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(yán)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(yīng)用最為廣泛的動力設(shè)備，在人類生產(chǎn)和生活中具有廣泛而重要的應(yīng)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(yùn)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(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)合理的選擇經(jīng)濟(jì)可行、技術(shù)可靠的氮氧化物控制技術(shù)，就成為當(dāng)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(xué)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(jī)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(jī)理著手。氮氧化物按其在燃煤鍋爐中形成的機(jī)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(yīng)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(yīng)生成氮原子，氮原子再與氧反應(yīng)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(jī)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(dāng)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(fēng)，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(jī)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(yīng)用研究的重要手段。主要應(yīng)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(jìn)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(xì)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(yán)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(shè)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(fèi)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(jìn)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(yùn)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(jī)理上，改進(jìn)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?dú)猓瑥亩档团欧牛饕写呋€原法。應(yīng)用選擇性催化還原技術(shù)來降低氮氧化物排放，其次是應(yīng)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(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院；鮑延，河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院；陳亞東，河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院。