燃煤火电厂氮氧化物减排技术研究

南阳中誉发电有限公司 侯小春

1 氮氧化物形成和排放机理

1.1 氮氧化物排放标准和限值

随着人们对环境保护意识的不断提高，各国对氮氧化物排放的限制也越来越严格。燃煤火电厂是氮氧化物排放的主要源头之一，各地区对其氮氧化物排放的标准和限值有所不同[1]。例如，我国大的燃煤火电厂氮氧化物排放标准为GB13223-2011《大气污染物排放标准》，限值为150mg/m3。而欧盟对燃煤火电厂氮氧化物排放的标准为2001/80/EC，限值为200mg/m3。

1.2 氮氧化物生成机理

氮氧化物的生成机理是研究燃煤火电厂氮氧化物减排技术的基础，其氮氧化物生成途径包括：

一是热氧化生成。当煤炭中的有机氮化合物暴露在高温的燃烧气体中时，发生热氧化反应，产生一氧化氮（NO），这是氮氧化物中最主要的生成途径之一。

二是燃料氮化物生成。煤炭中的有机氮化合物在高温条件下分解产生氨气（NH3），然后氨气与燃烧过程中的氧气反应生成一氧化氮（NO），这种机制在燃煤火电厂中也会贡献一定比例的氮氧化物排放[2]。

三是热解和重组反应。高温下，煤炭中的有机氮化合物和氨气可能发生热解和重组反应，生成氨气和一氧化氮。

四是燃料中的无机氮化合物氧化。煤炭中存在的无机氮化合物，如氰化物和铵盐，在燃烧过程中会发生氧化反应，产生一氧化氮和二氧化氮（NO2）。

1.3 氮氧化物排放来源

氮氧化物的排放来源主要包括燃料中的氮和空气中的氮的氧化。燃料中的氮氧化物排放主要来自燃料中的有机氮和无机氮化物，例如氨基酸、蛋白质、尿素和氨等。当燃料在高温和高压条件下进行燃烧时，燃料中的氮和氧会发生反应，产生NO 和其他氮氧化物。此外，空气中的氮和氧也会在高温和高压条件下发生反应，形成NO。煤炭中的无机氮和空气中的氮在高温和高压条件下也会反应，生成NO。因此，燃煤火电厂是氮氧化物的主要排放来源之一。

2 燃煤火电厂氮氧化物减排技术

2.1 氮氧化物排放计算公式

氮氧化物的排放计算包括烟气排放计算和燃料消耗计算。其中，烟气排放计算公式根据燃烧产生的烟气中氮氧化物的含量和排放量进行计算，常见的计算式为：

NOx 排放量=[NOx]×V×α

其中，[NOx]为单位体积烟气中NOx 的浓度，V 为烟气排放速度，α 为排放系数。

而燃料消耗计算公式则是根据燃料的化学计量比和燃烧产生的氮氧化物的摩尔数进行计算，常见的计算式为：

NOx 排放量= 燃料消耗量×NOx 生成率×1000/分子量

其中，NOx 生成率指的是每燃烧1m3燃料所生成的NOx 摩尔数，分子量指的是NOx 分子的相对分子量。

2.2 SNCR 技术

选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）技术是一种常用的燃煤火电厂氮氧化物减排技术，通过在燃烧过程中注入还原剂，使其与燃烧产生的氮氧化物发生反应，从而减少氮氧化物的排放[3]。

2.2.1 特点

SNCR 技术无须使用催化剂，降低了设备成本和维护成本，可在现有燃烧系统中进行改造，方便技术的应用和推广，适用于低温燃烧系统，如燃煤火电厂锅炉的尾部。

2.2.2 原理

还原剂注入。在燃烧过程中，适量的还原剂（如氨水、尿素溶液）通过喷嘴或喷淋装置注入燃烧系统。

反应区域。还原剂在燃烧区域或燃烧产物混合区域与燃烧过程中生成的氮氧化物发生反应。

还原反应。还原剂中的氨在高温下分解为氨气，氨气与氮氧化物反应生成氮气和水。

采用NH3作为还原剂:

4NH3+ 4NO+ O2→4N2+6H2O

4NH3+ 2NO+ 2O2→3N2+6H2O

8NH3+ 6NO2→7N2+12H2O

而采用尿素作为还原剂:

CO（NH2）2→2NH2+ CO

NH2+ NO →N2+ H2O

CO + NO →N2+ CO2

SNCR 技术的效果受到多种因素的影响，包括还原剂的注入位置、注入量、燃烧温度和氧化还原环境等。通过合理调整这些参数，可以实现对氮氧化物的有效减排[4]。然而，SNCR 技术也存在一些限制，如反应效率对燃烧条件敏感、还原剂的选择和储存等方面的问题。因此，在实际应用中需要综合考虑燃烧系统特点和运行条件，进行技术的优化和改进。

2.3 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术是一种通过改变燃料和空气的供给方式，降低燃烧过程中氮氧化物生成的技术。其主要原理是通过优化燃烧过程，使燃料与空气充分混合，控制燃烧温度和氧化还原环境，以减少氮氧化物的生成。

2.3.1 特点

低氮燃烧技术适用于不同类型的燃煤火电厂，包括燃煤锅炉和燃煤发电机组。通过优化燃料供给、燃烧器设计和燃烧控制参数，可以实现较低的氮氧化物排放。低氮燃烧技术相对于其他技术而言，操作简单，投资成本较低。

2.3.2 原理

燃料改进。通过选择低氮燃料或燃料添加剂，减少燃料中的氮含量，从源头上降低氮氧化物的生成。

空气分布优化。通过调整燃烧器结构和供气方式，使燃料与空气充分混合，实现均匀燃烧，减少局部高温区域的形成。

过量空气控制。合理控制燃烧过程中的空气供给量，以确保燃烧反应充分进行，避免过高的燃烧温度和氮氧化物的生成。

燃烧控制技术应用。结合分级燃烧、燃烧温度控制等技术手段，进一步降低氮氧化物排放。

低氮燃烧技术的效果与燃料特性、燃烧器设计和操作控制等因素密切相关。针对不同的燃煤火电厂，需要进行系统的技术改进和优化，以实现最佳的低氮燃烧效果。同时，还需注意燃烧稳定性、设备运行安全和经济性等方面的考虑。

2.4 复合技术

复合技术是指将多种氮氧化物减排技术相结合，通过综合应用不同技术的优势，以达到更高效的氮氧化物减排效果的技术方案。复合技术在燃煤火电厂的氮氧化物控制中得到广泛应用。

2.4.1 特点

复合技术通过综合应用不同的氮氧化物减排技术，可以充分发挥各技术的优势，提高减排效率。

可根据具体情况和要求，选择适合的技术组合，以满足燃煤火电厂的氮氧化物减排目标。

通过优化技术组合和相互协同作用，可以实现更低的氮氧化物排放水平。2.4.2 原理

复合技术通常采用多阶段的技术组合，将不同的氮氧化物减排技术有机结合起来，形成一个系统的氮氧化物控制方案。可以将燃烧控制技术、SCR技术、SNCR 技术、低氮燃烧技术等按照具体情况和需求进行组合，形成技术链条，实现氮氧化物的逐级减排。通过前段技术的处理，如燃烧控制和低氮燃烧技术，可以在燃烧过程中降低氮氧化物生成；而后段技术，如SCR 技术和SNCR 技术，可以进一步将残留的氮氧化物转化为无害物质。

复合技术的应用需要综合考虑技术的适用性、可行性和经济性。在实施复合技术时，需要合理选择技术的顺序和配置，以提高氮氧化物的减排效果。此外，对于复合技术的应用，还需要进行系统的运行监测和调整，以保证技术的稳定性和持续的减排效果。

3 典型技术的分析与评价

案例名称：某燃煤火电厂SCR 技术应用分析

工作原理：SCR 技术通过在烟气中喷入氨气或尿素，利用催化剂的作用，将烟气中的NOx 转化为无害的氮气和水。

催化剂通常采用钒（V2O5）或钨（WO3）等成分，催化剂层通过催化作用促进NOx 和还原剂之间的反应。

适用范围：SCR 技术适用于燃煤火电厂的尾部烟气处理，特别适用于高温燃烧系统。

可以与其他氮氧化物减排技术结合应用，形成复合技术方案，以进一步提高减排效果。

SCR 技术优缺点对比详见表1。

表1 SCR 技术优缺点对比

成本效益：SCR 技术能够显著降低燃煤火电厂的氮氧化物排放，符合环境保护要求，有助于企业获得减排奖励和政府补贴。

技术成本主要包括催化剂购置、设备安装和运行维护等方面，需要进行综合经济评估和成本效益分析。

通过分析该案例，可以得出SCR 技术在燃煤火电厂氮氧化物减排方面的工作原理、适用范围、优缺点以及成本效益方面的结论：SCR 技术在燃煤火电厂氮氧化物减排方面具有较高的减排效率和适应性，通过催化剂的作用将烟气中的NOx 转化为无害物质，工作原理清晰明了。

SCR 技术适用于高温燃烧系统，可与其他减排技术结合应用，形成复合技术方案。

优点包括高效减排、适应性强和稳定性高，但也存在额外还原剂和催化剂维护等方面的成本和管理要求。

在经济效益方面，SCR 技术能够满足环境保护要求，有助于获得减排奖励和政府补贴，但需要进行综合经济评估和成本效益分析。

基于这些结论，燃煤火电厂在考虑氮氧化物减排技术时可以充分考虑SCR 技术的应用。需要根据具体情况评估催化剂和还原剂的成本、设备安装和维护成本以及预期的减排效果。同时，可以综合考虑复合技术方案，将SCR 技术与其他技术相结合，以进一步提高减排效果和经济性。最后，加强技术运行监测和维护，确保SCR 技术的稳定运行和持续减排效果。

4 技术应用前景展望

未来，燃煤火电厂氮氧化物减排技术的应用将面临广泛的潜在应用和挑战。技术将扩展到中小型火电厂和工业锅炉等领域，但需要考虑技术的可行性、成本效益和适应性。挑战方面，烟气中复杂的污染物组分、催化剂的稳定性以及运行条件和负荷变化对技术的影响需要解决。

5 结语

论文系统研究了燃煤火电厂氮氧化物减排技术，总结了其工作原理、适用范围、优缺点和成本效益。通过分析案例和数据，发现SCR 技术是一种有效的减排技术，在实际应用中取得了显著的减排效果。然而，技术的推广和应用仍面临着一些挑战，如适应不同地区法规标准、处理复杂烟气成分以及经济成本的考量。因此，建议加强技术推广、加强技术转化和运行维护，以推动燃煤火电厂氮氧化物减排技术的应用。同时，未来的技术发展应注重提高减排效率、降低成本，并积极应对新的环境挑战，这将为燃煤火电厂的可持续发展和环境保护作出积极贡献。