燃煤锅炉烟气再循技术降低NOKx排放研究

李向华 唐权利 朱建平 刘坤朋 王建江 魏博

摘  要：文章针对燃煤锅炉烟气再循技术降低NOx排放进行论述。对我国各地区燃煤锅炉NOx排放标准进行了总结指出了降低NOx排放迫在眉睫，并根据NOx生成机理出发提出烟气再循环降低NOx原理，最后提出了不同类型锅炉采用烟气再循环技术降低NOx排放的实例。采用烟气再循环技术可有效降低NOx含量，为降低NOx排放提供思路。

关键词：燃煤锅炉;烟气再循环;NOx排放;排放标准

中图分类号：TK224         文献标志码：A         文章編号：2095-2945（2020）03-0160-03

Abstract： This paper discusses the reduction of NOx emission by flue gas recirculationtechnology of coal-fired boiler. And summarizes the NOx emission standards for coal-fired boilers in various regions of China， points out that it is urgent to reduce NOx emission. The principle of reducing NOx by flue gas recirculation was proposed based on the NOx generation mechanism. Examples of reducing NOx emission by flue gas recirculation in different types of boilers are presented. Flue gas recirculation technology can effectively reduce the content of NOx and provide ideas for reducing NOx emission.

Keywords： coal-fired boiler; flue gas recirculation; NOx emission; emission standard

前言

在全世界范围内，煤炭仍将在未来很长一段时间内作为世界能源消费的主要一次能源，尤其是在中国，煤炭消耗量已超过全世界消耗总量的50%，在发电耗能方面，燃煤发电能耗远超风电、太阳能、水电、核能等其他新能源的发电耗能，比例仍超过65%[1]。煤炭在我国能源结构中仍将长期占据其主导地位[2]。然而，煤炭燃烧所释放出来的氮氧化物是重要的大气环境污染源之一。如何有效治理氮氧化物的排放，已经成为当前我国能源利用过程中十分紧迫的环境问题[3-4]，特别是近几年出台的GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的实施，促进了NOx脱除技术的发展。

目前，NOx脱除技术中采用在锅炉炉膛中加装SNCR喷氨装置，使得NOx在脱硝反应的“温度窗口”期将烟气中的NOx还原为无害的氮气和水;或者在省煤器出口加装SCR催化剂层，令烟气中的还原剂在较低温度下有选择性的与NOx生成N2和H2O两种方法，亦或两种方式同时采用。除此之外，通过采用分级燃烧的方式降低其在燃烧过程中所产生NOx，达到减少NOx排放的目的。由于SNCR、SCR在促进NOx脱除的过程中需要适宜的“温度窗口”，脱除过程中反应条件严格并且不能从源头上减少NOx的生成;而分级燃烧技术的使用范围有限，并会降低锅炉燃烧效率。因此，本文从NOx生成机理出发，阐述烟气再循环降低NOx原理，列举三类不同类型锅炉采用烟气再循环技术后降低NOx实例，为烟气再循环技术提供参考。

1 全国各地NOx排放标准

为有效防止环境污染，环境保护部和国家治理监督检验检疫总局联合发布GB13223-2011后，全国各地，包括北京、河北、郑州等地根据其地区的实际情况，陆续编制和公布了一系列的地方性大气污染物排放标准，在各地的地方标准中燃煤锅炉排放限值及实施区域和时间如表1所示。

从表中可以看出各地区的NOx排放标准均不相同，部分地区排放限额远低于国家标准，尤其是北京、郑州以及西安附近的区域，其新建锅炉的排放限值为30mg/m3。天津市还明确指出其禁燃区在用锅炉禁止排放，山东、上海明确在2020年后的排放限额较目前排放限额更低，由此可见在进一步降低NOx排放过程中排放要求越来越低，这些地方标准的出台势必会推动各地在NOx脱除技术的快速发展。

2 NOx生成机理

在煤燃烧过程中NOx生成主要为三类：燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx。每一种形式的NOx生成机理各不相同。无论采用何种方法来减少NOx的排放，其NOx生成机理是相同的，三种生成机理在煤燃烧过程中对NOx排放总量贡献如图1表示：

图1 三种生成机理在煤燃烧过程中对NOx排放总量贡献

其中热力型NOx是由空气中的氮气与氧气在高温下发生氧化反应生成，热力型NOx的生成主要受温度、氧浓度和在高温区停留时间等的影响，热力型NOx在炉膛温度高于1350℃时开始少量生成，且随温度升高，其生成指数形式迅速升高[5];燃料型NOx是指燃料在燃烧时其含氮化合物分解后经过进一步氧化而生成的氮氧化物，影响燃料型NOx的生成不仅与煤自身的煤质特性、煤中含氮化合物的存在形式，以及煤中氮在分解时在其挥发分和焦碳中所占的比例有很大关系，还与炉内燃烧的氧浓度、燃烧温度等因素有关;快速型NOx的产生源于空气中的氮气与燃料中的碳氢离子团，如CH等反应而生成[6]。快速型NOx是由于在煤燃烧过程中高于一定温度后期化学反应速度迅速加快，所以叫做快速型NOx。由图1可见相对于其他燃烧方式，煤燃烧过程中NOx排放贡献最多的是以热力型生成的NOx为主，其次是燃料型生成NOx。因此在脱除NOx技术过程中以减少快速型NOx生成为主。

3 烟气再循环降低NOx原理

烟气再循环可以有效降低NOx排放，其工作原理是将锅炉尾部排烟前的烟气（主要成分N2、O2和CO2）一部分通过再循环风机送入炉膛，利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点，降低炉膛温度使锅炉燃烧区域保持相对低氧环境。首先，烟气再循环代替的一次风氧量经二次风风箱补入，增加了二次风率，此方法可以更好的实现低氮燃烧时所需的空气分级，并在维持锅炉整体运行氧量不是太低的水平上大幅的降低NOx排放。其次，烟气再循环过程中的低温降低了炉膛整体温度可以有效的，减少快速型NOx的生成。烟气再循环过程中所起的低氮作用与再循环烟气量、再循环烟气的烟气温度，烟气中氧量等密切相关。

4 烟气再循环技术应用

在烟气再循环技术应用过程中脱硝效率与烟气循环率（循环烟气量与烟气总量的比值）有着直接的关系。一般来说烟气循环率越高则脱硝效果会越好这是由于循环率越高一次风所携带的氧量越低，产生的快速性NOx将更低，然而循环率较高带来的低氧环境会势必会引起炉内燃烧的不稳定，一般来讲将其控制在10-20%之间[7]。

某循环流化床锅炉[8]采用630mm的烟气再循环管路从引风机出口烟道经再循环风机引入一次风机消音器下游300mm，在引入一次风机接口处有电动插板门。通过循环烟气在锅炉密相区营造还原性气氛抑制NOx的生成。在满负荷下NOx从不投运烟气再循环系统的323mg/m3降至261mg/m3，NOx降低19.2%，炉膛氧量从7.4%降至6.3%，其床温由942℃降至925℃，采用该方式有效降低了NOx的含量。

某煤粉锅炉[9]采用在引风机后脱硫增压风机前抽取一股冷烟气分别进入一次风联络风道和二次风联络风道，入风道前均设有电动挡板控制系统。在50%负荷下，在仅投用一次风烟气再循环系统时，NOx浓度由370mg/m3降至215mg/m3，其NOx降低40%，排烟温度上升10℃，SCR入口烟温升高8℃，其厂用电升高0.5%，锅炉效率降低0.6%。

某链条炉[10]采用在引风机烟道出口经管路引至链条炉底部不同分室上，改变循环倍率降低NOx排放。随着循环倍率的上升，改造前NOx浓度330mg/m3降至改造后的270mg/m3，NOx含量降低了约22%，氧量减少1%-2%。

由此可见，烟气再循环技术可以有效的降低NOx的生成，在不同类型的锅炉中采用烟气再循环技术均能产生一定的效果，抽取不同部位的再循环烟气以及进入不同部位的再循环烟气其降低的NOx程度不同，因此采用烟气再循环技术需考虑锅炉的类型以及烟气抽取的部位等。

5 结束语

通过对全国各地燃煤锅炉NOx排放标准的总结以及NOx生成机理论述，提出的烟气再循环技术原理及应用实例，可以看出燃煤锅炉面临的低NOx排放标准越来越苛刻，势必要提出更好地降低NOx的手段。经验证烟气再循环技术可以有效地降低NOx含量减少NOx生成与排放，合适的烟气再循环方式可以有效的提高锅炉炉膛温度，降低炉内氧量，对保证锅炉低NOx运行有一定的效果，为降低NOx排放提供思路。

参考文献：

[1]周志强.中国能源现状、发展趋势及对策[J].能源与环境，2008（6）：9-10.

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[3]聂虎，余春江，柏继松，等.生物质燃烧中硫氧化物和氮氧化物生成机理研究[J].热力发电，2010，39（9）：21-26.

[4]雷雨，刘洋，牛艳青，等.SNCR/烟气再循环协同脱硝技术研究[J].洁净煤技术，2019，25（3）：110-115.

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[6]MILLER J A， BOWMAN C T. Erratum： mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion[J]. Progress in Energy & Combustion Science， 1990，16（4）：287-338.

[7]章勤.燃煤锅炉低NOx燃烧实验及模拟研究[D].浙江大学，2013.

[8]华海峰，宋立臣，任海.利用烟气再循环技术降低CFB锅炉NOx排放研究[J].科学技术与创新，2019，24：147-148.

[9]董信光，孔庆雨，孙健，等.冷烟气再循環对锅炉深度调峰能力影响[J].热力发电，2019，48（5）：126-132.

[10]孙超，张健，张忠孝，等.燃煤链条炉循环烟气量对排烟氧、NOx浓度的影响[J].热能与动力工程，2019，34（5）：91-96.