周建強，高攀，董長青，楊勇平

（華北電力大學(xué)生物質(zhì)發(fā)電成套設(shè)備國家工程實驗室，北京102206）

　　摘要：生物質(zhì)是未來不可或缺的可再生能源，但由于其氮元素含量相對較高，在燃燒過程中會生成大量的氮氧化物，造成環(huán)境污染。通過分析生物質(zhì)氮氧化物產(chǎn)生的機理和工程實踐發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)在鍋爐燃燒時，其氮氧化物的生成及脫除過程受燃料類型、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)影響較大；選擇性非催化還原法是適合生物質(zhì)鍋爐的一種脫硝的技術(shù)，還原劑的類型、噴射點及噴射方式是影響脫硝效率的關(guān)鍵；控制好脫硝技術(shù)的關(guān)鍵點，選擇性非催化還原法在生物質(zhì)鍋爐脫硝中就可以獲得較高的效率，但要達到穩(wěn)定的脫硝效率，還需要鍋爐具備良好的運行控制。

　　化石能源的日益枯竭及其在使用過程中所帶來的環(huán)境污染問題，使得大規(guī)模開發(fā)利用可再生能源顯得尤為緊迫。生物質(zhì)能源作為唯一可大規(guī)模存儲、運輸?shù)目稍偕茉矗谖磥淼哪茉椿ヂ?lián)網(wǎng)中起著供能和調(diào)峰的雙重作用^[1-4]。我國生物質(zhì)資源豐富，用于供熱、發(fā)電等方面的生物質(zhì)鍋爐已具有很大規(guī)模^[1]，而且容量較小、形式多樣。但由于生物質(zhì)中所含氮元素相對較高，在燃燒過程中燃料氮會轉(zhuǎn)化為氮氧化物（NO_x）造成霧霾、酸雨等嚴重的環(huán)境污染^[5-6]。

　　生物質(zhì)中氮的賦存狀態(tài)復(fù)雜，人們對其燃燒生成NO_x的機理還不清楚，因此難以控制NO_x排放。目前，生物質(zhì)鍋爐主要通過煙氣脫硝的方式減少NO_x排放。原有燃煤鍋爐的脫硝技術(shù)不適用于生物質(zhì)鍋爐，因此開展適合我國生物質(zhì)鍋爐的煙氣脫硝技術(shù)顯得極其迫切。

　　1生物質(zhì)燃料NO_x生成機理

　　燃燒過程中產(chǎn)生的NO_x有熱力型、快速型和燃料型3種^[7]。生物質(zhì)鍋爐燃燒溫度一般低于1000℃，燃料型NO_x是生物質(zhì)鍋爐燃燒過程中NO_x的主要來源。

　　煤中氮主要以吡啶氮（N-6）、吡咯氮（N-5）、季氮（Q-N）形式存在，而生物質(zhì)中氮主要以蛋白質(zhì)、游離的氨基酸形式存在，另外還有少量的核酸、葉綠素、生物堿等形式。在生物質(zhì)燃料燃燒過程中，燃料氮的轉(zhuǎn)化可分為蛋白質(zhì)等大分子熱解生成NO_x前驅(qū)物和前驅(qū)物燃燒生成NO_x2個階段^[8-10]。生物質(zhì)燃料中氮向NO_x轉(zhuǎn)化路徑如圖1所示。

　　由圖1可見，生物質(zhì)燃料燃燒過程分為熱解和燃燒2個階段。熱解階段蛋白質(zhì)無規(guī)則斷裂成大分子片段，然后再斷裂成小分子揮發(fā)性氣體，其中環(huán)二肽是蛋白質(zhì)主要的初級熱解產(chǎn)物，其進一步熱解生成HCN、NH₃、HNCO等NO_x前驅(qū)物；燃燒階段前驅(qū)物在空氣中燃燒生成NO_x。有學(xué)者認為^[9]，NH₃是NO的前驅(qū)物，HCN和HNCO是N₂O的前驅(qū)物，而且NH₃、HCN、HNCO和NO、N₂O、N₂之間可以相互轉(zhuǎn)化。

　　燃料的含氮量是影響生物質(zhì)燃燒時NO_x生成量的主要因素，含氮量越高，其生成量越高，排放量也越高。燃燒溫度^[7]和過量空氣系數(shù)[11]也是影響NO_x生成量的關(guān)鍵。隨著溫度的升高，生物質(zhì)燃料燃燒時NO_x生成量略微增大，但如果有脫硝反應(yīng)進行，脫硝效率將會提高，所以總NO_x排放量會下降，但不同生物質(zhì)表現(xiàn)也不盡相同。

　　大部分NO_x是在燃燒階段生成的，燃燒階段氧化還原氣氛對氮的轉(zhuǎn)化有較大影響。在還原性氣氛下，大部分燃料氮轉(zhuǎn)化成了N₂，但也增加了CO的生成量。

　　目前，尚未開發(fā)出可實現(xiàn)燃料氮在燃燒過程中定向轉(zhuǎn)化為N₂無害氣體的技術(shù)，但可以根據(jù)NO_x的轉(zhuǎn)化機理及影響因素，調(diào)節(jié)鍋爐運行，減少NO_x的產(chǎn)生量，提高脫硝效率。

　　2生物質(zhì)鍋爐脫硝關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1脫硝方案

　　目前，在鍋爐中最常用的脫硝技術(shù)主要有選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)和選擇性催化還原（SCR）技術(shù)2種。盡管SCR脫硝效率高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行成本高，受生物質(zhì)鍋爐造價成本的限制，不宜使用SCR脫硝系統(tǒng)。SNCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資和運行成本低，盡管脫硝效率較低，但生物質(zhì)鍋爐NO_x排放質(zhì)量濃度一般低于450mg/m³，所以SNCR脫硝技術(shù)是生物質(zhì)鍋爐控制NO_x排放的首選[12]。

　　2.2脫硝還原劑

　　SNCR脫硝技術(shù)常用的還原劑有氨水和尿素2種。根據(jù)工程經(jīng)驗，氨水的脫硝效率可達70%~80%，而尿素的脫硝效率一般在50%~60%。還原劑的選擇還需根據(jù)獲取的方便性、鍋爐NO_x排放質(zhì)量濃度以及鍋爐的燃燒溫度決定。燃燒溫度低于800℃時，應(yīng)盡量選擇氨水做還原劑。一般選用質(zhì)量分數(shù)20%的氨水溶液，噴射前與去離子水混合成質(zhì)量分數(shù)為10%的溶液。還原劑選用尿素時，可選擇直接配制成質(zhì)量分數(shù)為10%的溶液^[13]。

　　2.3還原劑噴射位置

　　還原劑噴射位置是影響鍋爐SNCR脫硝效率的關(guān)鍵。還原劑噴射位置的選擇主要根據(jù)溫度場和煙氣與還原劑混合均勻性，另外還要兼顧噴***安裝維修的方便性。

　　目前，生物質(zhì)鍋爐常見有爐排燃燒鍋爐、流化床鍋爐和循環(huán)流化床鍋爐。爐排鍋爐一般選擇在爐膛的中上部噴射還原劑，這里溫度場適合，氧濃度較低。流化床鍋爐沒有旋風分離器，其還原劑噴射位置只能選在爐膛過熱器下部。循環(huán)流化床鍋爐還原劑噴射點一般布置在旋風分離器入口位置。旋風分離器內(nèi)溫度一般在800~1000℃，溫度場均勻，且入口截面積小，易于煙氣與還原劑充分混合。

　　2.4還原劑噴射方式

　　工程上常用的噴***形式有墻式噴***和伸入式噴***，其中墻式噴***有氣體霧化噴***、高壓細水霧噴***^[14]和雙霧化噴***^[13]等。循環(huán)流化床鍋爐一般選擇氣體霧化或雙霧化墻式噴***即可，噴射出的還原劑液滴有一定的穿透力。爐排鍋爐爐膛較小，煙氣出爐膛后溫度下降很快，所以選擇霧化顆粒更細的高壓細水霧噴***。流化床鍋爐爐膛截面積較大，普通的墻式噴***不易穿透，而應(yīng)選擇射程更遠的墻式噴***。生物質(zhì)鍋爐一般不選擇伸入式噴***，這是因為生物質(zhì)中含有堿金屬較多，灰熔點較低，爐膛中下部很容易結(jié)焦，易造成噴***不能拔出和損壞。

　　3應(yīng)用實例

　　3.1鍋爐及脫硝系統(tǒng)基本參數(shù)

　　利用上述SNCR技術(shù)，分別在河北、山東3個電廠3種不同型號共6臺鍋爐上進行了實際運行。3個電廠的鍋爐及SNCR脫硝主要參數(shù)見表1。

　　3.2 SNCR脫硝效率測試

　　3.3正常運行工況脫硝效率測試

　　生物質(zhì)鍋爐日常運行期間，燃料成分變化較大，鍋爐負荷也有較大波動。為了檢驗脫硝系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，本文對案例1中振動爐排鍋爐及其SNCR脫硝系統(tǒng)進行了連續(xù)24h跟蹤測試。

　　NO_x測點安裝在除塵器前的煙道上，采用非分光紅外NDIR氣體分析CEMS設(shè)備進行測量。爐膛溫度采用K型熱電偶測量，爐膛出口氧含量采用氧化鋯氧量計測量。

　　在SNCR脫硝系統(tǒng)處于自動運行狀態(tài)，進行鍋爐正常運行負荷測試。鍋爐正常運行時，負荷變動比穩(wěn)態(tài)測試時大，受燃料的變動影響也較大。圖3為鍋爐出力和爐膛出口氧含量的變化。由圖3可見，鍋爐出力與爐膛出口氧含量的變化趨勢相反，鍋爐出力變大，氧含量下降，鍋爐出力變小，氧含量增大。這是除機組負荷變動外，更多是由于燃料進料不均勻和燃料性質(zhì)不穩(wěn)定造成的。當燃料進量減少，且進風量沒有隨著燃料量改變，導(dǎo)致空氣量過剩。

　　圖4為NO_x排放質(zhì)量濃度隨爐膛溫度的變化情況。由圖4可見，隨著爐膛溫度的升高，NO_x排放質(zhì)量濃度減少。這主要有兩方面原因：一是生物質(zhì)鍋爐的NO_x主要來源于燃料氮，爐膛溫度升高不會增加NO_x排放量，反而有利于脫硝反應(yīng)的進行，所以NO_x排放質(zhì)量濃度減少；另外，爐膛溫度升高，減少了爐膛內(nèi)的氧含量，還原性氣氛增加，不利于NO_x生成，而有利于NO_x脫除。

　　圖5表示爐膛出口氧含量與NO_x排放質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖5可見，氧含量是影響生物質(zhì)鍋爐中NO_x生成和脫除的重要影響因素。

　　SNCR脫硝系統(tǒng)還原劑流量根據(jù)尾部煙道所測NO_x排放質(zhì)量濃度設(shè)定，其控制是一個負反饋系統(tǒng)。由于生物質(zhì)鍋爐中NO_x生成量的影響因素較多，變化劇烈，還原劑流量變化比較滯后，因此單依靠脫硝系統(tǒng)控制NO_x減排比較困難，還需要在鍋爐運行時對燃燒過程進行控制。NO_x排放質(zhì)量濃度與還原劑流量的關(guān)系如圖6所示。

　　4結(jié)論

　　1）生物質(zhì)鍋爐在燃燒過程中生成的NO_x主要是燃料型NO_x。影響生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化的主要因素包括生物質(zhì)的種類、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)等。

　　2）生物質(zhì)鍋爐多樣，SNCR脫硝系統(tǒng)是當前比較適合生物質(zhì)鍋爐NO_x脫除的煙氣凈化技術(shù)。具體應(yīng)用時需根據(jù)鍋爐的具體結(jié)構(gòu)形式選擇合適的還原劑、還原劑噴射點及噴射方式等。

　　3）由于影響生物質(zhì)鍋爐NO_x排放的因素較多，變化速度也較快，目前的SNCR脫硝技術(shù)還不能把NO_x排放質(zhì)量濃度控制在一個較窄的范圍內(nèi)，甚至有時會超標排放，因此必須結(jié)合鍋爐運行調(diào)整，才能實現(xiàn)NO_x減排。