鍋爐氮氧化物排放處理現(xiàn)狀的初探

單鑫彤 鮑延 陳亞東

摘 要：我們的世界面臨著四大嚴重問題：人口爆炸、能源枯竭、糧食匱乏和環(huán)境污染。污染正日益破壞著人類賴以生存的環(huán)境。不全面治理環(huán)境污染將貽害人類的未來。環(huán)境的污染包括大氣的污染。在各種大氣污染物中，氮氧化物的污染及其造成的危害不容忽視。

關(guān)鍵詞：鍋爐氮氧化物；排放處理現(xiàn)狀；控制措施

氮氧化物種類很多，有NO、NO2、N2O、NO3、N2O3、N2O5等，總稱NOX。造成大氣污染的主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），我國是煤炭生產(chǎn)大國，燃燒鍋爐是我國大氣污染的主要污染源之一，也是氮氧化物污染的主要污染源之一，對燃煤產(chǎn)生的氮氧化物采取有效的控制措施勢在必行。

1.鍋爐氮氧化物排放主要現(xiàn)狀和影響

1.1.氮氧化物排放主要現(xiàn)狀

我國排放的氮氧化物中，火力發(fā)電產(chǎn)生的氮氧化物占排放總量的比例逐年在增加。燃煤鍋爐是電力行業(yè)應用最為廣泛的動力設備，在人類生產(chǎn)和生活中具有廣泛而重要的應用。近年來，隨著人們對環(huán)境污染問題的日益關(guān)注，燃煤鍋爐的氮氧化物排放也成了電力行業(yè)急待解決的環(huán)境問題。目前，對于降低鍋爐的氮氧化物排放的研究僅限于一些小規(guī)模的簡化實驗，主要依靠鍋爐運行過程中長期積累的經(jīng)驗。對于徹底解決燃煤鍋爐的氮氧化物排放問題還存在著較大的局限性。為了降低電廠的排放，目前的主要措施有爐內(nèi)低燃燒以及煙氣脫硝兩大類。為了滿足目前嚴格的排放標準，大多電站鍋爐均采用爐內(nèi)低燃燒結(jié)合煙氣脫硝技術(shù)來實現(xiàn)減排。如何科學合理的選擇經(jīng)濟可行、技術(shù)可靠的氮氧化物控制技術(shù)，就成為當前控制火電行業(yè)氮氧化物排放亟待解決的問題。

1.2.氮氧化物的危害

煤燃燒生成的氮氧化物主要是一氧化氮和二氧化氮（占氮氧化，它們對人的毒性很大，損害植物，形成光化學煙霧。

2.鍋爐氮氧化物排放處理探析

2.1.燃煤鍋爐中氮氧化物形成機理分析

控制燃煤鍋爐中氮氧化物的排放，防止大氣污染，首先需從分析煤燃燒中產(chǎn)生氮氧化物的機理著手。氮氧化物按其在燃煤鍋爐中形成的機理分為三種。

第一種為燃料型氮氧化物（F- NOX）.它是由燃料中的氮（N）及氮化合物（HCN，NH，C2N2等）在爐內(nèi)與氧化合產(chǎn)生的氮氧化物。具體有以下生成特性：（1）受氧濃度影響大。氧濃度越高，生成量越大。（2）受溫度影響較小。（3）與燃燒的空氣混合狀況有關(guān)。此外，煙氣在高溫區(qū)滯留時間越長，燃料型氮氧化物生成量越大。

第二種為高溫型氮氧化物（T- NOX，又稱熱反應型氮氧化物），空氣中氮分子被氧化而生成的。具有如下特性：（1）受溫度影響極大。溫度越高，生成量越大。（2）氧氣濃度越高，生成量也越大。

第三種氮氧化物是在高溫下，空氣中的氮與烴在燃燒過程中的部分中間產(chǎn)物發(fā)生反應生成氮原子，氮原子再與氧反應生成一氧化氮。這部分氮氧化物正在燃煤鍋爐中所占比例很小，可以忽略不計。

分析氮氧化物生成機理可以得出如下結(jié)論：燃燒產(chǎn)生的氮氧化物與燃燒的最高溫度，煙氣在高溫區(qū)滯留時間，燃燒區(qū)的氧含量以及燃料中氮含量有關(guān)。當然與鍋爐結(jié)構(gòu)及燃燒工況亦有密切關(guān)系。大多電站鍋爐均采用爐內(nèi)降低氮氧化物燃燒結(jié)合煙氣脫硝技術(shù)來實現(xiàn)減排。

2.2.氮氧化物的控制措施

氮氧化物的控制措施分為二大類：一是為燃燒過程中對氮氧化物的抑制技術(shù)；二是對排煙中氮氧化物的凈化控制技術(shù)。

（1）分段燃燒技術(shù)

分段燃燒技術(shù)基本原理是在燃燒的初始階段，通過供入的助燃空氣量小于理論空量，使燃燒處于低氧濃度還原燃燒狀態(tài)，降低火焰溫度，以抑制氮氧化物的生成，然后通過二次（多次）送風，使還原燃燒區(qū)域外緣形成一個完全燃燒區(qū)域。

（2）燃燒過程中氮氧化物的抑制技術(shù)

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，對于鍋爐燃燒問題的數(shù)值模擬已經(jīng)可以成為燃燒理論應用研究的重要手段。主要應用 計算軟件，對鍋爐爐內(nèi)的湍流流動、傳熱、燃燒和污染物生成進行總體的數(shù)值模擬。并將數(shù)值計算和實驗研究相結(jié)合，研究空氣分級燃燒和細粉再燃等燃燒方式對鍋爐氮氧化排放量的影響。。

（3）低氮氧化物燃燒器（LNB）

低氮氧化物燃燒器能夠減少氮氧化物的排放量。低氮氧化物燃燒器能嚴格控制在緊靠燃燒器的燃燒區(qū)范圍內(nèi)燃料與空氣的混合，這樣減少燃料型氮氧化物的生成。燃燒器被設計成可以產(chǎn)生更長而溫度又較低的火焰，即降低了燃燒溫度，抑制了高溫型氮氧化物的生成，又使得燃料與空氣在火焰的后半部完全混合。是一種簡便且費用不高的技術(shù)。

（4）低氮燃料燃燒技術(shù)

低氮燃料燃燒技術(shù)包括煤的脫氮技術(shù)，即清除煤中的氮化合物以減少燃料型氮氧化物的生成，和燃料轉(zhuǎn)換技術(shù)即將煤氣化、液化或制成水煤漿后再進行燃燒。通過改變或調(diào)整爐內(nèi)燃燒狀況抑制的生成或還原部分生成的，從而降低爐膛出口排放值的技術(shù)，均被稱為低燃燒技術(shù)。這些技術(shù)包括低氧燃燒、減少投入運行的燃燒器數(shù)目、低燃燒器、煙氣再循環(huán)、燃料分級和空氣分級等。空氣分級燃燒技術(shù)是目前電站鍋爐普遍采用的降低氮氧化物排放的技術(shù)。

（5）改善燃燒技術(shù)

改善燃燒技術(shù)即從氮氧化物的形成機理上，改進煤的燃燒，從而減少氮氧化物的排放。

（6）煙氣脫硝技術(shù)

煙氣脫硝就是把燃燒已經(jīng)生成的氮氧化物還原為穩(wěn)定的氮氣，從而降低排放，主要有催化還原法。應用選擇性催化還原技術(shù)來降低氮氧化物排放，其次是應用選擇性非催化還原技術(shù)。

（7）煙氣再循環(huán)技術(shù)（FGR）

使一部分煙氣返回燃燒區(qū)，使燃燒區(qū)的溫度降低，因而減少氮氧化物的產(chǎn)生。該技術(shù)不能有效地抑制燃煤鍋爐中燃料型氮氧化物的生成。此技術(shù)可使煙氣中氮氧化物的排放量減少。

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作者簡介：

單鑫彤，河南理工大學測繪與國土信息工程學院；鮑延，河南理工大學機械與動力工程學院；陳亞東，河南理工大學機械與動力工程學院。