大力发展燃煤脱硫和脱硝技术是整治环境污染、改善空气质量的重要举措。按照GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》的规定,自2014年7月1日起火力发电锅炉对于氮氧化物(NOx)的排放将全面执行低于100mg/m3的新标准。

研究了大量脱硝技术的特点,指出作为脱硝主流技术的SCR工艺研究将集中在优化工艺流程、研发高性能SCR催化剂、SCR催化剂寿命延长和再生技术;基于不同脱硝机理的不同脱硝工艺的结合或联用是脱硝技术的一个重要发展方向;加大研发联合脱硝和脱硫的工艺;创新脱硝机理、多级或多段复合脱硝工艺以及可再生循环使用的新型脱硝催化剂和吸附剂将成为研究热点。

2014年11月23日,《煤电节能减排升级与改造行动计划》对燃煤机组提出新要求:NOx排放量要小于50mg/m3。目前火电机组NOx排放标准达到50mg/m3以下方可享受超低排放电价补贴。为了实现NOx的超低排放,我国的火电厂现在大多通过锅炉升级改造、低氮燃烧器改造、选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统改造、选择性非催化还原(SNCR)烟气脱硝工艺改造、锅炉配煤掺烧、优化运行调整等手段实现NOx超低排放。

实践证明:“循环流化床(CFB)锅炉+低氮燃烧+SNCR脱硝+掺混低挥发分煤种”、“循环流化床(CFB)锅炉+分级燃烧+SNCR脱硝”和“低氮燃烧+SCR脱硝”等综合脱硝措施均可将燃煤发电机组NOx排放量控制在小于50mg/m3,达到超低排放标准。目前,我国燃煤脱硝技术成本居高不下的重要原因是核心技术和装备没有实现自主知识产权。

笔者介绍了脱硝技术的现状,比较了各种脱硝技术的优点和缺点,特别是研究了大量国内外脱硝专利技术的特点,在此基础上,预测了未来脱硝技术的发展趋势和可能实现的技术突破,并针对某些特殊的技术问题提出见解,以对我国脱硝技术的发展和实现自主知识产权起到抛砖引玉的作用。

1.2脱硝燃烧控制工艺

低氧燃烧是使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行,随着烟气中过量氧的减少,可以抑制NOx的生成,可降低NOx排放15%~20%。张旭等[2]发明了一种基于煤粉低氧燃烧技术的中温低氧含量热风炉,采用了乏气代替空气,实现煤粉的低氧氛围燃烧,分级供给乏气,通过在炉膛烟道区设置混气器将高温烟气与乏气混合,生成中温低氧含量热风,与现有热风炉相比NOx的排放量可降低20%。

空气分级燃烧是将二次风中的部分风(10%~20%)引入炉膛主燃烧区上部,减少主燃区的氧含量。主燃区风量只有原来的80%~90%,燃料在缺氧富燃条件下燃烧,燃烧温度降低,同时生成大量CO等还原物质,将NOx还原,在燃烧装置末端第2次通空气,使第1阶段不完全燃烧产物CO和HC完全燃尽(贫燃料富氧条件)。杨秋东等[3]发明了一种大空间空气分级燃烧锅炉,采取了“设置分风管及设定主风管与分风管间距”的关键技术。

燃料分级燃烧是首先只送入部分燃料,使燃料在富氧条件下燃烧;之后再将剩余燃料送入炉膛,使其在富燃料缺氧环境下燃烧并生成NH3和CO等还原剂,与NO发生还原反应生成N2,由此抑制NOx生成。此方法可实现约50%的NOx减排效率。龚光辉[4]等发明了一种燃料分级燃烧低NOx燃烧器,实现燃料分级和多点分散燃烧。

烟气再循环是将锅炉尾部(或空预器前抽取)部分低温烟气直接送入炉膛或与一次风、二次风混合后送入炉内,降低了燃烧区域的温度和氧浓度,由此降低NOx的生成量。当烟气再燃循环率为15%~20%时,可降低NOx生成量25%左右,电厂烟气再循环率可控制在10%~20%,NOx脱除率小于20%。

王欢等[5]发明了一种带有烟气再循环的特殊循环流化床锅炉,将引风机的出口由烟气再循环管与炉膛底部连通。低NOx燃烧器是根据燃烧过程中降低NOx生成的原理而设计的新型燃烧器。

例如,根据分级燃烧原理设计的分段燃烧器;利用助燃空气的压头、把部分燃烧烟气吸进燃烧器中与空气混合燃烧的自身再循环燃烧器;使一部分燃料作过浓燃烧,另一部分燃料作过淡燃烧,但整体上空气量保持不变,即两部分都在偏离化学当量比下燃烧的浓淡型燃烧器。

1脱硝燃烧控制技术

1.1脱硝燃烧控制原理

燃烧过程中生成NOx的机理通常包括热力型、燃料型和瞬时型3种。热力型NOx生成的决定因素是温度,一般认为温度<1500K时,NOx生成量很小[1]。脱硝燃烧控制技术的原理就是设法建立缺氧富燃料的燃烧区域、设法降低局部高温区温度、使燃烧区氧浓度适当降低等。

在燃烧过程中可通过改变燃烧条件和燃烧器结构以达到上述目的来降低NOx的排放,包括低氧燃烧[2]、空气分级燃烧[3]、燃料分级燃烧[4]、烟气再循环[5]、低NOx燃烧器[6-7]等方法。这些方法可使烟气中NOx降低20%~60%。