低氮燃烧和SCR技术在燃煤锅炉烟气脱硝中的联合应用

邢俊冬 吴杰

摘  要：在我国国民经济快速发展推动下，工业生产与城市化建设也取得了较快的发展，而随之产生的环境污染与能源消耗问题也日益突出。有研究数据显示，当前我国工业生产中SO2的排放总量已接近2000万t，NOX排放总量更是早已超出2000万t，并且其排放量呈现不断增长变化趋势，按照当前国内的工业生产与污染排放发展趋势，以NOX排放量为例，将很快突破3500万t，所造成环境污染危害影响十分严重。针对这一情况，加强工业生产中锅炉燃烧的烟气污染排放治理，加大对SO2、NOX等污染气体排放量的控制，具有十分积极的作用和意义。该文将对低氮燃烧、SCR技术在燃煤锅炉烟气脱硝中的联合应用进行研究，以供参考。

关键词：低氮燃烧  SCR技术  燃煤锅炉  烟气脱硝  联合应用

中图分类号：TM621   文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2019）05（a）-0066-02

1  NOX生成原理及控制技术分析

1.1 NOX的生成过程及主要类型分析

NOX作为导致空气污染的重要物质成分，对公众健康存在着较大的危害影响。工业生产中锅炉燃烧烟气排放过程中NOX的生成，根据其燃烧运行的具体工况不同，主要包含燃料燃烧与热力作用、快速反应等不同情况下生成的NOX。

其中，燃料燃烧形成的NOX，是由于燃料本身存在的氮化合物在燃烧过程中转化形成的，一般情况下，燃料燃烧温度达到600℃～800℃时就会导致其中的氮化合物转化生成NOX，燃料氮是其生成的主要来源，并且NOX生成与分解变化会受到燃料特性以及结构等因素影响，同时也会受到燃烧温度等条件因素作用。

而热力作用下生成的NOX是通过高温作用对空气中的氮进行氧化后生成的，一般为1500℃以上高温条件，NOX的这一生成变化原理受到阿累尼乌斯定律影响，并且其生成变化与温度条件存在较大的关系，温度越高其生成速度会呈现指数规律发生较为迅速的增加变化。

此外，快速反应生成的NOX，是指在碳氢化合物燃料过浓燃烧情况下导致的反应区附近NOX快速反应生成，这种情况下在实际中较为少见，所产生的影响也十分小，基本可以忽略。

1.2 NOX控制技术

根据上述对NOX的生成过程分析可以看出，要想实现NOX生成控制可以从燃料前、燃烧过程中以及燃烧后3个不同环节，采取相应的技术措施对其生成进行控制，从而减少NOX生成与排放造成的污染危害。

首先，在燃烧前进行有效处理以减少NOX生成及污染危害中，其主要技术措施为脱氮处理，即在燃料燃烧前将其转换成低氮燃料，以减少其燃烧过程中NOX的生成，进而控制其污染排放和影响产生。值得注意的是，这种技术措施不仅较为复杂，且技术难度较高、成本大，导致在具体实践中的研究应用局限性突出。

其次，燃烧过程中的NOX生成脱氮处理技术，主要包含对燃烧过程中NOX的生成进行控制和对已生成的采用还原处理进行降低两种方法。其中，在进行燃烧过程中的氮氧化物生成控制中，根据其生成机制可以看出，需要通过对燃烧温度的控制和降低反应区氧浓度、降低燃料在高温环境中的停留时间等方法实现，并且燃烧过程中NOX生成的控制技术开发设计都是按照这一原理实施的。此外，对燃烧形成的NOX进行还原处理，以降低其烟气排放中含量，实际上也是燃烧后脱氮处理技术，即烟气脱硝处理工艺，比较常见的烟气脱硝处理技术方法包括选择性催化还原法以及选择性非催化还原法等，通过在燃烧排放烟气中加入含氮还原剂，使其在一定温度下与烟气中的氮氧化物进行相互还原反应，从而生成氮气和水，以减少其危害影响。其中，SCR技术作为一种选择性催化还原法在锅炉燃烧烟气脱硝工艺中就具有较为广泛的应用。

2  低氮燃烧、SCR技术在燃煤锅炉脱硝处理中的联合应用

2.1 锅炉系统运行状况

以某燃煤锅炉系统为例，共有5台WGZ220/9.8-13型锅炉设备，采用高压自然循环燃烧工艺，均为单炉膛正四角布置煤粉喷燃器，通过切向燃烧对锅炉系统燃烧运行进行支持。此外，该锅炉系统中还运用了集中下降管、Ⅱ型布置的固态排渣煤粉炉，炉膛设置在锅炉的前部，是周围膜式水冷壁，同时在锅炉的炉顶以及水平烟道、转向室部分均进行顶棚包墙膜式过管壁设置，锅炉尾部竖井烟道中还设置有两级省煤器与空气预热器，采用钢球磨、中间储倉热风送粉系统，锅炉燃烧的除渣设备设置湿式水封除渣装置。

上述锅炉系统燃烧运行中，1～3号锅炉的炉膛截面为7600mm×7600mm，排烟温度约为136℃，锅炉燃烧运行效率为92.3%;而4、5号锅炉炉膛截面为7570mm×7570mm，排烟温度约为141℃，锅炉燃烧运行效率为91.4%。5台锅炉燃烧运行的额定蒸发量均为220T/H，过热蒸汽压力为9.81MPa，过热蒸汽温度为540℃。

2.2 技术改造

根据上述锅炉系统运行状况，在对其系统采用低氮燃烧技术进行改造设计中，要求进行改造后的系统运行脱硝效率高于40%，同时1～3号锅炉燃烧运行效率能够达到91.21%以上，4、5号锅炉燃烧运行效率不低于91.08%，且锅炉燃烧的飞灰增加值应控制在1%以下，其汽温、汽压以及出力参数需要与改造前相一致，以对锅炉正常运行进行保障。根据这一系统改造目标要求，通过对上述燃煤锅炉燃烧系统采用双尺度燃烧技术对锅炉炉内燃烧的空间尺度与过程尺度进行全面优化改造，以满足其低氮燃烧改造技术要求。具体改造范围为锅炉主燃烧器与燃尽风结构部分，对锅炉主燃烧器采用纵向布置，从上到下依次设置为高位燃尽风、上下层三次风、上二次风、上一次风、中二次风、下一次风、下二次风，其中，在上二次风与中二次风中加装贴壁风;燃烧器横向布置为水平断面上通过一次风射流在炉内形成直径为300mm的顺时针切圆、二次风射流在炉内形成直径为608mm的逆时针切圆，以避免锅炉运行中出现炉膛结渣情况，同时控制NOX的排放，达到低氮燃烧效果。

其次，采用SCR技术对上述锅炉系统进行改造中，从催化剂成本分析，对催化剂的选择使用及具体数量需要根据实际情况进行确定。SCR工艺系统结构组成主要包括尿素热解制氨系统以及尿素热解反应器、氨喷射器、反应器系统等。其中，尿素热解制氨系统中包含尿素贮存与尿素溶液制备存储系统、热解反应器系统、稀释风系统、尿素溶液过滤器、氨气分配系统、蒸汽与冷凝系统等;尿素热解反应器在整个锅炉系统中共设置3台，并且整个锅炉系统中使用同一套尿素储存与尿素溶液制备系统。该SCR系统装置运行中以二氧化钛为基体的碱金属作为催化剂，采用蜂窝式设计，表面积控制为500～1000m2/m3，以对SCR系统在脱硝处理中的催化还原反应进行支持。

2.3 效果分析

通过对燃煤锅炉系统的技术改造设计，结合其实际运行应用效果来看，在低氮燃烧与SCR技术联合运用下，其系统运行中的脱硝处理效率达到了70%以上，并且浓度控制在150mg/Nm3以下，符合该锅炉系统运行的烟气污染排放标准，具有较好的技术效果。

3  结语

总之，对低氮燃烧、SCR技术在燃煤锅炉烟气脱硝中的联合应用分析，有利于促进其在锅炉燃烧烟气脱硝工艺实践中推广应用，进而减少锅炉燃烧的烟气排放污染影响，具有十分积极的作用和意义。

参考文献

[1] 郭丽颖，朱林，侯健，等.燃气轮机NOx控制技术及催化剂应用的现状与展望[J].电力科技与环保，2019，35（1）：13-15.

[2] 范剑明，武新岗.煤粉炉低氮燃烧及烟气脱硝改造设计典型示范[J].环境科学导刊，2017，36（5）：59-61.