张晓楠
哈尔滨电气国际工程有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市150028
摘要：燃煤锅炉排放的烟气中含有粉尘颗粒物、二氧化硫和氮氧化物等有害因素，根据《十三五节能减排综合工作方案》的要求，各地方环境保护部门出台了地方性的锅炉大气污染物排放标准，提高了锅炉大气污染物的排放标准要求。锅炉装机总容量巨大，
未安装脱硝装置的锅炉机组势必需要采取一定的技术措施来达到氮氧化物排放要求。
本文分析燃煤锅炉可采用的脱硝技术措施，分析不同方法的适用性。
关键词：锅炉；氮氧化物；脱硝装置；
锅炉燃用的煤中，基本元素有碳、氢、氧、氮、硫等元素，煤在炉膛内燃烧后会生成二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物等氧化物，同时会伴有大量的飞灰。二氧化硫和氮氧化物若未经处理直接排放至大气中，不仅会造成大气污染，同时会严重危害人的身体健康。
1、锅炉安装脱硝装置的必要性
随着人们对大气质量越来越重视，国家环境保护部对污染物的排放标准进行了规定，国家颁布《锅炉大气污染物排放标准》中规定氮氧化物排放标准为200mg/m3以内，各地方根据各地实际情况，在满足国家标准的同时，出台了适用本地的污染物排放标准。以北京为例，在用锅炉氮氧化物排放要求在80 mg/m3以内，新建锅炉氮氧化物排放30 mg/m3以内。锅炉在未安装脱硝装置前，氮氧化物排放量大约在300~450 mg/m3(折算氧量6%)[1]，因此在用锅炉和新建锅炉必须安装脱硝设备，以满足氮氧化物排放标准要求。
2、脱硝技术措施
煤燃烧生成的氮氧化物主要是NO和NO2，氮氧化物的主要生成机理一般为热力型和燃料型。热力型NOx机理为：进入炉膛的空气中的N2在1500℃高温环境下与氧气发生氧化反应，反应过程比较复杂，最终生成物为NOx；燃料型NOx生成机理：煤中氮元素主要是以吡咯类氮和吡啶类氮的型式存在，大多数煤吡咯类氮比例约为60%[2,3]，在炉膛温度在800℃时，约有10%的吡咯氮和吡啶氮热解，而温度在900℃及以上时，除极少吡啶氮外，其余全部热解，而当温度达到1050℃及以上时，所有氮的化合物全部热解[4]。针对氮氧化物的不同生成机理，可以采取不同的技术措施。
2.1、低氮燃烧法
低氮燃烧脱硝技术措施主要是通过控制炉膛内燃料的燃烧和配风来达到降低生成NOx的目的。低氮燃烧主要受炉内燃烧温度和过量空气系数影响。
以层燃炉为例，层燃炉由于炉排结构特性，燃料自煤仓落到炉排上后，随炉排自前向后移动，燃料分为不同的区段燃烧：新燃料区、析出挥发分区、焦炭燃烧区和燃烬区，NOx生成主要是在析出挥发分区。锅炉风室一般为5风室，挥发分析出对应2风室，焦炭燃烧区对应3风室。当2风室配风增加时，主燃区燃烧增强，炉膛内氧量降低，烟气量增加，炉膛内气流扰动剧烈，挥发分析出及燃烧区为氧化氛围，析出的氮的中间产物会被氧化，生成NOx；当2风室配风减少时，挥发分析出区处于还原性氛围，氮的氧化物会被还原成N2，抑制了NOx生成。
此种技术措施未增添锅炉新结构，仅仅依靠调整燃料燃烧及配风即可降低氮氧化物的浓度，浓度可由300~450 mg/m3降至200 mg/m3左右，锅炉结构无变动且未增加投资，方法比较简捷。但是需要锅炉司炉人员随时根据反馈数据作相应风量调整，工作量较大；若要求更低的氮氧化物浓度，仅仅依靠此种技术不能达到。
2.2、SNCR选择性非催化还原法
选择性非催化还原法原理为氨水或者尿素提供还原剂NH3，在高温环境下与烟气中的氮氧化物发生化学反应，生成N2和H2O的过程。其化学反应过程为：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O
影响该反应的因素较多，主要包括温度、NOx浓度，NH3和NOx摩尔比以及反应时间等。
此反应过程在温度为900~1100℃范围才可以进行，对反应温度要求较高，反应温度区间较窄，脱硝效率不能保证；受煤燃烧配风及燃烧条件的影响，生成NOx的量并不是一成不变的，因此喷入的氨水或尿素的量需根据氨逃逸量实时调整；还原剂喷入炉膛后与烟气充分混合且有足够的反应时间才能保证较高的脱硝效率，否则氨逃逸量增加，会影响尾部受热面换热条件。
一般情况下，工业燃煤锅炉喷氨的位置选择在炉膛中部。根据实际情况，可在炉膛宽度范围内的前水冷壁和后水冷壁均匀布置喷枪，适当调整前后拱角度、拱形和覆盖长度，保证炉内均匀的浓度场；较高的炉膛可保证有充足的反应时间，有较高的脱硝效率。
对于层燃炉，炉膛内温度场、浓度场和速度场并不均匀，喷入的氨水浓度无法保证炉膛空间内是均匀的，且不能确定炉内满足反应温度要求的具体位置，若想提高脱硝效率，氨水喷入量增多，氨逃逸量势必会增加，因此此种方法在层燃炉应用还是有一定的弊端。
2.3、SCR选择性催化还原法
选择性催化还原法与选择性非催化还原法基本原理相同，选择性催化还原法利用催化剂将反应温度900~1100℃降低到了320~420℃，喷入氨水或尿素的位置调整到符合该温度区间的位置。一般工业燃煤锅炉可布置在对流管束出口、省煤器入口。
工业燃煤锅炉一般用蜂窝式催化剂，催化剂主要成分为五氧化二钒和二氧化钛。国内外许多学者经过长时间不懈的研究得到了催化剂的活性顺序：CuO~Fe2O3~V2O5>Cr2O3>MoO3~WO3>ZnO~Co3O4~SnO2~TiO2>NiO。学者们发现V2O5是良好的SCR脱硝催化活性物质，将其负载在金属表面可以提高SCR反应的选择性。但V2O5对载体很敏感，当Al2O3和 SiO2作为载体时，V2O5的活性或者选择性较差，但是将V2O5负载于TiO2后， V2O5的活性、选择性和耐硫性均增强。采用负载型催化剂不但可以降低催化剂成本，提高V2O5的分散度，增加V2O5与反应气体的接触机会，而且可以削弱V2O5的SO2氧化活性，技术经济性优，商业价值较高。
一般的工业燃煤锅炉均采用SCR选择性催化还原法，蜂窝状催化剂运用的较多。蜂窝状催化剂表面积大、活性高且催化剂体积小，占用空间小，同时也适用于高粉尘的烟气。
2.4、低氮燃烧、SCR、SNCR联合布置
由于氮氧化物排放标准要求越来越严格，不久后就要求企业实现氮氧化物的超低排放。超低的氮氧化物排放要求高标准的脱硝效率，因此单一种的脱硝方式不能满足此要求，需要多种脱硝方法联合使用。常见的联合布置方式为SCR和SNCR联用，在锅炉炉膛高温区域布置SNCR喷枪，在尾部烟道内布置SCR催化剂，上游消化部分NOx,未反应的NH3和NOx继续在下游进行还原反应，既降低了氨逃逸量，又可以减少下游催化剂的使用量。
无论是SCR还是SNCR，均存在部分氨逃逸现象，未参与反应的NH3会与烟气中的SO3发生化学反应，生成有粘结性的硫酸氢氨，硫酸氢氨捕捉烟气中的飞灰后，会附着在省煤器和空气预热器烟气侧换热面表面，锅炉长时间的运行会加剧粘结灰的附着，不仅会造成受热面的腐蚀，同时会造成受热面的堵塞，引风机电耗增加，影响锅炉长期安全运行。因此建议实际燃用煤种应采用低硫煤种，减少烟气内SO2含量，预防硫酸氢氨的生成；同时适当调整省煤器和空预器结构，预防粘性积灰的生成。
合理采用几种脱硝方式联合布置，不同的脱硝方法会互相间减弱单一脱硝方法的弊端，适用性更强。
3、结束语
根据经验,上述三种脱硝方法中，SCR脱硝效率可达90%，单SCR脱硝方式，氮氧化物排放浓度低于200mg/m3。低氮燃烧和SNCR脱硝效率一般为40%，最高只达65%，因此实际锅炉脱硝方式可根据污染物浓度排放要求，采用多种脱硝方法串联使用，满足排放浓度要求。
参考文献
[1] 栾积毅，高建民，等. 链条炉区段配风强化对NOx排放影响的工业试验研究[J]. 节能技术，2017，35(201)：2-6.
[2] 李春柱等. 维多利亚褐煤科学进展[M]. 北京：化学工业出版社，2009:217-221.
[3] 景晓霞，常丽萍，等. 煤热解气化过程中NOx及其前驱体的形成研究[J]. 煤化工，2004 (5)：49-57.
[4] 谭厚章，廖晓伟，等. 傅里叶红外光谱法对煤中吡咯型氮的热解规律研究[J]. 动力工程，2004，24(1)：121-124.