高參鍋爐氮氧化物排放影響因素分析

張曉燕

（包頭輕工職業技術學院（能源工程系），內蒙古 包頭 014035）

改革開放以后，我國非常重視重工業的發展，北方許多地區都開始建立對應的工廠，以此來滿足日常工業運轉的需求。在重工業開始逐步發展時，新的問題也隨之出現，由于最初國內環境保護的意識不夠，工廠內的實際運營情況并未建立完善的管理措施，導致許多廢氣、廢水直接排放在大自然中，造成了嚴重的環境破壞。在當下的社會發展中，人們的環境保護意識逐漸提升，同時也認識到了環境污染的嚴重性以及相應的后果。于2011年，國家頒布了最新的《火電廠大氣污染物排放標準》，要求各大工廠都必須按照國家標準來進行廢氣的處理和排放，一旦發現有超標排放的違法行為，需要負相應法律責任。國家規定氮氧化物的排放濃度在100 mg/m3以下，由于早期的技術水平不高，使得鍋爐燃燒參數分析受限，氮氧化物排放量沒有得到有效控制，遠遠超過了國家規定排放標準。而在當今科技飛速發展的今天，利用現代化技術手段，可以對鍋爐排放的煙氣進行更加嚴謹的科學研究，在分析氮氧化物生成機理的基礎上，利用數值模擬軟件，找出鍋爐燃燒參數、燃燒器結構設計等對氮氧化物的影響，為氮氧化物精準檢測、合理有效控制，提供強有力的保障。

1 氮氧化物簡介

氮氧化物是一種由氮、氧兩種元素組成的化合物質，一般的形態呈氣體，如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等，也有少部分以固態的形式存在，且具有不同程度的毒性。氮氧化物可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病，呼吸系統有問題的人士，如哮喘病患者，會較易受二氧化氮影響。氮氧化物經紫外線照射發生反應形成的有毒煙霧（光化學煙霧）具有特殊氣味，刺激眼睛，傷害植物，并能使大氣能見度降低。此外，排放到大氣中的氮氧化物與空氣中的水結合最終會轉化成硝酸和硝酸鹽，具有較強的腐蝕性，對于建筑物會產生不同程度上的破壞[1]。在20世紀80年代，針對氮氧化物的排放統計，全世界氮氧化物的總排放量達到了5 300萬噸，這些氣體未經過有效的處理就排放在大氣當中，導致大氣層嚴重破壞，不僅自然環境受到了影響，更是危及到人類的身體健康。

研究表明，電站大型燃煤鍋爐燃燒過程中，會造成硫氧化物、氮氧化物等大量有害氣體的出現，給人類生產、生活造成了極大困擾[2]。而在當下的工廠管理中，針對于有害氣體的排放，設定了十分嚴格的排放標準，要求工作人員在工作的過程中，必須嚴格按照規范進行氣體的處理，未達到排放標準的有害氣體，禁止直接排放到空氣當中。

2 氮氧化物的生成機理

2.1 熱力型

在傳統的工業生產過程當中，需要通過一些燃燒的手段，來完成工業生產，其在燃燒的過程當中，會產生各種各樣的有害氣體，這些氣體直接排放到大氣當中，會對大氣層產生直接的影響，同時也會對自然環境造成一定的破壞，甚至威脅到人類健康。氮氧化物則是工業燃燒中所產生的一種有害氣體，在自然形態下，氮氧化物的生成存在著多種形式，其中熱力型氮氧化物的生成，主要是通過高溫氧化而形成，蘇聯時期的科學家針對熱力型氮氧化物進行了深入的研究[3]。熱力型氮氧化物的生成量與燃燒的溫度、氧氣的濃度以及時間有一定的關系，在燃燒的過程當中，一旦溫度超過1 600攝氏度以上，則會不斷提高氮氧化物的濃度總量，若將濃度值較高的氮氧化物，直接排放到大氣當中，對于大氣層的破壞相當大。當下國家針對氮氧化物的排放制定了嚴格的規范，要求工作人員嚴格按照排放標準，來進行氮氧化物的排放，進一步保證了空氣的質量[4]。

2.2 燃燒型

鍋爐燃燒是工業生產過程中常見的一種生產方式，而在鍋爐燃燒的過程當中會產生氮氧化物，這類氮氧化物被歸類為燃燒型氮氧化物，通過鍋爐的燃燒，氮氧化物的生成含量達到了70%-80%，其濃度含量相當高，形成的因素也相對復雜。國內外不少的化學專家針對氮氧化物的生成進行了深入的研究，但由于內部結構較為復雜，至今仍未清晰地掌握燃燒型氮氧化物的還原機理結構[5]。但是，從一般的鍋爐燃燒研究中，可以掌握燃燒型氮氧化物的生成與某種煤種的特性有著直接的關系，在煤燃燒的過程當中，分解出各種化學物質，其中一種化學物質在分解的過程當中會產生氮氧化物。為此，在工業生產的過程當中，對于鍋爐燃燒后的氣體存放有著嚴格的要求，工作人員需要將這些氣體進行嚴格化的存儲，并依靠科學手段來對氣體進行過濾處理，使其達到對應的排放標準，這樣才能使得氣體的排放，不會造成嚴重環境破壞[6]。

2.3 快速型

快速型氮氧化物的形成，主要是通過鍋爐燃燒之后產生的CH原子團與N2分子進行撞擊，在這種撞擊的過程當中，會快速形成氧化反應，從而產生快速型氮氧化物。快速型氮氧化物的生成，比其他兩種類型的氮氧化物生成要更加快速，形成的步驟分為三步，其反應時間較快，所以，也被稱為快速型氮氧化物。部分化學專家針對快速型氮氧化物進行了深入的研究，提出溫度對于快速型氮氧化物的影響相對較小，由于在鍋爐燃燒過程當中，快速型氮氧化物并未直接通過溫度來進行氧化反應，而是直接通過原子團與分子的直接撞擊而生成快速型氮氧化物，因此，溫度以及時間對于快速型氮氧化物的影響相對較小。在實際生產過程中，與其他兩類氮氧化物相比，快速型氮氧化物由于其生成時間短，其生成量減少，整體生成量無法與其他兩種相比。

3 高參鍋爐氮氧化物排放的影響因素

3.1 燃燒參數

鍋爐的燃燒狀況對于氮氧化物的生成產生了直接的影響，在燃燒的過程當中，各類參數的形成也對氮氧化物所形成的類型存在一定的影響。高參、大型的燃煤爐（例如300 MW、600 MW鍋爐）在燃燒的過程當中，其燃燒的時間、燃燒的溫度、所觸及的含氧量相對不同，并相互影響。使得氮氧化物的生成機理變得十分復雜。通過對鍋爐燃燒過程中的所含成分進行實測數據研究，發現鍋爐爐內在燃燒時，基本的參數包括含氧量、火焰中心位置、一次風量、燃料種類、煤粉細度等，這些參數的數據值不同，并時刻處于波動狀態，使得燃燒之后氮氧化物的生成含量也很受影響。根據快速型、燃燒型、熱力型氮氧化物的生成機理進行分析可以發現，不同類型的氮氧化物，在燃燒的過程中，含氧量、火焰位置等，這些基本的參數都存在有一定的差別。例如，快速型氮氧化物在生成的過程中，溫度的影響并不大，在內部機理的生成結構中，直接通過撞擊完成，在短時間內快速形成了氮氧化物。而燃燒型的氮氧化物對于燃燒時的溫度、時間等，都有著直接的聯系，通過溫度、時間等參數的把控，氮氧化物的總體含量會發生較大的變化。為此，從這些參數變化上進行分析了解，不同類型的氮氧化物在不同參數的情況下，所生成的類型不同，濃度含量也相對不同。工廠在生產加工的過程中，需要針對不同的生產需求，來對燃燒時產生的有害氣體進行專業化的處理，確保氣體不會出現泄露的情況，從而避免氣體排放影響自然生態環境及危及人類健康。

3.2 燃燒器構造

在工業生產過程中，鍋爐爐膛的設計，對于生產的工作效率產生了直接的影響。四角切圓單爐膛鍋爐的設計，在燃燒過程當中具有較好的通風性，這樣能夠使得燃燒時的火焰更加旺盛，同時也能夠較好地控制燃燒時的溫度。在采用四角切圓單爐膛高參（高溫度、高壓力）鍋爐的使用過程當中，配備好五臺ZGM95G型中速磨煤機，在鍋爐燃燒過程中，不斷給鍋爐進行煤的補給，確保鍋爐能夠持續性地進行燃燒，避免鍋爐內的溫度降低。在燃燒器的結構上，四周設置有通風口，燃燒器噴嘴的設計采用的是垂直的設計角度，這樣能夠使得燃燒過程不斷有氧氣輸送進去，提高了爐內整體含氧量。煤種的選擇對于氮氧化物的形成也產生了直接的影響。鍋爐在燃燒過程中所采用的煤種不同，其化學反應也會出現相應變化，產生不同類型的氮氧化物。通過對燃燒器結構的了解剖析，將鍋爐風門設計數據進行一定調整后，可以直接發現對氮氧化物濃度變化產生了一定影響。為此，可以總結出鍋爐在燃燒的過程中，燃燒器的結構設計對于氮氧化物的生成產生了直接影響，總生成量以及濃度含量都發生了較大變化，詳見圖1。

圖1 單爐膛高參鍋爐及燃燒區

3.3 數值模擬軟件的應用

在進行氮氧化物的檢測過程當中，工作人員可以通過各類軟件的應用來實施，掌握氮氧化物生成含量的變化，這樣能夠使得工作人員較為精準的把握燃燒時的氮氧化物控制。例如，我們可以利用數值模擬軟件來模擬燃燒過程及氮氧化物含量的趨勢變化，進一步分析其中的參數內容，這樣能夠更好地設計出氮氧化物處理的高效方案，降低其整體的排放量，提高燃燒的效率，促進工業的發展，同時也保證了環境安全。大容量高參數鍋爐燃燒的情況下，利用數值模擬軟件先明確劃分爐膛區域的基本層次，再對其燃盡風的穿透深度以及擾動情況進行進一步的生成，準確把握好各項數值的變化情況。在實驗檢測的過程中可以明確地了解到，采用高位燃盡風、低位燃盡風兩段式空氣分級的方式，能夠有效提高風粉混合速度，降低了氮氧化物的排放含量，同時也保障了鍋爐內的燃燒效率。

4 結語

氮氧化物的產生以及排放是當下人們所關注的重點，目前，大眾的環境保護意識正在不斷的提升，面對有害氣體的排放，國家也頒布了相關排放標準，要求所有工廠，特別是火力發電廠嚴格按照排放標準以及處理標準來對各類有害氣體進行處理。在進行處理的過程中，工作人員可以應用數值模擬等科學化手段，合理建立燃燒模型，基于氮氧化物生成機理，低成本、低耗時的分析影響高參鍋爐氮氧化物排放所包括燃燒參數、燃燒器構造等各類關鍵因素，以便采取相應手段，有效控制氮氧化物的變化情況，更加精準的把控好氣體的排放，降低氮氧化物的濃度含量，促使氣體本身達到可排放標準，避免自然環境及人類活動受到不良影響。