淺談我國煤的燃燒和氮氧化物的控制技術

摘要通過分析我國煤的燃燒現狀和氮氧化物的危害，針對煤燃燒過程中NOx的形成途徑，探討目前較常用的幾種控制NOx污染的技術措施和存在的問題，最后指出，我國應當進一步開發和研究煙氣脫氮技術。

關鍵詞NOx 排放控制 低氮燃燒

中圖分類號:X7文獻標識碼:A

1 我國煤的燃燒現狀

我國是世界上最大的煤炭生產和消費國，也是世界上為數不多的以煤炭為主要一次能源的國家之一。煤炭在我國能源消費結構中的比例一直很高，1959年是94.7%，1976年為最低點69.9%，自20世紀90年代以來，一直在75%~76%之間。當前，煤炭為我國提供了70%以上的發電燃料，60%的化工原料和80%的民用燃料。根據預測，到2015年，煤炭還要占62.6%，即使到了2050年，煤炭仍占50%以上。因此，在相當長的一個時期內，我國以煤為主的能源消費結構將難以改變。但是，煤炭的利用效率不高和由燃燒造成的環境污染一直是制約我國可持續發展的最重要的因素之一。

2 氮氧化物的危害

大氣中的NOx幾乎有一半以上是由于人為污染源所產生的。NOx以燃料燃燒過程中所產生的數量最多，約占30%以上，其中70%來自于煤炭直接燃燒。

氮氧化物NOx是大氣污染的重要組成成分，其環境危害主要表現在以下幾方面:

(1)破壞臭氧層。破壞臭氧層，從而改變紫外線到達地面的強度;臭氧層的變化還會引起氣候的變化，對生態系統造成損害，農作物減產。

(2)產生酸雨。空氣中的氮氧化物NOx還是產生酸雨的重要來源，它使得土壤和水源酸化，影響農作物的生長。

(3)光化學反應產生的二次污染。大氣中NOx和揮發性有機物VOC達到一定濃度后，在太陽光照射下經過一系列復雜的光化學反應，就會產生以高濃度O3和細顆粒物為特征的光化學煙霧，形成了夏季城市天空經常出現的藍色煙霧。光化學煙霧是一種二次污染，污染區主要位于污染源下風向30km-50km。

(4)危害人體健康。現代科學已經證實人類許多疾病的產生與空氣中氮氧化物NOx有著直接的關系。對人體健康和生態環境危害最大的是NOx，主要是影響呼吸系統，可引起支氣管炎和肺氣腫。光化學煙霧會使大氣能見度降低，對眼睛、喉嚨有強烈的刺激作用，并會產生頭痛、呼吸道疾病惡化等癥狀。

因此，對燃煤過程中氮氧化物NOx的排放控制對保護環境有著至關重要的作用。

3 煤燃燒過程中NOx的形成途徑

在燃燒過程中，NOx生成的途徑有三種:一是空氣中氮在高溫下氧化產生，稱為熱力型NOx;二是由于燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成NOx，稱為快速型NOx;三是燃料中含氮化合物在燃燒中氧化生成的NOx，稱為燃料型NOx。

4 控制NOx排放的技術措施

控制大氣中NOx污染的技術措施很多，但總的來說可以分為燃燒中控制和燃燒后控制兩大類型。所謂燃燒中脫氮主要是指通過控制燃燒過程中NOx形成的因素降低NOx的生成;燃燒后脫氮主要是指煙氣脫氮，是將已經生成的NOx，通過某種技術手段從煙氣中脫除掉。由此發展起了兩大類降低NOx的技術，即低NOx燃燒技術和煙氣處理NOx技術。

4.1 低NOx燃燒技術

低NOx燃燒技術是降低燃煤NOx排放的最主要也是比較經濟的技術措施，主要包括:

4.1.1 空氣分級燃燒

空氣分級燃燒(Air Staging)首先在美國發展起來，是目前國內外普遍采用的、比較成熟的低NOx燃燒技術。其基本原理是將燃燒所需要的空氣量分成兩級送入，使燃燒分兩級完成。

一級燃燒區內，由于缺氧，使燃燒處于“富燃料燃燒”(或“貧氧燃燒”)狀態，燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NOx的生成。另外燃燒生成的CO和NO以及燃料中N分解成的中間產物(如NH，CN，HCN和NH3等化合物)相互復合作用，同樣也抑制了燃料型NOx的生成。

二級燃燒區內，其余空氣以二次空氣輸入，使未燃盡的碳氫化合物燃盡。同時也使一些中間產物被氧化成NO，但因溫度低，故NO的生成量不大。

盡管空氣分級燃燒彌補了簡單的低過量空氣燃燒所導致的未完全燃燒損失和飛灰含碳量增加的缺點，但是，若兩級的空氣比例分配不合理，或爐內的混合條件不好，則會增加不完全燃燒引起的損失;同時，煤粉爐一級燃燒區內的還原性氣氛將導致灰熔點降低而引起結渣和受熱面腐蝕。

4.1.2 燃料分級燃燒

燃料分級燃燒法(Fuel Staging)又叫再燃燒法，該方法將燃燒分成三個區域:一次燃燒區是在燃燒室的下部，送入80%~85%的燃料，并以過量空氣系數a>1.05配置空氣進行燃燒，生成NO、CO、H2O、O2和灰分等。在一級燃燒區的上部(火焰的下游)的第二燃燒區內，把其余的15%~20%的燃料噴入，在此區內燃燒過程是在還原氣氛(a<1)下進行的，生成碳氫化合物基團CH等，這些基團把一次燃燒區中生成的70%~90%的NO還原成N2，通常此區稱為再燃區。在第三燃燒區(稱為燃盡區)，再把燃燒所需的其余空氣送入，在該區把殘余的可燃物燒完。燃料分級燃燒法可以使NOx減排50%或以上。

和空氣分級燃燒相比，燃料分級燃燒的燃盡率與降低NOx濃度的矛盾更加突出，由于燃料在燃盡區的停留時間更短，選擇再燃區內的過量空氣系數(a2)和利用“火上風”，組織好燃盡區的燃燒過程，以獲得較高的燃盡率顯得更為重要。

4.1.3 煙氣再循環

煙氣再循環法(簡稱FGR)的過程是讓一部分溫度較低的煙氣直接送入爐內或與燃燒用的空氣混合，使燃燒區內惰性氣體含量增加，因煙氣吸熱和稀釋了氧氣的濃度，使燃燒速度和爐內溫度降低，達到降低NOx濃度的目的。

4.1.4 低NOx燃燒器

在低NOx燃燒技術中，關鍵設備是新型燃燒器。它是通過降低燃燒區氧氣的濃度，降低高溫區的火焰溫度和縮短可燃氣體在高溫區的停留時間等措施，從而降低NOx的生成量。

4.2 煙氣脫氮技術

煙氣脫氮法主要有選擇性非催化法(SNCR)、選擇性催化法(SCR)、電子束法、吸附法、吸收法和微生物法。

4.2.1 選擇性非催化法(SNCR)

此法是用NH3、尿素等還原劑噴入爐內與NOx進行選擇性反應，不用催化劑，還原劑噴入爐膛溫度為900℃一1200℃的區域，該還原劑迅速熱分解成NH3，并與煙氣中的NOx進行SNCR 反應生成N2。該方法是以爐膛為反應器，溫度控制是關鍵。該法氨液消耗量大，NOx的脫除率也不高，約為30%-60%，多用作低氮燃燒技術的補充處理手段。

4.2.2 選擇性催化法(SCR)

此法是用氨氣等作還原劑，在300℃一400℃的催化劑層中優先將NOx分解為N2和H2O。

選擇性催化還原技術已在歐、美等發達國家燃煤電廠中商業應用。國際上對SCR脫硝的催化反應機理、反應動力學、催化劑性能改進等進行了大量的研究，我國在這方面也開始進行了部分研究。曲虹霞等利用V2O5/TiO2為催化劑，NH3為還原劑，在適宜的條件下，NOx脫除率可達90%。田柳青等以TiO2/A12O3/堇青石蜂窩陶瓷為載體，以V2O5―MoO3―W03為活性組分，制成了用于選擇性催化還原煙氣中NOx的新型催化劑，結果表明，該新型催化劑能取得最好的選擇性催化還原氮氧化物的催化性能。

利用選擇性催化法進行煙氣脫氮時，不產生副產物，并且裝置結構較簡單，是目前應用最廣泛，技術最成熟的煙氣脫氮方法。這種方法在電廠和垃圾焚燒爐上都很有效，在水泥回轉窯上則因粉塵濃度高、催化器易堵塞及電耗高等問題尚未進入實用階段。但是盡管在理想狀態下，此法NO脫除率可達90%以上，但實際上由于NI-13量的控制誤差而造成的二次污染等原因，使得NOx脫除率僅達65%~80%。選擇性催化法脫氮性能的好壞取決于催化劑的活性、用量以及NH3與廢氣中的NOx的比率等。

4.2.3 電子束法

電子束照射法脫硫脫氮技術是一種物理與化學相結合的高新技術。電子束照射法是利用電子加速器產生的高能等離子體氧化煙氣中的SO2和NOx等氣態污染物，氧化后的酸與加入的氨反應生成硫酸銨和硝酸銨的微細粉粒，粉粒經捕集器回收作農肥，凈化氣體經煙囪排入大氣。

目前我國成都電廠引進了13本荏原公司的電子束技術進行煙氣脫硫脫氮。但電子束照射法仍有不少缺點:①能量利用率低，當電子能量降到3ev以下后，將失去分解和電離的功能，剩余的能量將浪費掉;②電子束法所采用的電子槍價格昂貴，電子槍及靶窗的壽命短，所需的設備及維修費用高昂;③設備結構復雜，占地面積大，X射線的屏蔽與防護問題不容易解決。上述原因限制了電子束法的實際應用和推廣。

4.2.4 吸附法

吸附法是利用吸附劑對NOx的吸附量隨溫度或壓力的變化而變化，通過周期性地改變操作溫度或壓力，控制NOx的吸附和解吸，使NOx從氣源中分離出來，屬于干法脫硝技術。吸附法脫氮技術凈化效率高，不消耗化學物質，設備簡單，操作方便。但是由于吸附劑吸附容量小，需要的吸附劑量大，設備龐大，需要再生處理;而且為間歇操作，投資費用較高，能耗較大。

4.2.5 液體吸收法

液體吸收法是利用堿性溶液等吸收凈化廢氣中的NOx。常見吸收劑有:水、NaOH、Ca(OH)2、NHOH、Mg(OH)2、稀HNO3等。采用氧化吸收法、還原吸收法及絡合吸收法等可提高NOx的吸收效率。吸收法工藝過程簡單，投資較少，吸收劑來源廣泛，又能以硝酸鹽的形式回收利用廢氣中的NOx。但是NOx去除效率低，能耗高，吸收廢氣后的溶液易造成二次污染。

4.2.6 微生物法

微生物法處理煙氣脫氮就是利用微生物的生命活動將NOx轉化為無害的無機物及微生物的細胞質。此法目前還處于實驗階段，而且存在著明顯的缺點，例如填料塔的空塔氣速、煙氣溫度、反硝化菌的培養、細菌的生長速度和填料的堵塞等等問題都有待于解決。

5 結語

燃煤過程對大氣造成的污染正日益引起人們的關注，控制NOx的排放是煤燃燒利用研究中亟需解決的課題。但是，到目前為止，還沒有一種兼具適用性強、效率高和成本低的NOx排放控制技術。盡管煙氣凈化技術的效率很高，但存在設備昂貴、運轉費用較高、技術復雜，且使用NH3時易造成二次污染等問題。綜合考慮環保與資金的問題，較為實際的方法是采取分級燃燒和設計出科學的燃燒反應器，對現有的燃煤設備進行改良，在燃燒過程中控制NOx的生成，可減少煙氣的NOx處理量。若能和煙氣凈化過程有機結合，不需投入巨資便可大幅度降低NOx的排放量。此外，我國的脫氮裝備工業目前尚處于起步階段，尚未形成獨立的門類，應當進一步開發和研究脫氮技術，特別是聯合脫硫脫氮技術。

參考文獻

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