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摘要：本文介绍了氮氧化物产生和控制的基本原理，探讨循环流化床锅炉的低氮燃烧方法，分析SNCR脱硝技术工艺原理和特点及应用实例。
关键词：NOx 低氮燃烧 SNCR 循环流化床
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-384-01
山东华聚能源股份有限公司东滩矿电厂现有三台煤泥循环流化床锅炉，均为无锡锅炉厂与浙江大学联合设计，无锡锅炉厂制造的型号为UG-75/3.82-M23循环流化床锅炉，采用单锅筒横置式自然循环系统，悬吊式半露天布置。随着环保标准的不断提高，电厂环保压力越来越大。
一、氮氧化物的生成
燃烧过程中排放出来的NOx约90%是NO，5%到10%是N02，l%是N20。烟气排出烟囱后其中的NO最终在大气中被氧化成二氧化氮。在电厂烟囱排气中经常看到的红棕色即是二氧化氮。在大气中二氧化氮经过一系列反应形成二次污染物。二氧化氮与太阳光和碳氢团反应形成光化学烟雾和酸雨的成分。
氮氧化物主要是通过三种路径形成的：热力型、快速型、燃料氮。
热力型氮氧化物是通过下列基本反应形成的：
O+N2 NO+N （1）
N+02 NO+O （2）
N+OH NO+H （3）
热力型NOx的形成对温度有很强的依赖关系，在温度超过1200℃时随温度的增加NOx的形成按指数规律增加。降低热力型NOx可以通过对燃烧系统修改来实现。通过控制燃料与空气的混合来控制燃烧速度，从而降低燃烧最高温度点的温度以此来降低热力型NOx的形成。通过分级燃烧即先加入部分燃烧空气，使燃料在完全燃烧之前先进行部分冷却然后在逐步加入剩余的燃烧空气亦可有效降低热力型NOx的产生。
快速型NOx是通过空气中的氮和碳氢原子团如CH和HCN的反应产生的。快速型NOx产生的量比起通过其他机理产生的NOx一般情况下要小得多。只有在燃用气体燃料的超低NOx燃烧器中，控制快速型NOx才比较重要。
燃料型NOx是煤燃烧时产生的NOx的主要来源。煤燃烧时约75%至90%的NOx是燃料型NOx。迄今为止的研究结果表明，煤燃烧的燃料型NOx的生成路径有两条：挥发份氮和焦炭氮。在煤燃烧的初期阶段，随挥发份释放的燃料氮经过反应在富燃料区产生一些中间产物，这些中间产物在燃烬区或者被氧化成NOx或者被还原成氮气。形成NO还是氮气取决于燃料和空气的化学当量比。由挥发份氮路径生成的NOx占总燃料型NOx的60%到80%。
二、脱硝技术工艺原理
（一）低氮燃烧原理
利用循环流化床锅炉燃烧温度低、温度场均匀性好、污染物初始排放浓度较低的特点，将燃烧所需的空气量分成两级送入锅炉进行助燃，使第一级燃烧区（还原区）内过量空气系数小于1，燃料先在缺氧的条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而抑制热力氮氧化物的生成。同时，缺氧燃烧产生 CO、CH4、H2、HCN等还原剂与NOx进行反应，抑制燃料氮氧化物的生成。在二级燃烧区（燃尽区）内，成为富氧燃烧区，此时空气量多，一些中间产物被氧化生成NOx，但是与常规相比燃烧温度较低，生成NOx量不大，总的NOx生成量是减少的。
低氮燃烧主要是通过加强电厂锅炉运行管理和技术指导，控制NOx生成的原始排放浓度在350mg/Nm3左右。
（二）SNCR脱硝工艺原理及特点
1.SNCR脱硝工艺原理
SNCR脱硝是将氨水或尿素溶液作为还原剂，通过雾化喷射系统直接喷入锅炉合适温度区域（850～1050℃），雾化后的氨与NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2的工艺。考虑到运行成本和电厂利用氨水进行氨法脱硫的有利现状，电厂选择利用氨水作为还原剂进行改造。氨水做为还原剂时适宜温度在870～1000℃之间时，脱硝率为30～70%。
SNCR工艺技术的关键在于，还原剂喷入系统必须尽可能地将还原剂喷入到炉内最有效温度窗区域内，即尽可能的保证所喷入的还原剂在合适的温度下与烟气进行良好的混合，這样一方面可以提高还原剂利用率，另外一方面可以控制获得较小的氨逃逸。
氨水作为还原剂化学反应有：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O （4）
6NO+4NH3→5N2+6H2O （5）
6NO2+8NH3→7N2+12H2O （6）
2NO2+4NH3+O2→ 3N2+6H2O （7）
2.SNCR脱硝技术特点
与其它NOx脱除工艺相比，SNCR脱硝工艺具有以下特点： 经济实用，投资、运行成本低，安装及操作简单；占地面积小，SNCR脱硝技术经济性高；在脱硝过程中不使用催化剂，因此不会造成空预器堵塞和压力损失等其它烟气脱硝技术引起的弊端；多用于低NOx燃烧器的辅助工程。
三.工艺概述
SNCR工艺系统由氨水卸料、存储和输送系统、稀释水输送系统、计量分配系统及炉前喷射系统，采用专用SNCR 喷枪将氨水溶液喷入炉膛进行反应，并保证足够的穿透深度和覆盖面。喷入炉膛氨水溶液浓度10%，进炉膛压力约0.5MPa。
1.氨水溶液制备、稀释系统
通过槽车将氨水由外界运输到厂并通过卸料泵送至氨水溶液储罐储存。氨水溶液储罐按3 台锅炉BMCR 工况下5 天的裕量考虑，并设置液位计、温度检测系统装置等。储罐里的氨水通过隔膜泵输送至炉前静态混合器与稀释水混合，稀释成浓度10%以下的溶液。
设备主要有卸料泵、氨水溶液储罐、稀释系统、静态混合器、喷射器及相关管道等。其中稀释系统包括工业水箱1台、稀释水泵2台、计量分配及喷射系统等。
2.压缩空气系统的设计和布置
雾化空气采用压缩空气，气压0.4MPa，以母管方式送至炉前，每台锅炉配置一套计量分配系统，就近布置在喷射系统附近锅炉平台上。计量分配系统还应设置空气过滤器，以防设备堵塞。
3.还原剂喷射系统的设计和布置
还原剂喷射系统的设计应能适应锅炉最低稳燃负荷工况和BMCR之间的任何负荷持续安全运行，并能适应机组的负荷变化和机组启停次数的要求，利用现有锅炉平台进行安装和维修。每台炉均设置溶液调节阀及流量计，可根据锅炉负荷的变化调整还原剂的喷入量。
4.仪表与DCS控制系统
采用DCS系统进行控制。能实现以单元机组DCS操作员站LCD显示器为中心对脱硝系统进行监视和控制。实现自动对有关参数进行扫描和数据处理、定时制表、参数越限时自动报警和打印、根据人工指令自动完成各局部工艺系统或辅机的程序启停。当系统发生异常或事故时，通过保护、联锁或人工干预，使系统能在安全工况下运行或停机。整个控制系统满足各种工况下的自动运行要求，包括启动，正常运行，事故处理等情况。
四.结语
循环流化床锅炉的NOx排放比起传统的煤粉炉要低很多。一般情况下，CFB锅炉的NOx排放大多都能小于200mg/Nm3，有的还能达到100mg/Nm3以下。
随着环境治理压力的增加以及环保法规要求的日益严格，我国氮氧化物的排放控制也会越来越严格。循环流化床锅炉采用经济实用的SNCR脱硝技术可以满足当今严格的NOx排放标准的要求，符合我国的国情。
参考文献：
[1]罗朝晖、王恩禄.循环流化床锅炉选择性非催化还原技术及其脱硝系统的研究，动力工程，第28卷第3期2008年6月442—446页
[2]路涛、贾双燕、李晓芸.关于烟气脱硝SNCR工艺及其技术经济分析[J].现代电力，2004，21（1）：17-22
[3]李振中.SNCR烟气脱硝技术在电厂中的应用.中国电力环保，2006.
作者简介：刘新泉，男，山东华聚能源股份有限公司东滩矿电厂，工程师，长期从事锅炉专业运行、检修技术管理。
关键词：NOx 低氮燃烧 SNCR 循环流化床
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-384-01
山东华聚能源股份有限公司东滩矿电厂现有三台煤泥循环流化床锅炉，均为无锡锅炉厂与浙江大学联合设计，无锡锅炉厂制造的型号为UG-75/3.82-M23循环流化床锅炉，采用单锅筒横置式自然循环系统，悬吊式半露天布置。随着环保标准的不断提高，电厂环保压力越来越大。
一、氮氧化物的生成
燃烧过程中排放出来的NOx约90%是NO，5%到10%是N02，l%是N20。烟气排出烟囱后其中的NO最终在大气中被氧化成二氧化氮。在电厂烟囱排气中经常看到的红棕色即是二氧化氮。在大气中二氧化氮经过一系列反应形成二次污染物。二氧化氮与太阳光和碳氢团反应形成光化学烟雾和酸雨的成分。
氮氧化物主要是通过三种路径形成的：热力型、快速型、燃料氮。
热力型氮氧化物是通过下列基本反应形成的：
O+N2 NO+N （1）
N+02 NO+O （2）
N+OH NO+H （3）
热力型NOx的形成对温度有很强的依赖关系，在温度超过1200℃时随温度的增加NOx的形成按指数规律增加。降低热力型NOx可以通过对燃烧系统修改来实现。通过控制燃料与空气的混合来控制燃烧速度，从而降低燃烧最高温度点的温度以此来降低热力型NOx的形成。通过分级燃烧即先加入部分燃烧空气，使燃料在完全燃烧之前先进行部分冷却然后在逐步加入剩余的燃烧空气亦可有效降低热力型NOx的产生。
快速型NOx是通过空气中的氮和碳氢原子团如CH和HCN的反应产生的。快速型NOx产生的量比起通过其他机理产生的NOx一般情况下要小得多。只有在燃用气体燃料的超低NOx燃烧器中，控制快速型NOx才比较重要。
燃料型NOx是煤燃烧时产生的NOx的主要来源。煤燃烧时约75%至90%的NOx是燃料型NOx。迄今为止的研究结果表明，煤燃烧的燃料型NOx的生成路径有两条：挥发份氮和焦炭氮。在煤燃烧的初期阶段，随挥发份释放的燃料氮经过反应在富燃料区产生一些中间产物，这些中间产物在燃烬区或者被氧化成NOx或者被还原成氮气。形成NO还是氮气取决于燃料和空气的化学当量比。由挥发份氮路径生成的NOx占总燃料型NOx的60%到80%。
二、脱硝技术工艺原理
（一）低氮燃烧原理
利用循环流化床锅炉燃烧温度低、温度场均匀性好、污染物初始排放浓度较低的特点，将燃烧所需的空气量分成两级送入锅炉进行助燃，使第一级燃烧区（还原区）内过量空气系数小于1，燃料先在缺氧的条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，从而抑制热力氮氧化物的生成。同时，缺氧燃烧产生 CO、CH4、H2、HCN等还原剂与NOx进行反应，抑制燃料氮氧化物的生成。在二级燃烧区（燃尽区）内，成为富氧燃烧区，此时空气量多，一些中间产物被氧化生成NOx，但是与常规相比燃烧温度较低，生成NOx量不大，总的NOx生成量是减少的。
低氮燃烧主要是通过加强电厂锅炉运行管理和技术指导，控制NOx生成的原始排放浓度在350mg/Nm3左右。
（二）SNCR脱硝工艺原理及特点
1.SNCR脱硝工艺原理
SNCR脱硝是将氨水或尿素溶液作为还原剂，通过雾化喷射系统直接喷入锅炉合适温度区域（850～1050℃），雾化后的氨与NOx进行选择性非催化还原反应，将NOx转化成无污染的N2的工艺。考虑到运行成本和电厂利用氨水进行氨法脱硫的有利现状，电厂选择利用氨水作为还原剂进行改造。氨水做为还原剂时适宜温度在870～1000℃之间时，脱硝率为30～70%。
SNCR工艺技术的关键在于，还原剂喷入系统必须尽可能地将还原剂喷入到炉内最有效温度窗区域内，即尽可能的保证所喷入的还原剂在合适的温度下与烟气进行良好的混合，這样一方面可以提高还原剂利用率，另外一方面可以控制获得较小的氨逃逸。
氨水作为还原剂化学反应有：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O （4）
6NO+4NH3→5N2+6H2O （5）
6NO2+8NH3→7N2+12H2O （6）
2NO2+4NH3+O2→ 3N2+6H2O （7）
2.SNCR脱硝技术特点
与其它NOx脱除工艺相比，SNCR脱硝工艺具有以下特点： 经济实用，投资、运行成本低，安装及操作简单；占地面积小，SNCR脱硝技术经济性高；在脱硝过程中不使用催化剂，因此不会造成空预器堵塞和压力损失等其它烟气脱硝技术引起的弊端；多用于低NOx燃烧器的辅助工程。
三.工艺概述
SNCR工艺系统由氨水卸料、存储和输送系统、稀释水输送系统、计量分配系统及炉前喷射系统，采用专用SNCR 喷枪将氨水溶液喷入炉膛进行反应，并保证足够的穿透深度和覆盖面。喷入炉膛氨水溶液浓度10%，进炉膛压力约0.5MPa。
1.氨水溶液制备、稀释系统
通过槽车将氨水由外界运输到厂并通过卸料泵送至氨水溶液储罐储存。氨水溶液储罐按3 台锅炉BMCR 工况下5 天的裕量考虑，并设置液位计、温度检测系统装置等。储罐里的氨水通过隔膜泵输送至炉前静态混合器与稀释水混合，稀释成浓度10%以下的溶液。
设备主要有卸料泵、氨水溶液储罐、稀释系统、静态混合器、喷射器及相关管道等。其中稀释系统包括工业水箱1台、稀释水泵2台、计量分配及喷射系统等。
2.压缩空气系统的设计和布置
雾化空气采用压缩空气，气压0.4MPa，以母管方式送至炉前，每台锅炉配置一套计量分配系统，就近布置在喷射系统附近锅炉平台上。计量分配系统还应设置空气过滤器，以防设备堵塞。
3.还原剂喷射系统的设计和布置
还原剂喷射系统的设计应能适应锅炉最低稳燃负荷工况和BMCR之间的任何负荷持续安全运行，并能适应机组的负荷变化和机组启停次数的要求，利用现有锅炉平台进行安装和维修。每台炉均设置溶液调节阀及流量计，可根据锅炉负荷的变化调整还原剂的喷入量。
4.仪表与DCS控制系统
采用DCS系统进行控制。能实现以单元机组DCS操作员站LCD显示器为中心对脱硝系统进行监视和控制。实现自动对有关参数进行扫描和数据处理、定时制表、参数越限时自动报警和打印、根据人工指令自动完成各局部工艺系统或辅机的程序启停。当系统发生异常或事故时，通过保护、联锁或人工干预，使系统能在安全工况下运行或停机。整个控制系统满足各种工况下的自动运行要求，包括启动，正常运行，事故处理等情况。
四.结语
循环流化床锅炉的NOx排放比起传统的煤粉炉要低很多。一般情况下，CFB锅炉的NOx排放大多都能小于200mg/Nm3，有的还能达到100mg/Nm3以下。
随着环境治理压力的增加以及环保法规要求的日益严格，我国氮氧化物的排放控制也会越来越严格。循环流化床锅炉采用经济实用的SNCR脱硝技术可以满足当今严格的NOx排放标准的要求，符合我国的国情。
参考文献：
[1]罗朝晖、王恩禄.循环流化床锅炉选择性非催化还原技术及其脱硝系统的研究，动力工程，第28卷第3期2008年6月442—446页
[2]路涛、贾双燕、李晓芸.关于烟气脱硝SNCR工艺及其技术经济分析[J].现代电力，2004，21（1）：17-22
[3]李振中.SNCR烟气脱硝技术在电厂中的应用.中国电力环保，2006.
作者简介：刘新泉，男，山东华聚能源股份有限公司东滩矿电厂，工程师，长期从事锅炉专业运行、检修技术管理。