火电厂氮氧化物生成机理及排放控制技术分析_邱正霖.pdf

收稿日期：2020-09-14基金项目：辽宁省教育厅基本科研项目（LJKZ1087）；辽宁省高校创新人才专项计划项目（LR2020089）作者简介：邱正霖（1996-），男，辽宁铁岭人，硕士研究生。通讯作者：张小辉（1972-），男，吉林乾安人，教授，硕士生导师，博士，主要从事高效清洁燃烧、生物质能利用技术等方面的研究。火电厂氮氧化物生成机理及排放控制技术分析邱正霖，张小辉，赵頔，那腾及，徐鹏（沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）摘要：对于火电厂而言，控制氮氧化物的排放量是新时期火力发电企业所担负环保工作的重要内容。通过分析氮氧化物的生成机理及危害，深入探究了氮氧化物对环境的影响及影响氮氧化物的因素，总结了低氮燃烧技术和烟气脱硝技术的主要方法和技术特点，对国内火电企业的绿色发展具有重要意义。关键词：火电厂；氮氧化物；低氮燃烧；烟气脱硝中图分类号：X701文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0023-07DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.004第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）随着经济快速发展，用电量不断增多，燃煤电厂不断扩建，煤炭的需求量明显增加。从1978年到2020年，我国火电厂的总装机容量从3 984万kW增加到12亿kW1。火电机组装机容量的突飞猛进使得煤炭的消耗量剧增，火电厂一年的煤耗量可以达到全国煤耗量的一半。煤炭的燃烧会产生大量的氮氧化物（NOx），这就使得NOx的排放量迅速攀升。在大气污染物中，70%的氮氧化物来自于煤炭的燃烧2。从 2003年到 2020年，我国 NOx排放总量的变化如图1所示。图1火电厂氮氧化物排放量1NOx生成机理NOx的生成机理非常复杂。在燃烧过程中，烟气中 NOx的浓度难以由煤的含氮量计算得出。NOx的生成量与炉膛内的燃烧方式密切相关，且炉内燃烧温度和过量空气系数也会对NOx的生成量产生影响。NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等统称为氮氧化物3。NO和NO2是造成大气污染的主要污染物。NO是煤燃烧时产生的主要副产物之一，其生成量占NOx生成总量的90%以上；NO2生成量较小，其生成量占NOx生成总量的5%10%4。由此可见，在火电厂排放的NOx中，对环境产生污染的主要是NO。目前，根据NOx的生成机理可将NOx分成3种：热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。1.1热力型NOx热力型NOx是由空气中的N2在高温下氧化而第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）成。热力型NOx的生成机理的反应方程式如下：N2ONONNO2NOONOHNOH影响热力型NOx生成的因素是炉膛内的燃烧温度和炉膛内的氧浓度。温度对热力型NOx生成速率的影响是成指数函数关系的。研究表明，当炉膛内燃烧温度低于1 500 时，热力型NOx的生成量可以忽略不记；当炉膛内燃烧温度高于1 500 时，热力型 NOx的生成速度明显加快5-6。而另外一个影响热力型NOx生成量的重要因素是炉膛内燃烧区域的氧浓度，在煤燃烧的过程中热力型NOx生成速率与氧浓度的平方根成正比。由此可见，温度和氧浓度对热力型NOx的生成速率影响明显。1.2燃料型NOx燃料型NOx是在燃料中的氮化合物在煤燃烧过程中氧化生成的。影响燃料型NOx生成量的因素有很多，如煤中氮化合物的存在状态、煤种特性、燃烧温度和燃烧过程中的氧浓度等。从燃料型NOx的生成机理可知：若想要减少燃料型NOx的生成，一方面要尽可能地控制NOx的生成，另一方面要对已经生成的NOx进行破坏和还原。当电厂锅炉的燃烧温度在1 200 1 500 时，燃料N的70%90%会转化成挥发分N。研究表明，当炉内过量空气系数1时，57%61%的燃料型NOx是来自挥发分N7；当过量空气系数1时，由挥发分N生成的NOx会大大地减少。对于已生成的NOx，可利用还原剂还原燃烧产物中的NOx。1.3快速型NOx快速型NOx主要是由燃料中的CH原子团撞击N2，产生CN化合物，并与O2进一步反应产生的，由于反应过程较快，故称之为快速型 NOx。快速型NOx在燃煤锅炉中的占比很少。在火电厂排放的NOx中，燃料型NOx是生成量最多的，占总生成量的70%80%。当燃烧温度超过1 500 时，热力型NOx的生成量会迅速上升，其生成量最多可占NOx生成总量的20%；快速型NOx在煤燃烧过程中的生成量非常小，在火电厂NOx排放中可以忽略不记。因此，火电厂NOx排放控制工作主要是对燃料型NOx和热力型NOx进行控制，由于快速性NOx生成量很少，无需进行控制。NOx生成过程如图2所示。图2NOx生成过程2NOx x的危害2.1对人体的危害火电厂排放的NOx对人体有着非常严重的危害。NOx主要是通过侵入呼吸道和肺泡对人体造成伤害，当NOx被人体吸入肺部后，大多数的NOx会被阻留在肺泡内，无法排出体外。阻留在人体肺泡内的NOx有一部分会转换为N2O4，N2O4会与呼吸道粘膜上的水分发生反应，生成HNO3和HNO2，强24第 1 期邱正霖，等：火电厂氮氧化物生成机理及排放控制技术分析烈地刺激和腐蚀肺部组织，造成肺部水肿，进而导致组织缺氧，使人体呼吸不畅，血氧浓度下降8。2.2对环境的危害NOx对植物的危害主要是抑制植物生长，导致叶子坏死；另外，火电厂排入大气的NOx通过沉降落到地面，会造成土壤酸化，使土壤中的营养成分和水分大量流失，导致农作物无法在生长过程中吸收足够的养分和水分，致使农作物产量下降。此外，NOx与空气中的水结合会形成酸雨，酸雨对农作物的伤害极大，会使农作物大幅减产，甚至会导致整片农田的农作物全部死亡9；酸雨对森林的危害同样严重，会导致树叶枯黄脱落，对于燃用木制成型的生物质燃料的火电厂来说，酸雨对森林树木的破坏直接导致了生物质燃料质量下降，且在使用过程中会腐蚀设备；酸雨对建筑物也有非常强的腐蚀性，酸雨会腐蚀建筑物的外表面，对于采用钢结构的建筑物，长时间遭到酸雨的腐蚀，会导致建筑物的使用寿命锐减10。3NOx x控制技术通过对NOx的生成机理及生成过程分析可知：火电厂排放的NOx主要是燃料型NOx，其次为热力型NOx。所以，在对火电厂NOx排放进行控制时，燃料型 NOx是控制的重点，热力型 NOx占次要地位，由此产生了低NOx燃烧技术和烟气再循环技术等控制技术。3.1低氮燃烧技术低氮燃烧技术是根据NOx的生成机理，在不改变炉膛结构的前提下，通过调节炉膛内的燃烧温度、炉膛内氧的浓度以及燃料在炉膛内的停留时间等方式来控制NOx的生成或对已生成的NOx进行破坏。在采用了低氮燃烧技术后，火电厂NOx的排放量可以减少20%40%11。低氮燃烧的特点是技术成熟，成本低。由于在煤粉燃烧过程中生成的NOx主要是燃料型NOx，所以低氮燃烧技术的重点是控制燃料型NOx的生成。低氮燃烧技术主要有空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、烟气再循环技术和低氮燃烧器技术。3.1.1空气分级燃烧技术空气分级燃烧是指在燃烧的不同阶段将空气送入炉膛，分别在炉膛内形成缺氧和富氧两种燃烧状态，如图3所示。由于缺氧燃烧阶段炉膛内的氧气浓度比较低，使得炉膛内的燃烧温度降低，炉膛内的燃烧速度变慢，会将已经生成的 NOx进行还原，随后再向炉膛内投入大量的空气进行富氧燃烧。此时，即使在空气量较多的情况下也是不能够完全反应的，从而达到降低NOx排放的目的12。图3空气分级燃烧原理空气分级燃烧通过改变燃烧区的氧浓度可有效控制燃料型NOx和热力型NOx的生成。空气分级燃烧对火电厂来说安装便利，降低NOx的效果也比较明显，脱硝效率能够达到50%70%，是目前应用最广泛和最经济的一种脱硝方法，也为之后进行的尾部烟气脱硝奠定了良好的基础。空气分级燃烧对于锅炉的类型非常挑剔，并且会造成锅炉炉膛结渣和腐蚀，降低锅炉燃烧效率，影响锅炉安全稳定运行。3.1.2燃料分级燃烧技术燃料分级燃烧是将送入炉内的燃料分成几部分进行燃烧。其中，把75%80%的燃料放入到炉内主燃烧区进行富氧燃烧，随后将剩余的燃料送到炉内再燃烧区进行缺氧燃烧，使炉膛内燃烧区的氧浓度和燃烧温度降低，从而达到减少NOx排放量的目的13。图4燃料分级燃烧原理25第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）燃料分级燃烧的原理如图4所示。第一级为燃料稀相燃烧，在第二级加入燃料使得当量比达到要求的数值。燃料分级燃烧与空气分级燃烧都是使炉膛内的过量空气系数保持一个定值。燃料分级燃烧技术在现有的天然气燃烧器中被广泛应用。该技术的特点是在炉膛内设置一个能还原在主燃区生成的燃料型NOx富集的再燃区。燃料分级燃烧技术控制NOx的任务主要是在再燃区内完成的。由此可见，燃料分级燃烧技术主要是对产生的燃料型NOx进行控制。相比于空气分级燃烧，燃料分级燃烧技术降低NOx的效果更好，但我国引入燃料分级燃烧技术的时间较晚，目前还处在发展阶段。3.1.3烟气再循环技术烟气再循环技术是通过将燃烧生成的烟气重新送回炉膛的方式来降低炉膛内NOx的生成量，如图5所示。该技术可以同时降低炉膛火焰的最高温度和炉膛内的氧浓度，进而有效地降低NOx的生成14；同时，可以将尾部的烟气回收再利用，在很大程度上节约了电厂的能源。图5烟气再循环技术原理火电厂燃煤锅炉使用烟气再循环技术时可以与空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术相结合，将经过再循环风机的锅炉尾部的低温烟气回抽入助燃空气中，与一、二次风混合后送入炉膛或者经过燃烧器直接送入炉膛，这样可以更好地控制炉膛内的氧浓度，从而更好地降低NOx生成或对已经生成的NOx进行破环。烟气再循环技术是目前火电厂实际应用最多的一种低氮燃烧技术。与空气分级燃烧技术相比，烟气再循环技术可以适应大多数炉型，并且对燃料的要求不高，可以使用混合燃料，但并不适应难燃烧类的煤种。3.1.4低氮燃烧器低氮燃烧器的核心是通过改变炉膛内空气与燃料的混合比例，从而达到降低 NOx生成量的效果。新型的低氮燃烧器将空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术和烟气再循环技术相结合，使脱硝效果更加明显，其脱硝效率大概在 50%70%左右15。低氮燃烧器可以有效地控制燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx，在目前火电厂低氮燃烧技术的实际应用中，低氮燃烧器的脱硝效率最高。低氮燃烧器的结构比普通燃烧器的结构复杂，所以故障率相对于普通燃烧器较高。3.1.5低氮燃烧技术的优点1）投入资金少：对于新建电厂来说，无需改变锅炉结构，只需在锅炉设计时对低氮燃烧技术进行设计即可；对原有机组进行低氮燃烧技术改造，仅需对炉膛内部进行改造即可。2）运行成本低：低氮燃烧技术是通过改变炉膛内的温度和氧浓度来控制NOx的生成，在整个控制过程中，不需要向炉膛内添加任何脱硝药剂和催化剂，所以在运行过程中不需要额外的资金投入。3）工艺简单：低氮燃烧技术无需加装过多的反应设备，运行可靠，省去了设备维护的时间。3.2烟气脱硝技术通过对NOx的生成机理及其生成过程的分析，低氮燃烧技术可以为火电厂降低一部分NOx的排放，但仅仅依靠低氮燃烧技术无法达到NOx排放的国家标准，还需要对火电厂锅炉的尾部烟气进行脱硝处理。因此，采用尾部烟气脱硝技术对剩余的NOx进行处理，最终使火电厂NOx的排放量达到国家标准。尾部烟气脱硝技术的特点是对锅炉尾部烟气中生成的NOx进行还原或吸附，从而使NOx排放量降低。烟气脱硝技术可分成3类：干法、湿法和干-湿结合法。但因为技术的稳定性和运行费用等诸多原因，目前火电厂使用较多的烟气脱硝技术为选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）和SNCR-SCR混合脱硝法。26第 1 期邱正霖，等：火电厂氮氧化物生成机理及排放控制技术分析3.2.1选择性催化法（SCR）选择性催化还原法简称为 SCR法，其主要机理是利用催化剂与还原剂发生反应，再和烟气内的NOx进行反应，反应过后生成水及氮气，以