摘 要： 本文介绍了燃煤锅炉燃料燃烧过程中NOx产生机理及控制技术，结合某600MW机组锅炉脱硝及低NOx燃烧器改造项目，分析了低氮燃烧加SCR来减少NOx排放的工艺流程和技术特点，该系统的投产对燃煤电厂机组的脱硝改造提供一定的参考。
关键词：电站锅炉 氮氧化物 低氮燃烧器 选择性催化还原 脱硝
SCR Denitration Technology Combined With The Application of Low NOx Combustion in Power Station Boiler
LIU Dian-chen
Abstract：Coal-fired boiler combustion process were introduced in this paper mechanism of NOx formation and the control technology， combined with the denitration of a 600MW unit boiler and the low NOx burner alteration project， analyses the low NOx combustion with SCR to reduce NOx emission process flow and technical features of the system of production denitration transformation of coal-fired power units to provide certain reference.
Key words：Power station boiler NOx Low NOx burner Selective catalytic reduction（SCR） Flue gas de-NOx
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）12-0310-02
NOx是主要的大气污染物之一，会给人体健康、生态环境和国民经济带来严重的破坏。燃料高温燃烧产生的NOx占工业生产中产生的90%以上。据统计，火力发电厂排放的烟气是NOx的主要来源，因此降低燃烧过程产生的NOx是电厂锅炉燃烧技术发展的方向之一。目前，我国大型机组基本都采用低氮燃烧技术来控制NOx的生成，随着国家对环保要求的提高，燃煤机组需要采取进一步的措施来降低NOx的排放。选择性催化还原法（SCR）脱硝技术工艺是通过向锅炉尾部烟道内喷射还原剂脱除烟气中的NOx，它和低氮燃烧技术结合在锅炉上的使用，将产生良好的环保效果。
一、NOx产生机理与控制技术
1.NOx产生机理
煤炭燃烧过程中形成的NOx有3种：快速型NOx、热力型NOx和燃料型NOx。其中快速型NOx所占比例很小，可略去不计。热力型NOx生成量与燃烧反应温度和氧浓度有关，是氮气在高温下直接氧化而成。随着反应温度的升高，其反应速率按指数规律增加。当反应温度小于1500℃时，NOx的生成量很少，而当温度大于1500℃时，NOx生成量将随温度呈指数上升。燃料型NOx主要来自于挥发分氮，是燃料中氮化合物在燃烧中热分解且氧化而成，其生成量与火焰附近的氧浓度有关：在氧化气氛下，挥发分氮直接被氧化成NOx；在还原气氛下，挥发分氮可将部分已生产的NOx还原成N2。挥发分的燃烧主要发生在煤粉燃烧初期，因此应在煤粉火焰核心区域营造一种还原气氛，即欠氧富燃区来减少NOx的生成。
2.NOx控制技术
电厂锅炉燃烧产生的NOx污染排放控制技术主要通过两种方式来进行。
2.1采用低氮燃烧技术来减少NOx生成
这种方法主要依赖燃烧设备和燃烧技术的进步，通过改进工艺和设备、改进燃烧来降低燃料燃烧过程中NOx的生成，该方法脱硝效率有限，如果燃烧器性能不好，往往会降低热效率，使得不完全燃烧热损失增加。目前，采用各种低NOx燃烧技术一般可以使NOx的排放量降低30%～70%。低NOx燃烧技术主要包括：低氧燃烧、空气分级燃烧、烟气再循环燃烧、低NOx燃烧器、燃料分级燃烧等。
2.2采用烟气脱硝技术来减少NOx排放
常用的烟气脱硝技术是选择性催化还原法（SCR）和选择性非催化还原法（SNCR），这两种方法都是通过在烟气中加入氨或尿素溶液等还原剂，在一定温度下与烟气中的氮氧化物发生还原反应，生成无害的氮气和水，不同之处是前者有催化剂的参与，催化剂的参与降低了反应温度（由不加催化剂时的1000℃左右降至300～380℃或更低），并提高反应效率。一般催化还原（SCR）技术脱销效率可高达90%，但存在投资大、烟气阻力大、运行费用高以及较高的 SO2/SO3转化率所引起的下游设备的严重沾污腐蚀等问题。
二、某电厂低氮燃烧加 SCR联合脱硝技术的应用
1.锅炉整体结构
某电厂四期2×600MW机组锅炉为东方锅炉公司制造的亚临界、自然循环、前后墙对冲燃烧、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、尾部双烟道、紧身封闭、全钢构架的∏型汽包炉；型号为DG2070/17.5-∏4。炉膛燃烧方式为正压直吹前后墙对冲燃烧，共配有30只LNASB低NOx轴向旋流式煤粉燃烧器，分三层分别布置在锅炉前后墙水冷壁上，每层各有5只LNASB燃烧器。锅炉容量和主要设计参数见表1，燃烧煤种为烟煤，煤质分析资料见表2。
表1 锅炉容量和主要设计参数
表2 煤质分析数据
2.低氮燃烧技术的应用
2.1 2012年9月，某电厂8号炉进行低氮燃烧器及脱硝工程改造。将除等离子以外的20只LNASB燃烧器更换为中心给粉旋流煤粉燃烧器，5只原等离子燃烧器未做改动，新增5只等离子燃烧器为具有中心给粉燃烧器二次风结构的等离子燃烧器。中心给粉旋流煤粉燃烧器的结构示意图如图1所示。改造后燃烧器数量、布置位置及旋转方向与原燃烧器相同，燃烧器喷口与水冷壁开孔的密封方式不变。
图1中心给粉旋流煤粉燃烧器结构简图
2.2 改造后增加了燃尽风风量
保留锅炉原有的燃尽风装置，在原有的燃尽风装置上方一定高度处前后墙各安装一层燃尽风装置，每层5只，总计新增10只燃尽风装置。改造后的锅炉燃尽风风量占锅炉总风量的27.5%，平均出口风速为37 m/s。燃尽风喷口以二股气流高速进入炉膛：第一股以较高的轴向速度的二次风气流冲出以保证穿透炉膛气流；第二股二次风气流在外围旋流进入炉膛以保证空气与燃烧产物中的未燃颗粒充分混合。布置燃尽风实现了炉内轴向空气分级燃烧，降低了主燃区过量空气系数，使主燃区还原性气氛增强，可降低烟气中NOx的排放量。
2.3 中心给粉旋流煤粉燃烧技术的基本原理
为了进一步降低NOx排放，解决径向浓淡旋流煤粉燃烧器存在的中心扩锥磨损问题，提出了新型的旋流煤粉燃烧器中心给粉旋流煤粉燃烧器。从一次风输粉管道送来的煤粉被集中到燃烧器的中心，经一次风喷口喷入炉膛。喷入位置正对燃烧器的中心回流区中心部分。穿越中心回流区的煤粉量增加，煤粉的穿越时间延长，使煤粉在还原性气氛下燃烧，延长煤粉在还原性气氛中的停留时间，可有效控制燃料型NOx的形成。在一、二次风出口处安装扩口，推迟一、二次风的混合，有效降低NOx排放。二次风通过二次风道进入燃烧器后分成两部分，由于二次风被分成了内、外两部分，因而形成了分级燃烧，与中心给粉相结合，实现了低NOx排放。
3.SCR烟气脱硝技术的应用
3.1 SCR烟气脱硝技术的反应机理
SCR技术是还原剂（NH3 、尿素）在催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故称作“选择性”。主要反应式如下：
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O
6NO2+8NH3 → 7N2+12H2O
6NO+4NH3 → 6H2O+5N2
3.2主要设计指标和性能保证值
3.3 SCR烟气脱硝技术的工艺系统及流程
采用液氨为吸收剂的SCR脱硝工艺系统可分为液氨储运系统、氨气制备和供应系统、氨/空气混合系统、氨喷射系统、SCR反应器系统和废水吸收处理系统等，工艺系统及流程见图2。
由氨气缓冲罐输出的氨气和稀释风机鼓入的空气在氨/空气混合器混合，得到含5%左右氨气的混合气体，进入SCR反应器入口的氨喷射系统。氨喷射系统包括喷氨分流调整系统、氨气流量控制模块和氨喷射格栅。喷氨分流调整系统是将氨气做初步调整分流，使之能均匀喷入每一个喷射格栅；氨气流量控制模块根据SCR入口烟气中的NOx含量及负荷情况、以SCR出口NOx含量≤100mg/Nm3和NH3含量<3ppm进行调节氨喷射量；氨喷射格栅位于SCR反应器前端，使氨气均匀分布于烟气中，利于NH3和NOx充分接触，提高脱硝效率。氨反应区均按照单炉体双SCR通道布置，高灰型SCR布置方式，即SCR反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间，在炉后消防通道的上方，不设旁路。SCR部分的催化剂层数按3层（2+1）方案进行设计，在日常燃用煤种、锅炉BMCR工况、处理100%烟气量条件下脱硝总效率大于80%。
图2 SCR烟气脱硝技术的工艺系统及流程图
3.4 SCR脱硝技术结合低氮燃烧改造后通过“168小时”试运行，锅炉烟气排放NOx经环保部门验收合格。
三、结论
1.SCR烟气脱硝技术和低NOx燃烧技术联合在电站锅炉上应用，大大降低了NOx排放量，可以达到更高的环保标准，此技术具有明显的经济性、高效性特点。此种方法对挥发分高的烟煤、褐煤更有优势，对炉膛燃烧影响较小。
2.目前，我国大型燃煤机组基本都采用低氮燃烧技术来控制NOx的生成，但效果有限，SCR技术的成熟应用，为同类机组提供了借鉴，该技术不仅适合新建电厂，也适合在役电厂改造工程。
参考文献
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作者简介：刘佃臣（1977-），男，工程师，托克托发电有限责任公司集控运行值班员。