工業(yè)鍋爐NOx減排技術

山東銘翔環(huán)?？萍加邢薰?/p>

山東大學

二零一三年三月

1.選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝技術..........................1

L1技術原理...................................................1

1.2技術特點.................................................2

1.4設計要求.................................................2

1.6工藝流程及主要設備說明....................................3

2新型煙氣再循環(huán)低NOx燃燒技術.....................................7

2.1層燃爐煙氣再循環(huán)減排NOX的技術原理：......................8

2.2技術特點...................................................9

2.2設計指標..................................................9

2.3工藝流程及主要設備.......................................9

2.4關于爐排燒壞的問題........................................11

3.前置部分氣化低NOx高效層狀燃燒技術............................11

3.1技術原理..................................................12

3.2主要技術特點..............................................13

3.3主要技術指標..............................................14

3.4工作流程及主要設備.......................................14

1.選擇性非催化還原（SNCR）煙氣脫硝技術

選擇性非催化還原（SNCR）是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應的“溫

度窗口”內噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水。該技術一般

采納爐內噴氨、尿素或氫氨酸作為還原劑還原NOx。還原劑只和煙氣中的NOx反

應，一般不及氧反應，該技術不采納催化劑，所乂這種方法被稱為選擇性非催化

還原法（SNCR）。由于該工藝不用催化劑，因此必需在高溫區(qū)加入還原劑。還原

劑噴入爐膛溫度為8501100℃的區(qū)域，快速熱分解成NH3,及煙氣中的NOx

反應生成N2和水。采納氨作為還原劑的SNCR稱為DeNOx法，尿素為還原劑的

為NOxOUT法。SNCR的脫硝效率一般為30~80軋受爐膛結構尺寸影響很大。

1.1技術原理

采納NH3作為還原劑，在溫度為900℃“1100℃的范圍內，還原NOx的化學反

應方程式主要為：

4NH3+4N()+()2-4N2+6H20

4NH3+2N0+202f3N2+6H20

8NH3+6N02-7N2+12H20

而采納尿素作為還原劑還原NOx的主要化學反應為:

(NH2)2C0-2NH2+C0

\H2+N0fN2+H2O

CO+NOfN2+C02

L2技術特點

技術成熟牢靠，還原劑有效利用率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，設備模塊化，占地小,

無副產品，無催化劑c

但當溫度低于900℃時，Mt的反應不完全，造成氨逃逸；當溫度高于11OOC

時，射3被。2氧化為NO,BP4NH3+502-*4N0+6H20O

1.3設計指標

（1）NOx脫除效率（還原率）：30-60%

（2）反應劑及NOx的摩爾比（NSR）：0.8-1.05

（3）達到NOx脫除效率所需的最大反應劑流量

（4）最大的NH3逃逸

（5）對于多層噴射方式，限制系統(tǒng)適當的負荷跟隨實力

1.4設計要求

（1）具有強的穿透力和合理液滴尺寸的還原反應劑充分分布，及煙氣中的

NOx良好混合。

（2）維護反應區(qū)適當溫度范圍；

（3）在反應區(qū)內可獲得足夠的停留時間

（4）具有良好的響應特性的對負荷變更的敏感能跟隨的自控系統(tǒng)

1.5系統(tǒng)組成

SNCR系統(tǒng)煙氣脫硝過程是由下面3個系統(tǒng)組成：

接收和儲存還原劑系統(tǒng)；還原劑的計量、混合稀釋系統(tǒng)；還原劑噴入系統(tǒng)；

1.6工藝流程及主要設備說明

工藝流程見圖loSNCR系統(tǒng)將細小的尿素溶液霧滴噴入爐膛中并使其勻稱分

布。SNCR是一個爐內的燃燒后脫硝反應，尿素溶液霧滴在爐膛內相應溫度窗口區(qū)

域的精細分布程度是該系統(tǒng)性能的重要影響因素。該系統(tǒng)儲存50%質量濃度的尿

素溶液并將它循環(huán)輸送到爐側，然后利用工藝水箱供應的稀釋水將尿素溶液進行

稀釋到設定的濃度，并通過計量模塊精確計量脫哨反應所需的尿素溶液輸送到噴

槍。噴槍利用機械霧化和攜帶風將所需的尿素溶液噴入爐膛中。在相同優(yōu)化和調

試期間，每只槍的霧化性能和流速等還要依據鍋爐的實際運行負荷和NOx濃度進

行進一步的調整以便更好地滿意系統(tǒng)要求。

圖1SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)工藝流程

（1）干卸料及溶解系統(tǒng)

通過單臂吊車把袋裝尿素吊至溶解罐上部平臺，自動拆包倒入尿素罐，在溶解

罐中尿素將制備成50的尿素溶液，當尿素溶液溫度過低式，在線加熱器將起先

啟動并使溶液的溫度高于82℃。

（2）尿素溶液儲罐

尿素溶液儲罐可滿意5天的系統(tǒng)用量（50%尿素溶液）要求，儲罐由玻璃鋼

（FRP）或不銹鋼（304SS）制造而成。儲罐為立式平底結構，裝有液位、溫度顯

示儀，裝有人孔。梯子，通風孔。儲罐基礎為混凝土結構，還原劑儲罐露天放置

時四周加有隔離防護欄。儲罐設有蒸汽伴熱系統(tǒng)，通過溫度調整回路使尿素溶液

維持在肯定溫度，并要考慮現(xiàn)場其它狀況變量包括地震帶、風載荷，雪載荷和無

濃度變更等。

（3）高流量和循環(huán)裝置（HFD）

尿素溶液制備以后，將由高流量和循環(huán)裝置（HFD）輸送給計量和安排裝置。

HFD裝置是一個獨立的高流量傳輸系統(tǒng)，包括2臺全流量的多級SS離心泵，

一備一用。內嵌雙聯(lián)式過濾器、電加熱器和用于遠程限制和監(jiān)測的HFD循環(huán)

系統(tǒng)壓力、溫度、流淌以及濃度儀表等。該2臺泵安裝在尿素溶液制備車間。

（4）壓力限制站

壓力限制回路可以調整IIFD裝置為計量裝置供應尿素所需的壓力，以維持

適當的流量好壓力。閥門站在計量裝置的上游維持了足夠的化學劑壓力，以確保

合適的尿素流量。

（5）尿素溶液稀釋設備

尿素溶液稀釋設備是利用高流量、高壓輸送限制把過濾稀釋水輸送到計量

及安排裝置。該裝置的主要功能是限制供應噴射區(qū)的稀釋水的壓力和流量。該裝

置包括兩個多級離心泵、在線過濾器、壓力限制閥及全部的用于就地/遠程限制

的儀表等。全部部件、除了在線過濾器是銅制外，均有304或316不銹鋼制造。

（6）噴射區(qū)計量裝置

噴射區(qū)計量裝置用于精確計量和獨立限制到鍋爐內的每個噴射區(qū)的反應

劑。該裝置采納獨立的化學劑流量限制，通過區(qū)域壓力限制閥及就地PLC限制器

的結合，為困難的應用狀況供應所需的高水平限制。該裝置連續(xù)并響應來自接著

燃燒限制系統(tǒng)、N0X和氧監(jiān)視器的限制信號，自動調整反應器流量，對NOx水平、

鍋爐負荷、燃料或燃燒方式的變更做出響應，打開或關閉噴射區(qū)或限制其流量。

每一個區(qū)子裝置可相互獨立地進行運行和限制，該特性允許隔離每個子裝置進行

修理且不會嚴峻影響工藝性能或總體的NOx還原效果。

（7）送風裝置

壓縮空氣或鼓風機可以為SNCR噴槍供應攜帶風°該模塊包括2臺風機（一

備一用），入口濾網、出口壓力表和節(jié)氣閥。

（8）噴射器安排裝置

噴射器安排裝置用于為噴槍供應混合化學劑。安排裝置一般安裝在靠近噴

槍的位置（通常在同一水平面）。計量模塊為安排裝置供應藥劑，安排裝置將這

些藥劑分送給每個噴槍。霧化空氣和冷卻空氣由此裝置注入。模塊包括流速和壓

力顯示和壓縮空氣和化學還原劑量調閥或表。全部管道、閥門、檢測元件均布置

在單元式不銹鋼底盤上。

（9）噴嘴組件

尿素溶液槍用于霧化尿素溶液并將其噴入爐膛。采納機械霧化、低壓力型,

采納風機模塊將霧滴帶入鍋爐。每個組件包括噴槍及相關組件。

（10）限制系統(tǒng)

限制室的計算機界面系統(tǒng)是一個人機界面（MMI）,它可以在燃料技術公司

供應應客戶的限制室中做到限制、監(jiān)視和視察趨勢。

1.7SNCR氨逃逸緣由分析

SNCR氨逃逸緣由主要有兩個：一是噴入點煙氣溫度低影響氨及NOx的反應；

二是噴入的還原劑過濾和還原劑分布不勻稱。

還原劑噴入系統(tǒng)必需能將還原劑噴入到爐內最有效的部位，因為NOx的分布

在爐膛對流截面上是常常變更的，假如噴入限制點太少或噴到爐內某個截面上的

氨不勻稱，則會出現(xiàn)較高的氨逃逸量。在較大的燃煤鍋爐中，還原劑的勻稱分布

則更困難，因為較長的噴入距離須要相當大的爐內截面。為保證脫硝反應能充分

進行，以最少的噴入NH3量達到最好的還原效果，必需設法使噴入的NH3及煙氣

良好地混合。若噴入的NH3不充分反應則逃逸的NII3及不僅會使煙氣中的飛灰簡

潔沉積在鍋爐尾部的受熱面上，而且煙氣中NH3遇到S03會產生NH4HS04易造成

空氣預熱器堵塞，并有腐蝕危急。但是，由于SNCR工藝中沒有催化劑，不會使

煙氣中的S03濃度增加2-6倍。在相同的逃逸氨濃度時，形成(NH4)2804和NH4HS04

的可能性較SCR低2.6倍。因此，SNCR工藝的逃逸氨一般限制在5-可ppm以下，

而SCR工藝則必需限制在l-5ppmo

2新型煙氣再循環(huán)低NOx燃燒技術

目前運用較多的煙氣再循環(huán)法，它是在鍋爐的空氣預熱器前抽取一部分低溫

煙氣干脆送入爐內，或及一次風或二次風混合后送入爐內，這樣不但可降低燃燒

溫度，而且也降低了氧氣濃度，進而降低了NOx的排放濃度。從空氣預熱器前抽

取溫度較低的煙氣，通過再循環(huán)風機將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣

混合后一起送入爐內，再循環(huán)煙氣量及不采納煙氣再循環(huán)時的煙氣量之比，稱為

煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)法一般用于電站煤粉鍋爐，而用于層燃爐較少。

層燃爐煙氣再循環(huán)就是在鍋爐的尾部抽取低溫煙氣送入爐排底部風箱或及

二次風混合送入爐膛上部。

2.1層燃爐煙氣再循環(huán)減排NOX的技術原理：

其NOx減排原理：一是降低了煤層區(qū)NOx釋放：熱煙氣取代部分空氣降低了

燃料層的氧濃度降低，在揮發(fā)分析出區(qū)，有利于揮發(fā)分NOx的還原，在氧化區(qū)，

有利于降低溫度削減熱力型NOx形成，在還原區(qū)，有利于形成更強的還原性氣氛

促進焦炭NOx的還原，在燃盡區(qū)有利于降低氧濃度，削減的釋放。二是有利于氣

流在煤層區(qū)上部爐膛的混合，形成較勻稱的還原性氣氛，促進爐膛內NOx進一步

還原為N2o

煙氣再循環(huán)技術在煤粉鍋爐上得到肯定的應用，當煙氣再循環(huán)率為15%~20%

時，NO、排放濃度可降低25%左右。上世紀80年頭美國一些公司將其用于爐排鍋

爐，以降低煙氣污染物排放量和提高鍋爐效率。1983年在一臺4t/h爐排鍋爐上

進行試驗，1987年在一臺22.7t/h鏈條爐上試驗，均取得成效.煙塵排放量平均

降低40%,熱效率提高5%。

傳統(tǒng)的層燃爐煙氣再循環(huán)技術是循環(huán)煙氣送入鼓風機出口，循環(huán)煙氣和空氣

一起配送的各個風箱，這樣的工藝雖然簡潔，但沒有考慮各區(qū)之間的區(qū)分，不是

最佳選擇。

在探討了層燃爐燃燒NOx釋放規(guī)律和機理的基礎上，山東高校開發(fā)了將再循

環(huán)煙氣主要送入揮發(fā)分析出區(qū)和燃盡區(qū)的新型煙氣再循環(huán)低NOX層燃技術，和傳

統(tǒng)的煙氣再循環(huán)技術相比，主要在于取消了中間風倉的煙氣循環(huán)，并優(yōu)化了一次

風、二次風和再循環(huán)煙氣的流量匹配。

2.2技術特點

(1)再循環(huán)煙氣主要引入揮發(fā)分析出區(qū)和燃盡區(qū)，提高了NOx減排效率0

(2)優(yōu)化了一次風、二次風和再循環(huán)煙氣的流量配比，再循環(huán)煙氣量可調，

促進可燃氣體的燃盡。

(3)再循環(huán)煙氣加快了煤的干燥和揮發(fā)分析出，促進了煤的著火，燃盡區(qū)

流量加大，有利于氧氣的擴散，降低了灰渣含碳量，提高鍋爐效率蝴-6%。

(4)有可能用于爐內脫硫。采納煙氣再循環(huán)的層燃爐煤層溫度(12001370C)

低于傳統(tǒng)的均層燃爐(1450-1540C)。這種較低溫度比較適合爐內用鈣脫硫。煤

中含鈣或煤中加入石灰石及煤制成的粒狀體時，就會在燃燒中及硫反應。

(3)投資低廉、系統(tǒng)簡潔、運行費用低。

2.2設計指標

(1)脫硝效率20-50%

(2)提高鍋爐熱效率：4-6%

(3)煙氣再循環(huán)率：10-20%

2.3工藝流程及主要設備

層燃爐煙氣再循環(huán)低NOx燃燒技術的工藝流程見圖2。系統(tǒng)主要有煙氣再循

環(huán)風機、二次風機和一些管路、風門等組成。

煙氣從鍋爐對流受熱面以后的除塵器出口抽出，經循環(huán)風機，送入爐排下

的有關風箱內，使簇新助燃空氣和煙氣適當混合后，從爐排下供入。二次風系統(tǒng)

需作一些修改，如加大噴口尺寸，在爐膛側墻增加二次風噴口等。再循環(huán)風機出

口處的流量限制擋板，由就地操作機構限制，操作信號來自鍋爐限制盤上的限制

器，由運行人員手動限制或自動限制，投入自動限制時，此限制器信號跟蹤著送

風機流量限制器，并可通過調整，變更再循環(huán)煙氣及空氣的流量比率。手動時.，

再循環(huán)率由運行人員手動調整.

煙氣再循環(huán)使鍋爐在較低助燃空氣量狀況下運行，但運行人員必需進行調

整，常常測量循環(huán)回路中的助燃空氣和煙氣流量，或測定煙氣和空氣/煙氣混合

物中的氧量，以調整再循環(huán)量。

給煤機

送風機

圖2新型層燃爐煙氣再循環(huán)工藝流程

2.4關于爐排燒壞的問題

層燃爐有一個長期存在的缺點，即煤層中燃料及空氣通常沒有足夠時間進行

適當的混合。緣由之一是必需有肯定的過?？諝饬坑脕砝鋮s床層和防止灰渣結

焦。即使應用二次風和各種不同的爐排設計，問題也未徹底解決，采納煙氣再循

環(huán)，以煙氣代替部分助燃空氣，可滿意混合和冷卻的須要。煙氣中的水分通過水

/煙氣反應還可提高煤中的碳的活性，使燃燒較為完全。此外，上述反應是吸熱

的，有助于冷卻煤層。

煙氣再循環(huán)系統(tǒng)還具有干脆加熱空氣的功能，助燃空氣溫度雖然提高，但對

爐排沒有不良影響，因煤層的實際運行溫度較低，近煤層處煙氣溫度降低約

140℃。再循環(huán)煙氣還可送入二次風口，使從煤層逸出的燃料揮發(fā)分及氧更好地

混合。雖然可全用循環(huán)煙氣作二次風，但試驗表明，煙氣和空氣各占50%時，較

易限制。

3.前置部分氣化低NOx高效層狀燃燒技術

燃料再燃技術乂稱為燃料分級或爐內還原技術，它是降低NO排放的諸多爐

內方法中最有效的措施之一。再燃技術是少量（15%?20%）的燃料作為還原劑

在主燃燒器的上部某一合適位置噴入形成再燃區(qū)，再燃區(qū)空氣過量系數小于1(再

燃區(qū)不僅使已生成的NOx得到還原，同時還抑制了新的No的生成，進一步降低

N0x)o再燃區(qū)上方布置燃盡風以形成燃盡區(qū)，保證再燃區(qū)出口的未完全燃燒產物

燃盡。燃料再燃技術所月的再燃燃料也可以是外來的自然氣、煤制氣等。目前燃

料再燃技術主要用于煤粉鍋爐，工業(yè)鍋爐的層燃爐由于受燃燒方式和再燃氣來源

的限制難以實現(xiàn)。

山東高校能動學院勝利開發(fā)了前置部分氣化低NOx高效層狀燃燒技術，把煤

氣化制氣及層狀燃燒有機結合，氣化氣作為還原劑，半焦在爐排上正常燃燒，實

現(xiàn)了自制氣再燃，降低了NOx的排放，提高了燃燒效率。

3.1技術原理

前置部分氣化低NOx高效層狀燃燒技術是一種高效低污染層狀燃燒技術，它

能降低層燃爐NOx排放，同時提高燃燒效率。其原理是將燃燒分為兩個階段：煤

首先在前置氣化爐進行缺氧燃燒，缺氧燃燒供應的熱量完成氣化室煤的氣化熱解

過程。然后氣化爐熱解產生的還原性氣體，進入爐膛喉部。此還原性氣體主要成

分為C02、CO、CH4、H2等，在爐膛喉部這些氣體及半焦燃燒產生NOx進行還原

反應，把NOx還原成N2,從而削減NOx的排放。其反應原理如下：

2N0+2cH4f2HCN+2H20H2+88kal

6N0+2cH4-2C0+4H20+3N2+428kal

2N0+2CnIIm+(2n+l/2m-l)02->N2+2nC02+mII20

N()+CO->C02+1/2N2

2N0+2C-N2+2C0

2N0+2H2-N2+2H20

以上各種反應的溫度范圍為900-1100℃,且為還原性氣氛。

在傳統(tǒng)的鏈條鍋爐中，原煤在鏈條爐排上以此經驗預熱干燥、揮發(fā)分析出，

揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒、炭的燃盡過程。其中預熱干燥、揮發(fā)分析階段大約占有

鏈條爐排1/4的長度。而本技術事實上是把預熱干燥、揮發(fā)分析出階段放在前置

氣化爐內完成，延長了焦炭在爐排山的停留時間，降低了灰渣含碳量。另外為了

降低爐膛出口的氣體不完全燃燒損失，在還原區(qū)上部加入燃盡風。