燃燒區(qū)送入一般為80%左右的氧量，使主燃燒區(qū)形成“富燃料燃燒”，第二次在燃盡區(qū)向爐膛送入剩余的氧量，形成“富氧燃燒”。在富燃料階段，由于氧量較低，抑制了熱力型NOx的生成，同時，由于缺氧造成生物質燃料不完全燃燒所生成的中間產(chǎn)物（HCN和NH3），會還原已生成的NOx，減少燃料型NOx的生成。在富氧燃燒階段，由于送入剩余的氧量，會使未燃盡的燃料燒殆盡，但由于此區(qū)域的溫度較低，所以新生成的NOx量較小，總體上降低了N0x排放。

2.3選擇性非催化還原脫硝（SNCR）技術

選擇性非催化還原（SNCR）是在沒有催化劑存在的條件下，在850—1100℃范圍內利用還原劑將生物質燃燒后煙氣中的NOx還原為無害的氮氣和水。該技術一般采用氨或尿素為還原劑，還原劑通常注進爐膛或者緊靠爐膛出口的煙道，在高溫下還原劑迅速熱分解，并與煙氣中的NOx進行還原反應生成N2和H20。最主要的化學反應方程式為：

氨為還原劑：4NH3+4NO+O2 →4N2+6H20

尿素為還原劑：（NH2）2CO →2NH2+C0;NH2+NO→N2+H20;CO+NO→N2+CO2

還原劑必須注入最佳溫度區(qū)，以確保上述反應占主導;如果溫度超過反應溫度窗口，氨就會被氧化成NOx;如果溫度低于所適宜的區(qū)間，殘留的氨量將會增加。主要的副反應方程式如下：

4NH3+5O2 →4N0+6H20

生物質鍋爐使用SNCR技術降低氮氧化物排放量時，脫硝率可達到75%，但是實際應用中，考慮到NH3損耗和NH3泄露等問題，SNCR的設計效率為50%左右。

2.4選擇性催化還原脫硝（SCR）技術

選擇性非催化還原（SCR）是目前國際上各類直燃鍋爐普遍采用的減少NOx排放的方法，其脫硝效率能達到90%以上。SCR技術的基本原理是通過還原劑（如NH3）在適當?shù)臏囟炔⒂写呋瘎┐嬖诘臈l件下，把NOx轉化為對大氣中天然存在的N2 和H20。其主要反應方程式為：

6NO+ 4NH3 →5N2+6H20;6NO2+ 8NH3 →7N2+12H20

SCR技術脫硝效率高，理論上可接近100%的脫硝率。在商用生物質鍋爐煙氣SCR脫硝系統(tǒng)中，設計脫硝率可大于90%。由于維持這種高效率費用高，實際SCR系統(tǒng)的操作效率在70%～90%之間。由于技術的成熟和較高的脫硝效率，SCR技術已成為生物質電廠煙氣脫硝的主流技術。

結語

目前亟需成熟的生物質燃料燃燒排放NOx控制技術，今后的研究應從NOx的產(chǎn)生機理出發(fā)，開發(fā)高效低成本的煙氣脫硝后處理技術的研究，探索提高脫硝效率和降低環(huán)保成本的設計與方案，在解決我國能源窘境的同時，達到清潔生產(chǎn)的目的。

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（作者單位：山東電力工程咨詢院有限公司）