（江苏方天电力技术有限公司 江苏省南京市 211102）
摘要： 燃煤电厂NOx排放已成为大气中NOx污染的主要来源之一，为了有效防治燃煤电厂NOx污染，国家对污染物排放浓度作出了严格规定。本文基于燃煤电厂NOx生成机理，介绍了低氮燃烧、SCR、SNCR等NOx控制技术，并进行了技术经济比较。同时，对超低排放政策背景下燃煤电厂锅炉NOx排放控制技术也进行了探讨。
关键词 燃煤电厂 锅炉 NOx
0 序言
氮氧化物（NOx）是大气污染物主要组成成分之一，其大量排放既可形成酸雨，又能与碳氢化合物结合形成光化学烟雾，给自然环境和人类生产活动带来严重危害[1]。NOx污染已成为一个不可回避的环境问题，在工业NOx排放中，燃煤电厂是NOx排放的最主要来源之一。2011年实施的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）规定，现有煤粉锅炉NOx的排放浓度应低于100mg/Nm3，该指标超越了美国、欧洲、日本等发达地区排放限值要求。近年来，随着环境问题日益突出，燃煤电厂超低排放要求也孕育而生，针对NOx作出了更为严格的要求，排放限值进一步降低至50 mg/Nm3，对电厂NOx的控制提出了更高的挑战。本文从NOx生成机理出发，对NOx的控制技术进行分析探讨。
1 NOx的生成
在煤的燃烧过程中，空气中的氮气和燃料中的氮元素是生成氮氧化物的2个来源，氮氧化物主要由NO构成，其份额约占NOx排放总量的90%以上[2]。根据生成方式一般将燃煤锅炉燃烧生成的NOx分为热力型、燃料型和快速型。
1.1 热力型
热力型NOx的生成量主要与燃烧区温度有关，在温度足够高时，热力型NOx的生成量占NOx总量的30%左右，当燃烧区温度小于1300℃时，NOx生成量不大，随着反应温度的升高，其反应速率迅速增加。
1.2 燃料型
燃料中的N通常以原子形态与C或H结合，形成环状或链状化合物，与空气中的N分子相比，煤中N的有机化合物键能要小得多，在燃烧过程中产生大量NOx，称之为燃料型NOx[3]。燃料型NOx约占NOx总量的65%～85%，其产生的燃烧区温度范围为600℃～800 ℃之间。影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含N量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加NOx转换量就越大；火焰温度越高NOx转换量就越大； 挥发分NOx转化率随氧浓度增加而增大
1.3 快速型
快速型NOx是在碳氢化合物型燃料在燃料过浓时燃烧， 燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中N2反应生成HCN和N， 再进一步与O2作用以极快的速度生成。快速NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
2 NOx控制技术
目前，国内外电站锅炉控制NOx技术主要从两个方面着手，一是控制生成，主要是在燃烧过程中通过各种技术手段改变煤的燃烧条件，从而减少NOx的生成量，如低NOx燃烧技术等；一是生成后的转化，主要是将已经生成的NOx 通过各种技术手段从烟气中脱除掉，如选择性催化还原法( selective catalytic reduction,SCR) 、选择性非催化还原法( selective noncatalytic reduct ion, SNCR) 等[4]。
2.1 低NOx燃烧技术
低氮燃烧技术是应用广泛的一种氮氧化物污染控制措施。通过控制燃烧过程温度和炉膛中的氧化还原氛围，在满足燃烧效率的同时，减少热力型氮氧化物的生成，是控制燃烧过程氮氧化物生成的有效手段。目前工业上采用的低氮技术包括低氧燃烧、烟气循环燃烧、分段燃烧、浓淡燃烧技术等。低NOx燃烧技术的特点是工艺成熟，投资和运行费用低。但是，低NOx燃烧技术在一定程度上会对锅炉燃烧经济性产生负面影响。如果氧量控制不当，会造成CO 浓度的急剧增加，造成燃烧热损失，同时也会引起飞灰中碳含量的增加，燃烧效率将会降低。
2.2 选择性催化还原法（SCR）技术
选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction,SCR）是指在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。其反应方程式为：
4NO+4NH3+O2 → 4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2 → 3N2+6H2O
其原理首先由Engelhard公司发现并于1957年申请专利，后来日本在该国环保政策的驱动下，成功研制出了现今被广泛使用的V2O5/TiO2催化剂，并分别在1977年和1979年在燃油和燃煤锅炉上成功投入商业运用。SCR目前已成为世界上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱硝技术。SCR技术对锅炉烟气NOx控制效果十分显著，占地面积小，技术成熟，易于操作，同时SCR技术消耗NH3和催化剂，也存在运行费用高、设备投资大等缺点。
2.3 选择性非催化还原法（SNCR）技术
选择性非催化氧化还原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）工艺，也被称为热力De NOx工艺，最初由美国的Exxon公司发明并于1974年在日本成功投入工业应用。SNCR技术用NH3、尿素等还原剂喷入炉内与NOx进行选择性反应，不用催化剂。其反应方程式如下：
（1）NH3作为还原剂
4NH3+4NO+O2 →4N2+6H2O
（2）尿素作为还原剂
2NO+CO(NH2)2+ O2→2N2+CO2+2H2O
该方法以炉膛为反应器，可通过对锅炉进行改造而实现。SNCR工艺的NOx脱除效率主要取决于反应温度、NH3与NOx的化学计量比、混合程度、反应时间等。温度过高或过低都会导致还原剂损失和NOx脱除率下降。通常设计合理的SNCR工艺能达到30%～70%的脱除效率。
2.4 控制技术比较
上述几种NOx排放控制方法均能实现降低NOx排放量的效果，但每种方法实现的优劣程度不同，投资和运行成本也有所区别。
3超低排放下NOx控制
随着我国环保要求日益严格，对燃煤电厂提出了更高的污染物排放要求，其中NOx排放浓度限值从2016年1日1日起开始执行50mg/m3。因此，燃煤电厂需要对脱硝设施进行全面改造才能实现超低排放要求。
超低排放下NOx控制技术主要基于原有低氮燃烧技术和烟气脱硝技术开展，对原有低氮燃烧器进行优化改造，鉴于SCR技术的高脱硝效率，烟气脱硝技术基本选用SCR技术，如江苏利港电厂将原有SNCR技术改造为SCR技术。
为了有效控制NOx的生成量，对低氮燃烧器进行折优改造，目前，最先进的低氮燃烧技术可将NOx产生浓度控制在200~250mg/m3，部分燃用煤种较好及控制水平较高的电厂甚至可控制在以下200 mg/m3，NOX的产生浓度降低效果明显。
另一方面，可通过提高烟气脱硝效率来进一步降低NOx排放浓度。由于SCR技术具有较高的氮氧化物脱除率，在超低排放改造中使用最为广泛。对于已建成的SCR脱硝设施，可通过两种方式来提高脱硝效率。一是对SCR反应器进行加层改造，即在原有SCR设施基础上，新建一层催化剂层，并同时安装催化剂，增强NOx与还原剂反应效果，该种方式需要对SCR反应器进行改造，改造难度较大；一是在原SCR反应器的预留层直接安装催化剂，达到提高脱硝效率的效果，该方案不需要对现有SCR反应器进行重新设计和荷载力核算，改造难度较小。
4 结语
如今，我国环保矛盾日益突出，环保管理要求不断加强，而燃煤电厂作为大气污染物的主要来源之一，受到的环保关注力度也与日俱增。本文根据燃煤电厂NOx生成机理，对低氮燃烧、SCR、SNCR等NOx控制技术进行了探讨，从技术经济比较可以看出，低氮燃烧技术较其他两种技术降低NOx效果较小，但随着技术不断进步，在超低排放政策背景下，低氮燃烧技术正在不断发展，目前已能有效控制锅炉NOx的生成量，为后续烟气脱硝技术降低了很大的运行压力。烟气脱硝技术中，SCR技术较SNCR技术有较大的脱硝效率优势，能更加有效的降低NOx排放量，是烟气脱硝的首选方式，但该方式需要付出较大的建设费用和运行费用。
参考文献:
1刘勇军，王雪娇，巩梦丹，尹华强. 氮氧化物控制技术现状与进展［J］.四川环境，2014，33(6):115-117.
2杨根盛，李忠，杨定华，张大龙. 煤粉炉燃烧控制NOx的应用研究［J］.锅炉技术，2013，44(6):29-34.
3贾昌明，陈瑜，曾智，刘壹州. 燃煤机组NOx控制研究［J］.能源与节能，2015，11:144-146.
4郭斌，廖宏楷. 我国NOx控制策略探讨［J］.广东电力，2009，22(8):1-4.
论文作者:孟嘉,张友卫
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/22
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