生物质锅炉脱硝技术及工程应用

化石能源的日益枯竭及其在使用过程中所带来的环境污染问题，使得大规模开发利用可再生能源显得尤为紧迫。生物质能源作为唯一可大规

化石能源的日益枯竭及其在使用过程中所带来的环境污染问题，使得大规模开发利用可再生能源显得尤为紧迫。生物质能源作为唯一可大规模存储、运输的可再生能源，在未来的能源互联网中起着供能和调峰的双重作用。我国生物质资源丰富，用于供热、发电等方面的生物质锅炉己具有很大规模，而且容量较小、形式多样。但由于生物

质中所含氮元素相对较高，在燃烧过程中燃料氮会转化为氮氧化物（NOx）造成雾霾、酸雨等严重的环境污染。

生物质中氮的赋存状态复杂，人们对其燃烧生成NOx的机理还不清楚，因此难以控制NOx排放。目前，生物质锅炉主要通过烟气脱硝的方式减少NOx排放。原有燃煤锅炉的脱硝技术不适用于生物质锅炉，因此开展适合我国生物质锅炉的烟气脱硝技术显得极其迫切。

1、生物质燃料NOx生成机理

燃烧过程中产生的NOx有热力型、快速型和燃料型3种。生物质锅炉燃烧温度一般低于1 000℃，燃料型NOx是生物质锅炉燃烧过程中NOx的主要来源。

煤中氮主要以吡啶氮（N-6）、吡咯氮（N-5）、季氮（O-N）形式存在，而生物质中氮主要以蛋白质、游离的氨基酸形式存在，另外还有少量的核酸、叶绿素、生物碱等形式。在生物质燃料燃烧过程中，燃料氮的转化可分为蛋白质等大分子热解生成NOx前驱物和前驱物燃烧生成NOx 2个阶段。生物质燃料中氮向NOx转化路径如图1所示。

图l生物质燃料中氮向NQ转化路径

由图1可见，生物质燃料燃烧过程分为热解和燃烧2个阶段。热解阶段：蛋白质无规则断裂成大分子片段，然后再断裂成小分子挥发性气体，其中环二肽是蛋白质主要的初级热解产物，其进一步热解生成HCN、NH3、HNCO等NOx 前驱物；燃烧阶段：前驱物在空气中燃烧生成NOx 。有学者认为，NH3是NO的前驱物，HCN和HNCO是N20的前驱物，而且NH3、HCN、HNCO和NO、N20、N2之间可以相互转化。

燃料的含氮量是影响生物质燃烧时NOx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。燃烧温度和过量空气系数也是影响NOx生成量的关键。随着温度的升高，生物质燃料燃烧时NOx生成量略微增大，但如果有脱硝反应进行，脱硝效率将会提高，所以总NOx排放量会下降，但不同生物质表现也不尽相同。

大部分NOx是在燃烧阶段生成的，燃烧阶段氧化还原气氛对氮的转化有较大影响。在还原性气氛下，大部分燃料氮转化成了N2，但也增加了CO的生成量。

目前，尚未开发出可实现燃料氮在燃烧过程中定向转化为N2无害气体的技术，但可以根据NOx的转化机理及影响因素，调节锅炉运行，减少NOx的产生量，提高脱硝效率。

2生物质锅炉脱硝关键技术

2.1脱硝方案

目前，在锅炉中最常用的脱硝技术主要有选择性非催化还原（SNCR）技术和选择性催化还原（SCR）技术2种。尽管SCR脱硝效率高，但系统结构复杂，运行成本高，受生物质锅炉造价成本的限制，不宜使用SCR脱硝系统。SNCR脱硝系统结构简单，投资和运行成本低，尽管脱硝效率较低，但生物质锅炉NQ排放质量浓度一般低于450 mg／m3，所以SNCR脱硝技术是生物质锅炉控制NOx排放的首选。

2.2脱硝还原剂

SNCR脱硝技术常用的还原剂有氨水和尿素2种。根据工程经验，氨水的脱硝效率可达70％- 80％，而尿素的脱硝效率一般在50％-60％。还原剂的选择还需根据获取的方便性、锅炉NOx排放质量浓度以及锅炉的燃烧温度决定。燃烧温度低于800℃时，应尽量选择氨水做还原剂。一般选用质量分数20％的氨水溶液，喷射前与去离子水混合成质量分数为10％的溶液。还原剂选用尿素时，可选择直接配制成质量分数为10％的溶液。

2.3还原剂喷射位置

还原剂喷射位置是影响锅炉SNCR脱硝效率的关键。还原剂喷射位置的选择主要根据温度场和烟气与还原剂混合均匀性，另外还要兼顾喷枪安装维修的方便性。

目前，生物质锅炉常见有炉排燃烧锅炉、流化床锅炉和循环流化床锅炉。炉排锅炉一般选择在炉膛的中上部喷射还原剂，这里温度场适合，氧浓度较低。流化床锅炉没有旋风分离器，其还原剂喷射位置只能选在炉膛过热器下部。循环流化床锅炉还原剂喷射点一般布置在旋风分离器入口位置。旋风分离器内温度一般在800--1000℃，温度场均匀，且入口截面积小，易于烟气与还原剂充分混合。

2.4还原剂喷射方式

工程上常用的喷枪形式有墙式喷枪和伸入式喷枪，其中墙式喷枪有普通双流体雾化喷枪、二次破碎高雾化喷枪和双雾化喷枪等。循环流化床锅炉一般选择气体雾化或双雾化墙式喷枪即可，喷射出的还原剂液滴有一定的穿透力。炉排锅炉炉膛较小，烟气出炉膛后温度下降很快，所以选择雾化颗粒更细的二次破碎高雾化喷枪。流化床锅炉炉膛截面积较大，普通的墙式喷枪不易穿透，而应选择射程更远的墙式喷枪。生物质锅炉一般不选择伸入式喷枪，这是因为生物质中含有碱金属较多，灰熔点较低，炉膛中下部很容易结焦，易造成喷枪不能拔出和损坏。

综述：生物质锅炉在燃烧过程中生成的NOx主要是燃料型NOx。影响生物质燃料转化的主要因素包括生物质的种类、燃烧温度、过量空气系数等。

生物质锅炉多样，SNCR脱硝系统是当前比较适合生物质锅炉NOx脱除的烟气净化技术。具体应用时需根据锅炉的具体结构形式选择合适的还原剂、还原剂喷射点及喷射方式等。

由于影响生物质锅炉NOx排放的因素较多，变化速度也较快，目前的SNCR脱硝技术还不能稳定的把NOx排放质量浓度控制在一个较窄的范围内，甚至有时会超标排放，因此必须结合锅炉运行调整，才能实现NOx的达标排放。