标准宣贯 | 锅炉氮氧化物减排技术有哪些？
锅炉氮氧化物减排技术
有哪些？
要点
新的锅炉大气污染物排放标准以氮氧化物控制为重点，提升了氮氧化物的排放要求，本市现有燃油、燃气锅炉需要进行低氮改造，改造路径有：
燃烧前：使用优质燃料，减少燃料中的含氮量；（推荐）
燃烧中：使用低氮燃烧技术，控制燃烧温度、氧量与时间，主要方法包括纯氧燃烧，控温技术（空气分级、燃料分级、分散燃烧、烟气内循环、烟气外循环、空冷、水冷等）；（推荐）
燃烧后：在烟气排放后增加处理装置，如尾部烟气脱硝技术（SNCR,SCR），AO干法脱硫脱硝协同技术，生物质藻类捕获技术等。
魏玉剑
“工业燃气锅炉低氮排放技术路线”主题演讲
氮氧化物怎么来？
锅炉是利用燃料化学能或其他能源的热能，把水或其他工质加热到一定参数的热能转换设备。锅炉的分类有很多，根据工质、燃料、出口介质、本体结构、水循环、额定压力、出厂形式等等，在《锅炉大气污染物排放标准》中，以燃料分类：燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉划分。
锅炉的主要污染物包括颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等。其中NOx（氮氧化物）是造成城市中雾霾与臭氧的污染物中最重要的元凶之一，氮氧化物包括NO，NO2，N2O、N2O3，N2O4，N2O5等，但在燃烧过程中生成的氮氧化物，几乎全是NO和NO2。煤炭、天然气、重油等天然矿物燃料在燃烧过程生成的氮氧化物中，NO占90%左右，其余为NO2。
锅炉污染排放中，氮氧化物污染产生的方式有三种：燃料型、热力型和快速型。
燃料型NOx：生物质及煤等燃料本身含有氮元素，而这些氮元素在燃烧的过程中会从燃料中析出，在锅炉内经过一系列的氧化反应，生成NOx。由于天燃气中基本不含固定氮，在燃烧天然气的锅炉中，燃料型NOx可忽略不计。去除燃料型NOx可以采用炉内脱硝，或者尾气脱销方式解决。
热力型NOx：热力型NOx是燃烧时空气中的氮（N2）和氧（O2）在高温下生成氮氧化物。影响热力型NOx的最主要因素是燃烧温度，从氮（N2）和氧（O2）的反应式中可以看出一些端倪：
平衡常数Kp是生成物（NO）与反应物（N2与O2）的浓度（方程式系数幂次方）乘积比,Kp数值越大，则代表在其他条件不变的情况下，NO的生成量越高。当温度低于1000K时（约700摄氏度），Kp值非常小， NO在很低的浓度下，等式就已经达到了平衡，就算增加氮气与氧气的浓度，或者增加空气与燃料的停留时间，NO的增加也非常有限，随温度升高氮氧化物迅速增加，温度在1500℃附近变化时，温度增100℃，反应速度将增6～7倍。
过剩的空气/氧气浓度：氧气浓度越高，NOx的生成量就越大；以及空气与燃料的混合时间：停留时间越长，NOx的生成量就越大。这两点也是热力型NOx产生的影响因素。
快速型NOx：在碳氢化合物燃烧时会分解出大量的CH，CH2，CH3和C2等离子团，它们会破坏燃烧空气中N2分子的键而反应生成HCN，CN等，然后再被氧化成NOx，在三种途径中，快速型NOx所占比例不到5%。
这是一张氮氧化物产生浓度、炉膛温度以及对应产生类型的关系图，燃料型与快速型产生量会随温度逐步增加，受温度影响不大，而热力型NOx在温度超过1400摄氏度左右时，其产生量急剧上升，受温度影响剧烈。
氮氧化物怎么减？
上面介绍了氮氧化物的产生原理，氮氧化物减排，其实也是从产生原理出发，控制氮氧化物产生的条件，例如：改变燃料种类、控制燃烧温度、控制氧含量等，总的来说企业可以通过以下几种方式实现：
燃烧前：使用优质燃料，减少燃料中的含氮量；
燃烧中：使用低氮燃烧技术，控制燃烧温度、氧量与时间，主要方法包括纯氧燃烧，控温技术（空气分级、燃料分级、分散燃烧、烟气内循环、烟气外循环、空冷、水冷等）；
燃烧后：在烟气排放后增加处理装置，如尾部烟气脱硝技术（SNCR,SCR），AO干法脱硫脱硝协同技术，生物质藻类捕获技术等。
低氮燃烧改造技术：
1
分级燃烧+烟气外部再循环（FGR）
从锅炉尾部烟室、烟道引部分烟气回流入燃烧器，与助燃空气掺混，再次参与燃烧，从而降低燃烧过程中的N2与O2浓度，并且烟气中已经产生的NOx会对再燃烧时NOx产生有一定的抑制作用，完成改造后，在CO达标，氧气浓度约为3.5%时，最终达到NOx排放30～50mg/Nm3。但此类安装需假装外循环烟道，燃烧器也需要考虑耐温。
2
分级燃烧+烟气内部再循环（FIR）
燃烧器喷口混合燃料气射流形成的文丘里现象，使燃烧头部出现负压区，从而直接吸入炉膛内烟气，形成炉膛内部烟气再循环，吸入烟气同时也吸入部分助燃空气，在燃烧器喷口前部与燃料部分预混合，部分预混合保证了燃烧不会出现回火。虽然采用的是部分预混合以及烟气循环量控制精度不如烟气外部循环，但采用两种技术的结合，确保了燃烧的低氮排放要求。这种技术对炉膛尺寸要求较高，改造项目中一般不适用。
3
表面燃烧
由燃烧器实现燃料在燃烧反应之前，与助燃空气进行预混合，燃料喷出后，在燃烧头前部表面燃烧盘上快速燃烧，可以加快O2与燃料的燃烧反应速度，从而降低高温时NOx的生成量，同时遏制O与N的反应。
表面燃烧有以下几个缺点：气体燃料与助燃气体预混，危险性较高；为防止回火和降低调整混合率难度，燃烧器需附加其他技措设计，从而对燃烧器使用寿命有所影响；表面燃烧网有一定的使用寿命，需要较多的运行维护（过滤器清洗，金属纤维网检查维护）维护费用会增加。
末端治理（烟气脱硝技术）
1
选择性催化还原法（SCR )：在高温烟气(300-425°C, 低温催化200°C以上)通过催化剂时喷入氨，将烟气中的NOx还原为N2
2
非选择性催化还原法（SNCR）:在高温烟气（870~1100°C）中喷入氨水或尿素液。
燃气锅炉排放烟气温度一般在150至250°C，不能满足SCR和SNCR对烟气温度的要求，需增加热源使热烟气升温后才可使用，使得投入和运行成本都比较高。
3
重金属催化还原法：需要在一定温度要求（大于250°C）的烟道内安装，但工业和采暖锅炉负荷波动大，温度不稳定影响脱硝效果。
4
臭氧氧化-吸收脱硝法：使用臭氧将NO和NO2氧化为极易溶的N2O5，通过湿式洗涤转化为HNO3。由于对温度没有要求，易于控制，处理后排放烟气干净，是工业或采暖锅炉最为适合。
对于上海燃油燃气锅炉的推荐治理方法有：
中小燃油锅炉升级改造，鼓励实施“油改气”,“油改电” ，没有条件的实施低氮燃烧改造；
中小燃气锅炉实施低氮燃烧改造；
企业在改造中要充分考虑效率影响、容量影响、油改气或油改电的综合解决方案、合同能源管理模式、融资问题、燃气公司及电力公司配合问题与相关政策，结合自身的实际情况对各种技术进行优劣判断，在改造的过程中一定要选择合适的，并不是价格高的就普遍适用，贯彻“一炉一方案”的理念，完成锅炉改造。
文中部分图片与文字摘自《锅炉大气污染物排放标准》贯标会议中：
魏玉剑 市能效中心 “工业燃气锅炉低氮排放技术路线”演讲ppt
林欣 市工业锅炉研究所 “锅炉低氮改造工程应用技术问题及运行安全风险”演讲ppt
编辑：李凯骐
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