生物质直燃锅炉脱硝技术研究进展

刘作　孟嫚嫚　罗冰　郭会朋　王海峰

摘要：随着国内环保要求越来越严格，生物质锅炉脱硝面临巨大压力。本文综述了生物质直燃锅炉NOx的产生机理，对生物质直燃锅炉的脱硝技术进行研究和分析，为生物质直燃锅炉脱销技术的发展提供参考。

关键词： 生物质； 锅炉； 脱硝； 氮氧化物

一、生物质直燃锅炉NOx产生的机理

生物质燃料具有水分变化大、热值低、挥发分高、密度小的特点。燃烧时给料均匀性差，造成炉膛内燃烧区温度变化剧烈，再加上燃料中氮含量相差较大，生物质锅炉出口NOx初始排放浓度波动很大。

生物质直燃锅炉生成的氮氧化物主要是NO和NO2，流化床生物质锅炉燃烧时还会产生N2O[7]。生物质燃料燃烧过程中，NOx的形成主要有三种形式：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。在1400℃以下，热力型NOx生成量很少，生物质直燃锅炉炉膛温度在750～1000℃左右，生成的热力型NOx较少，约占10～20%，快速型NOx的生成量占总量的5%以下。燃料型NOx主要决定于燃料中的氮含量，且一般在600～800℃左右形成，此温度与生物质锅炉炉膛温度高度重合，生物质直燃锅炉生成的燃料型NOx约占60～80%。

二、常规脱硝技术

降低生物质直燃锅炉NOx排放主要有两种技术路线，低氮燃烧技术（控制燃烧过程中NOx的生成）和烟气脱硝技术（对生成的NOx进行处理）。

（一）低氮燃烧技术

低氮燃烧技术主要工艺途径有空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低过剩空气燃烧以及采用低NOx燃烧器等。采用低氮燃烧技术，脱硝效率受炉膛燃烧工况影响大，仅能达到10%至30%，且会在一定程度上降低燃烧效率。

（二）烟气脱硝技术

目前主流的烟气脱硝技术有选择性催化还原脱硝（SCR）、选择性非催化还原脱硝（SNCR）以及在二者基础上发展起来的SNCR-SCR联合烟气脱硝技术。

1.选择性催化还原技术SCR

SCR技术采用液氨、氨水或尿素作为还原剂，在催化剂的作用下，将烟气中的氮氧化物还原为氮气和水，催化剂决定了该反应温度区间为300～420℃。受温度区间的限制，脱硝反应器有两种布置形式。一是布置于生物质直燃锅炉省煤器与空气预热器之间，该工艺占地面积大，对气氨的均匀分布及烟气的分布要求高。另一种布置形式为低温低尘布置，将SCR反应器布置在除尘器之后，对烟气再加热后进行脱硝，因烟气较为干净，催化剂选型不受影响，但烟气再加热费用昂贵。在生物质直燃锅炉上使用SCR脱硝效率能达到70%～90%，但投资高，催化剂昂贵。由于生物质燃料热值低、碱金属含量高，易出现存在催化剂中毒和反应器堵塞、磨损等问题，目前国内外SCR催化剂脱硝连续运行时间最长为三个月[3]。

2.选择性非催化还原技术SNCR

SNCR技术以炉膛作为反应器，使用氨水或尿素作为脱硝剂，不需要催化剂，在850～1100℃的温度区间内完成脱硝反应。具有工艺系统简单，烟风阻力小，占地面积小，投资少的优点。SNCR适合炉膛出口烟温为800～1100℃的锅炉，而生物质灰分中碱金属含量较高，灰熔点较低，为防止高温腐蚀和结焦，大部分生物质锅炉的炉膛温度控制在750～880℃，且炉膛内燃烧区温度变化剧烈，寻找合适的SNCR反应窗困难。另一方面，受锅炉炉膛空间限制，难以保证停留时间，存在氨分布不均和氨逃逸问题。实际运行中，在生物质锅炉上使用SNCR脱硝效率约为15%～50%。

3.联合SNCR/SCR脱硝技术

联合SNCR-SCR脱硝技术是结合了SNCR技术投资省、SCR技术高效的特点而发展起来的一种新型工艺。联合SNCR-SCR工艺最主要的改进就是省去了SCR设置在烟道里的复杂氨喷射系统。SNCR-SCR联合烟气脱硝具有、脱硝效率高（80%以上）、催化剂用量小、反应塔体积小，空间适应性强等优点，但仍存在投资高、催化剂寿命有限、氨的逃逸量高等问题。

开发高效率、低投资、无污染的脱硝技术是发展生物质直燃锅炉脱硝的重要方向。固态高分子脱硝（PCR）是近几年刚刚兴起的一种新型烟气脱硝工艺，因其脱硝效率高、投资及运行成本低等优点，被认为是一种前景广阔的脱硝技术，已在实际工业中得到应用，适合我国国情。

三、固态高分子脱硝（PCR）

（一）固态高分子脱硝（PCR）基本原理

固态高分子脱硝（PCR）工艺是一种炉内脱销工艺，其基本原理类似于SNCR。高分子脱硝剂作为催化还原剂通过粉体气相自动输送系统输送到锅炉炉膛中，在650℃以上被激活、气化，瞬间与NOx发生化学反应，将其还原成N2和H2O，从源头遏制NOx的生成，其反应方程式为：

CnHmNs （PCR高分子脱硝剂）+NOx

CO2+N2+H2O（1）

此技术的关键在于选择合适的固态高分子脱硝剂喷入位置，保证反应温度及脱硝剂与烟气的充分混合。（见图1）

（二）固态高分子还原剂

固态高分子还原剂是一种以高效还原活性的功能高分子材料为主要组成成分的固态粉末混合物。其中含有的主要组份有：功能高分子还原材料（CnHmNs）、乳化剂、分散剂、缓释剂、活化剂和渗透剂，以及由氧、镁、铝、硅、钙、钡、锰和稀土元素等化合物组成的催化剂及其助剂。

还原剂借助稀土元素增加催化剂的活性，借助介孔结构的复合载体强化加氢还原活性完成加氢脱销过程，降低生物质燃烧后的烟气中NOx的排放量。（见图2）

（三）固态高分子脱硝（PCR）的优势

固态高分子脱硝（PCR）采用标准化的氣流混合及输送一体化装置，不受现有脱硝现场的场地及空间限制，特别适合对SCR脱硝场地有严格要求的场合，工艺简单，使用方便，空间布置灵活。且脱硝剂费用低，脱硝能耗少，使用成本低。

和传统的SNCR脱硝工艺相比，固态高分子脱硝工艺无需向炉膛中喷入工艺水，无需消耗气化潜热，提高了锅炉的燃烧效率。在生物质直燃锅炉上应用固态高分子脱硝（PCR）效率可达80%以上，远高于SNCR。高分子脱硝剂的反应生成物为CO2和H2O，无其它有机物产生，没有有害副产物，无二次污染，不会形成氨盐，也无氨逃逸现象。

固态高分子脱硝（PCR）在华能吉林发电有限公司农安生物质发电厂、南阳镇平热电厂等项目已成功投入运行。

四、结语

（一）生物质直燃锅炉中NOx以燃料型为主。生物质直燃锅炉NOx原始排放浓度一般在150～450mg/m3，生物质循环流化床锅炉比生物质炉排锅炉NOx排放量稍低。

（二）常规生物质直燃锅炉脱销技术主要有低氮燃烧技术、SCR、SNCR以及SNCR -SCR联合脱硝。这些技术在生物质直燃锅炉应用有脱销效率低、氨逃逸严重、费用昂贵、催化剂中毒和反应器堵塞、磨损等问题亟需解决，有待继续优化和发展。

（三）固态高分子脱硝（PCR）这一新兴脱硝技术具有脱硝效率高、投资及运行成本低等优点，在生物质直燃锅炉上应用具有广阔前景。

参考文献：

[1]马文超，陈冠益，彦蓓蓓.生物质燃烧技术综述[J].生物质化学工程，2007，41 （1）：43-48.

[2]张卫风，吴彩斌.我国生物质燃烧利用技术研究进展[C].第二届研究生生物质能研讨会.广州，2007：12-14.

（通讯作者：刘作）