冷凝式燃氣鍋爐氮氧化物排放影響因素分析

馬方 羅賢壽

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院三明分院 福建三明 365000）

0 引言

近年來，隨著我國工業產業的快速發展，國民經濟水平的不斷提高，與此同時，也對生態環境造成了一定的破壞。 為降低工業發展對生態環境的影響，國家不斷推廣清潔能源，鼓勵工業鍋爐煤改氣，極大地降低了SO2和顆粒物的排放。 氮氧化物（NOx）為天然氣燃燒過程中主要的污染物，因此控制NOx排放可使燃天然氣鍋爐更加的環保。 為減少燃氣鍋爐NOx 的排放，大量鍋爐采取低氮技術。 由于具有經濟節能的特性，冷凝式燃氣鍋爐在實際運用中得到了推廣， 在冷凝水回收過程中對于NOx 的排放控制也具有一定的效果。

1 NOx 生成規律

NOx 分為熱力型NOx、 快速型NOx 以及燃料型NOx 3種。 其中，熱力型NOx 主要由空氣中的氮氣和氧氣在1 500 ℃以上高溫的環境中發生氧化反應生成的NOx。 隨著溫度的升高，NOx 的生成率成倍數的增長。 燃氣鍋爐在實際燃燒過程中，較容易出現燃燒室的局部高溫，因此，燃氣鍋爐煙氣中的主要NOx 類型為熱力型。 而快速型NOx 是由于燃料在富氧的燃燒狀況下生成的NOx， 而燃料型NOx 由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，通常在富燃料（氧濃度相對較低）的情況下產生。 由于燃氣鍋爐的氣體燃料與空氣混合均勻，因此快速性NOx 和燃料型NOx 均不易產生。

NOx 主要為NO 和NO2，NO2主要通過NO 與HO2的反應生成，NO2分解后又生成NO，NO2的生成不會顯著影響燃燒過程總NOx 的排放。

2 冷凝式余熱回收裝置對NOx 的理論凈化效果

2.1 NOx 在冷凝水的溶解和反應過程

鍋爐廢氣中氮氧化物中NO 含量較多，NO2含量相對較少。 NO 在水中溶解度低，根據相關文獻的研究，當排煙溫度為25～40 ℃，且過量空氣系數為1.0～1.4 時，冷凝水對NO 的吸收率為2.8%～8.6%［1］。 而NO2在水中溶解度較高，溶解后形成硝酸和亞硝酸水溶液。

2.2 NOx 在冷凝水中理論吸收量的計算

煙氣冷凝水由于與鍋爐廢氣中的NOx 氣體接觸， 產生化學反應以及物理溶解，最后部分氣體會被冷凝水帶走，實際排到大氣中的NOx 含量低于燃燒產生的NOx 含量， 冷凝水對NOx 最大吸收量的計算公式［1］如式（1）：

式中：mls（tp）為排煙溫度為tp時理論冷凝水質量，g；s（tp）為排煙溫度為tp時NOx 的溶解度，g/g 水；M 為NOx 的摩爾 質量，g/mol；C 為NOx 的吸收量體積溶度，m3/m3；Vy為煙氣體積，m3。

結合中海福建天然氣的成分， 煙氣中水蒸氣體積含量公式如式（2）～（4）［3］：

式中：a 為過量空氣系數；da為空氣含濕量，kg/m3（標態）。

由式（2）可計算冷凝水的質量計算公式如式（3）：

式中：φ 為冷凝率。

整理公式（1）～（3）可知：

由式（4）可知，冷凝水對NOx 的吸收量體積溶度C 與NOx溶解度S（tp）成正比，與冷凝率φ 成正比，隨著空氣濕度的上升NOx 的吸收量會上升。

3 鍋爐運行控制參數對NOx 吸收的影響

根據公式（1），NOx 吸收率與冷凝率成正比。 根據文獻［2］的研究， 過量空氣系數和排煙溫度作為鍋爐最重要的控制參數， 對煙氣水蒸氣冷凝率有著重要的影響， 因此也將影響到NOx 的吸收效果。 尤其是過量空氣系數，不僅影響了煙氣冷凝水量，同時，過量空氣系數過高會提高參與反應中的氧氣量，對快速性NOx 的生成有一定的影響。

3.1 過量空氣系數對NO 產生和排放的影響

NO 在鍋爐燃燒過程中的生成是復雜的，由于過量空氣系數直接決定了參與燃燒反應中的氧氣以及氮氣的成分比，因此，過量空氣系數會對NO 的生成產生影響。 文獻［1］給出了CNO與過量空氣系數a 的經驗公式：

由式（5）可知，NO 的產生隨著空氣過量系數的增加而減少。

3.2 過量空氣系數對NOx 的吸收溶度的影響

由于過量空氣系數對冷凝率有一定的影響， 由道爾頓定律可知，隨著過量空氣系數的上升，同等情況下，水蒸氣分壓降低，水蒸氣的露點溫度也隨之降低，因此NOx 的吸收量體積溶度與過量空氣的關系較為復雜。 隨著過量空氣系數的增加，水蒸氣的露點溫度也隨之降低。 由相關研究數據整理出排煙溫度、過量空氣系數與冷凝率的關系如圖1。

圖1 排煙溫度、過量空氣系數與冷凝率的關系［3］

結合圖1 和公式（4）可知，在排煙溫度低于露點溫度的情況下，由于空氣中的水分的存在，過量空氣系數的提高，會提高煙氣中的水蒸氣體積， 但過量空氣系數的提高會顯著降低煙氣中水蒸氣的冷凝率。 由圖1 可知，在相同排煙溫度下，過量空氣系數對煙氣水蒸氣冷凝率的影響并不顯著。 因此，過量空氣系數波動不大的情況下， 對煙氣水蒸氣冷凝量的影響不明顯，從而對NOx 的吸收量產生的影響也是有限的。

3.3 排煙溫度對NOx 排放及吸收的影響

3.3.1 排煙溫度影響冷凝水的生成量

由圖1 可知，排煙溫度對水蒸氣的冷凝率影響較大，尤其當排溫溫度較高時，冷凝水生成率較低甚至為零，故而排煙溫度的升高會顯著影響冷凝水對NOx 的吸收。

3.3.2 排煙溫度對NOx 溶解度的影響

隨著排煙溫度的升高，NOx 的溫度以及冷凝水的溫度都會隨之升高， 由于當壓強一定時氣體的溶解度會隨著溫度的降低而升高。 基于上述情況，當排煙溫度低于冷凝溫度時，排煙溫度越低，冷凝水對NOx 的吸收率越高。

同時， 當鍋爐輸入熱量高于單位時間內煙氣與鍋爐介質換熱量時， 可能引起爐膛溫度超高以及鍋爐排煙溫度過高的情況， 將導致冷凝水無法生成以及由于爐膛溫度過高增加熱力型NOx 的生成量，從而使鍋爐煙氣NOx 的大量排放。

4 總結

（1）冷凝式鍋爐的冷凝水對NOx 排放的減少量隨著排煙溫度的升高而減少，隨著空氣過量系數的增大而減少。 因此在鍋爐運行過程中控制好排煙溫度以及過量空氣系數可有效地提高冷凝式鍋爐的NOx 減排的減排效果。

（2）由于NO2具有易溶于水的特征，NO2的吸收率極高，因此采用“燃燒器分級燃燒+煙氣再循環”的低氮燃燒方式可使部分NO 轉化為NO2， 從而提高冷凝水NOx 的吸收率， 減少NOx 的排放［4］。

（3）本文在分析過程中，未考慮冷凝器的結構型式。 因不同冷凝器在冷凝水生成的過程中， 冷凝水與煙氣的接觸表面積不同，煙氣中NOx 的吸收量也有所不同。由于本文在研究過程中假定煙氣與冷凝水充分接觸， 因此冷凝器的結構形式及其煙氣與冷凝水接觸對NOx 減排的影響有待進一步的研究。