1. 概述
氮氧化物(nox)是造成大氣汙染的主要汙染源之一。通常所說的nox有多種不同形式：n2o、no、no2、n2o3、n2o4和 n2o5，其中no和no2是重要的大氣汙染物，另外還有少量n2o。
我國氮氧化物的排放量中70％來自於煤炭的直接燃燒，電力工業又是我國的燃煤大戶，因此火力發電廠是nox排放的主要**之一。
在煤的燃燒過程中，nox的生成量和排放量與燃燒方式，特別是燃燒溫度和過量空氣係數等密切相關。燃燒形成的nox可分為燃料型、熱力型和快速型3種。其中快速型nox生成量很少,可以忽略不計。
(1)熱力型nox，指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成nox。當爐膛溫度在1350℃以上時，空氣中的氮氣在高溫下被氧化生成nox ,當溫度足夠高時,熱力型nox 可達20 %。過量空氣係數和煙氣停留時間對熱力型nox 的生成有很大影響。
(2) 燃料型nox，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成nox。其生成量主要取決於空氣燃料的混合比。燃料型nox約佔nox總生成量的75%～90%。
過量空氣係數越高, nox的生成和轉化率也越高。
(3)快速型nox，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如ch等反應生成nox。主要是指燃料中碳氫化合物在燃料濃度較高的區域燃燒時所產生的烴,與燃燒空氣中的n2 發生反應，形成的cn和hcn繼續氧化而生成的nox。在燃煤鍋爐中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氫燃料時才予以考慮。
在這三種形式中，快速型nox所佔比例不到5％；在溫度低於1300℃時，幾乎沒有熱力型nox。對常規燃煤鍋爐而言，nox主要通過燃料型生成途徑而產生。
控制nox排放的技術可分為一次措施和二次措施兩類：
一次措施是通過各種技術手段降低燃燒過程中的nox生成量；
二次措施是將已經生成的nox通過技術手段從煙氣中脫除。
降低nox排放主要有兩種措施。
一是控制燃燒過程中nox的生成，即低nox燃燒技術；
二是對生成的nox進行處理，即煙氣脫硝技術。
為了控制燃燒過程中nox的生成量所採取的措施原則為：
(1)降低過量空氣係數和氧氣濃度，使煤粉在缺氧條件下燃燒；
(2)降低燃燒溫度，防止產生區域性高溫區；
(3)縮短煙氣在高溫區的停留時間等；
低nox燃燒技術主要包括如下方法；
1、空氣分級燃燒
燃燒區的氧濃度對各種型別的nox生成都有很大影響。當過量空氣係數α<1，燃燒區處於「貧氧燃燒」狀態時，對於抑制在該區中nox的生成量有明顯效果。根據這一原理，把供給燃燒區的空氣量減少到全部燃燒所需用空氣量的70％左右，從而即降低了燃燒區的氧濃度也降低了燃燒區的溫度水平。
因此，第一級燃燒區的主要作用就是抑制nox的生成並將燃燒過程推遲。燃燒所需的其餘空氣則通過燃燒器上面的燃盡風噴口送入爐膛與第一級所產生的煙氣混合，完成整個燃燒過程。
爐內空氣分級燃燒分軸向空氣分級燃燒(ofa方式)和徑向空氣分級。軸向空氣分級將燃燒所需的空氣分兩部分送入爐膛：一部分為主二次風，約佔總二次風量的70～85％，另一部分為燃盡風(ofa)，約佔總二次風量的15～30％。
爐內的燃燒分為三個區域，熱解區、貧氧區和富氧區。徑向空氣分級燃燒是在與煙氣流垂直的爐膛截面上組織分級燃燒。它是通過將二次風射流部分偏向爐牆來實現的。
空氣分級燃燒存在的問題是二段空氣量過大，會使不完全燃燒損失增大；煤粉爐由於還原性氣氛易結渣、腐蝕。
圖1、空氣分級燃燒示意圖
2、燃料分級燃燒
在主燃燒器形成的初始燃燒區的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區，nox進入本區將被還原成n2。為了保證再燃區不完全燃燒產物的燃盡，在再燃區的上面還需布置燃盡風噴口。改變再燃燒區的燃料與空氣之比是控制nox排放量的關鍵因素。
在再燃燒系統中，分段供給的燃料和燃燒用空氣在爐內形成三個不同的燃燒段，分別在貧燃料、富燃料和貧燃料狀態下執行。在一次或「主」燃燒段，主要燃料—煤粉在過量的空氣中燃燒，由燃料中和燃燒用空氣中的氮形成nox。二次燃料，又稱為再燃燃料，通常是天然氣或煤粉(油或任何其他的碳氫化合物燃料也都可以使用)，在主燃燒段上方噴入，形成富燃料的「再燃」段。
從這一區段的再燃燃料中釋放出來的烴基與主燃燒段中形成的nox反應，nox被還原成分子氮。最後，在再燃段上方噴入剩餘的燃燒用空氣，形成貧燃料的「燃盡」區，從而完成了燃燒全過程。通常再燃燃料的熱量佔總輸入熱量的10%-30%。
再燃技術可以減少高達70%的nox。圖2顯示了再燃過程中三個不同的燃燒段。存在問題是為了減少不完全燃燒損失，需加空氣對再燃區煙氣進行**燃燒，配風系統比較複雜。
圖2、燃料分級燃燒示意圖
3、煙氣再迴圈
該技術是把空氣預熱器前抽取的溫度較低的煙氣與燃燒用的空氣混合，通過燃燒器送入爐內從而降低燃燒溫度和氧的濃度，達到降低nox生成量的目的。存在的問題是由於受燃燒穩定性的限制，一般再迴圈煙氣率為15％～20％，投資和執行費較大，占地面積大。
由於爐內低氮燃燒技術的侷限性, 對於燃煤鍋爐,採用改進燃燒技術可以達到一定的除nox 效果,但脫除率一般不超過60%。使得nox 的排放不能達到令人滿意的程度,為了進一步降低nox 的排放，必須對燃燒後的煙氣進行脫硝處理目前通行的煙氣脫硝工藝大致可分為乾法、半乾法和濕法3 類。其中乾法包括選擇性非催化還原法(sncr) 、選擇性催化還原法(scr) 、電子束聯合脫硫脫硝法;半乾法有活性炭聯合脫硫脫硝法;濕法有臭氧氧化吸收法等。
就目前而言，乾法脫硝佔主流地位。其原因是：nox與so2相比，缺乏化學活性，難以被水溶液吸收；nox 經還原後成為無毒的n2和o2，脫硝的副產品便於處理；nh3對煙氣中的no可選擇性吸收，是良好的還原劑。
濕法與乾法相比，主要缺點是裝置複雜且龐大；排水要處理，內襯材料腐蝕，副產品處理較難，電耗大(特別是臭氧法)。
煙氣脫硝技術有氣相反應法(如scr法)、電子束法、液體吸收法、吸附法、液膜法、微生物法等幾類。
爐膛噴射法實質是向爐膛噴射還原性物質，可在一定溫度條件下還原已生成的nox，從而降低nox的排放量。包括噴水法、二次燃燒法(噴二次燃料即前述燃料分級燃燒)、噴氨法等。
噴氨法亦稱選擇性非催化還原法(sncr)，是在無催化劑存在條件下向爐內噴入還原劑氨或尿素，將nox還原為n2和h2o。它建設周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合於對中小型電廠鍋爐的改造。還原劑噴入鍋爐折焰角上方水平煙道(900～1000℃)，在nh3/nox摩爾比2～3情況下，脫硝效率30％～50％。
在950℃左右溫度範圍內，反應式為：
4nh3+4no＋o2→4n2+6h2o
當溫度過高時，會發生如下的副反應，又會生成no：
4nh3+5o2→4no+6h2o
當溫度過低時，又會減慢反應速度，所以溫度的控制是至關重要的。該工藝不需催化劑，但脫硝效率低，高溫噴射對鍋爐受熱面安全有一定影響。存在的問題是由於溫度隨鍋爐負荷和執行週期而變化及鍋爐中nox濃度的不規則性，使該工藝應用時變得較複雜。
在同等脫硝率的情況下，該工藝的nh3耗量要高於scr工藝，從而使nh3的逃逸量增加。因此影響sncr系統效能設計和執行的主要因素是:
(1)反應溫度範圍；
(2)最佳溫度區的滯留時間；
(3)噴入的反應劑與煙氣混合程度；
(4)處理前煙氣中nox濃度；
(5)噴入的反應劑與nox的摩爾比；
(6) 氨的逃逸量。
下圖所示為以尿素為還原劑的sncr工藝流程，該流程由4部分組成:
(1)反應劑的接收和儲存;
(2)反應劑的計量稀釋和混勻;
(3)稀釋的反應劑噴入鍋爐合適的部分;
(4)反應劑與煙氣的混合"
圖4、sncr工藝流程
在還原劑的接收和儲存系統中，尿素一般採用50%的水溶液,可直接噴入爐膛。由於尿素的冰點僅為17.8e℃。
因此，較冷的季節應對尿素溶液進行加熱和迴圈。尿素可採用固體顆粒運輸，但在廠內必須設定溶解裝置。與氨系統相比，尿素系統有以下優點:
尿素是一種無毒、低揮發的液體，在運輸和儲存方面比氨更加安全；此外，尿素溶液噴入爐膛後在煙氣中擴散較遠，可改善大型鍋爐中吸收劑和煙氣的混合效果。由於尿素的安全性和良好的擴散效能，採用尿素的sncr系統多在大型鍋爐上應用。
sncr系統中，還原劑與煙氣的混合採用噴射器。噴射器有牆式和槍式2種型別。牆式噴射器在特定部位插入鍋爐內牆，一般每個噴射部位設定1個噴嘴。
牆式噴嘴一般應用於短程噴射就能使反應劑與煙氣達到均勻混合的小型鍋爐和尿素sncr系統。由於牆式噴嘴不直接暴露於高溫煙氣中，其使用壽命要比噴槍式長。槍式噴射器由1根細管和噴嘴組成，可將其從爐牆深入到煙流中。
噴槍一般應用於煙氣與反應劑難於混合的氨噴sncr系統和大容量鍋爐。在某些設計中噴槍可延伸到鍋爐整個斷面。噴槍可按單個噴嘴或多個噴嘴設計。
後者的設計較為複雜,因此,要比單個噴嘴的噴槍和牆式噴嘴**貴些。因噴射器忍受著高溫和煙氣的衝擊。易遭受侵蝕、腐蝕和結構破壞，因此，噴射器一般用不鏽鋼製造，且設計成可更換。
除此以外，噴射器常用空氣、蒸汽和水進行冷卻。為使噴射器最少地暴露於高溫煙氣中,噴槍式噴射器和一些牆式噴嘴也可設計成可伸縮的。當遇到鍋爐啟動、停運、季節性執行或一些其他原因sncr需停運時,可將噴射器退出執行。
用氨基作反應劑的噴射系統一般比尿素系統複雜和昂貴些,原因是這種系統噴射的是氣相氨而不是液氨溶液"為此,氨基噴射系統常配備多個噴嘴的高能噴槍系統"在鍋爐通道的寬度和高度內按網格形式布置噴槍"
2、電子束法：是用高能電子束(0.8～1mev)輻射含nox和so2的煙氣，產生的自由基氧化生成硫酸和硝酸，再與nh3發生中和反應生成氨的硫酸及硝酸鹽類，從而達到淨化煙氣的目的。
3、液體吸收法：由於煙氣中的nox90%以上是no，而no難溶於水，因此對nox的濕法處理不能用簡單的洗滌法。濕法脫硝的原理是用氧化劑將no氧化成no2，生成的no2再用水或鹼性溶液吸收，從而實現脫硝。
4、吸附法：最主要的方法為活性炭方法。
在眾多煙氣處理技術中，液體吸收法的脫硝效率低，淨化效果差；吸附法雖然脫硝效率高，但吸附量小，裝置過於龐大，再生頻繁，應用也不廣泛；
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