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(yè)技術(shù)學(xué)院（能源工程系），內(nèi)蒙古 包頭 014035）

改革開放以后，我國非常重視重工業(yè)的發(fā)展，北方許多地區(qū)都開始建立對(duì)應(yīng)的工廠，以此來滿足日常工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)的需求。在重工業(yè)開始逐步發(fā)展時(shí)，新的問題也隨之出現(xiàn)，由于最初國內(nèi)環(huán)境保護(hù)的意識(shí)不夠，工廠內(nèi)的實(shí)際運(yùn)營情況并未建立完善的管理措施，導(dǎo)致許多廢氣、廢水直接排放在大自然中，造成了嚴(yán)重的環(huán)境破壞。在當(dāng)下的社會(huì)發(fā)展中，人們的環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸提升，同時(shí)也認(rèn)識(shí)到了環(huán)境污染的嚴(yán)重性以及相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)》，要求各大工廠都必須按照國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行廢氣的處理和排放，一旦發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)排放的違法行為，需要負(fù)相應(yīng)法律責(zé)任。國家規(guī)定氮氧化物的排放濃度在100 mg/m3以下，由于早期的技術(shù)水平不高，使得鍋爐燃燒參數(shù)分析受限，氮氧化物排放量沒有得到有效控制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。而在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的今天，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段，可以對(duì)鍋爐排放的煙氣進(jìn)行更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究，在分析氮氧化物生成機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值模擬軟件，找出鍋爐燃燒參數(shù)、燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等對(duì)氮氧化物的影響，為氮氧化物精準(zhǔn)檢測(cè)、合理有效控制，提供強(qiáng)有力的保障。

1 氮氧化物簡(jiǎn)介

氮氧化物是一種由氮、氧兩種元素組成的化合物質(zhì)，一般的形態(tài)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(tài)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(tǒng)疾病，呼吸系統(tǒng)有問題的人士，如哮喘病患者，會(huì)較易受二氧化氮影響。氮氧化物經(jīng)紫外線照射發(fā)生反應(yīng)形成的有毒煙霧（光化學(xué)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(jié)合最終會(huì)轉(zhuǎn)化成硝酸和硝酸鹽，具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)于建筑物會(huì)產(chǎn)生不同程度上的破壞[1]。在20世紀(jì)80年代，針對(duì)氮氧化物的排放統(tǒng)計(jì)，全世界氮氧化物的總排放量達(dá)到了5 300萬噸，這些氣體未經(jīng)過有效的處理就排放在大氣當(dāng)中，導(dǎo)致大氣層嚴(yán)重破壞，不僅自然環(huán)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(huì)造成硫氧化物、氮氧化物等大量有害氣體的出現(xiàn)，給人類生產(chǎn)、生活造成了極大困擾[2]。而在當(dāng)下的工廠管理中，針對(duì)于有害氣體的排放，設(shè)定了十分嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求工作人員在工作的過程中，必須嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行氣體的處理，未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的有害氣體，禁止直接排放到空氣當(dāng)中。

2 氮氧化物的生成機(jī)理

2.1 熱力型

在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中，需要通過一些燃燒的手段，來完成工業(yè)生產(chǎn)，其在燃燒的過程當(dāng)中，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的有害氣體，這些氣體直接排放到大氣當(dāng)中，會(huì)對(duì)大氣層產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)自然環(huán)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(yè)燃燒中所產(chǎn)生的一種有害氣體，在自然形態(tài)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(lián)時(shí)期的科學(xué)家針對(duì)熱力型氮氧化物進(jìn)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(shí)間有一定的關(guān)系，在燃燒的過程當(dāng)中，一旦溫度超過1 600攝氏度以上，則會(huì)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(dāng)中，對(duì)于大氣層的破壞相當(dāng)大。當(dāng)下國家針對(duì)氮氧化物的排放制定了嚴(yán)格的規(guī)范，要求工作人員嚴(yán)格按照排放標(biāo)準(zhǔn)，來進(jìn)行氮氧化物的排放，進(jìn)一步保證了空氣的質(zhì)量[4]。

2.2 燃燒型

鍋爐燃燒是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的一種生產(chǎn)方式，而在鍋爐燃燒的過程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)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(dá)到了70%-80%，其濃度含量相當(dāng)高，形成的因素也相對(duì)復(fù)雜。國內(nèi)外不少的化學(xué)專家針對(duì)氮氧化物的生成進(jìn)行了深入的研究，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，至今仍未清晰地掌握燃燒型氮氧化物的還原機(jī)理結(jié)構(gòu)[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(guān)系，在煤燃燒的過程當(dāng)中，分解出各種化學(xué)物質(zhì)，其中一種化學(xué)物質(zhì)在分解的過程當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生氮氧化物。為此，在工業(yè)生產(chǎn)的過程當(dāng)中，對(duì)于鍋爐燃燒后的氣體存放有著嚴(yán)格的要求，工作人員需要將這些氣體進(jìn)行嚴(yán)格化的存儲(chǔ)，并依靠科學(xué)手段來對(duì)氣體進(jìn)行過濾處理，使其達(dá)到對(duì)應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能使得氣體的排放，不會(huì)造成嚴(yán)重環(huán)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(chǎn)生的CH原子團(tuán)與N2分子進(jìn)行撞擊，在這種撞擊的過程當(dāng)中，會(huì)快速形成氧化反應(yīng)，從而產(chǎn)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(yīng)時(shí)間較快，所以，也被稱為快速型氮氧化物。部分化學(xué)專家針對(duì)快速型氮氧化物進(jìn)行了深入的研究，提出溫度對(duì)于快速型氮氧化物的影響相對(duì)較小，由于在鍋爐燃燒過程當(dāng)中，快速型氮氧化物并未直接通過溫度來進(jìn)行氧化反應(yīng)，而是直接通過原子團(tuán)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(shí)間對(duì)于快速型氮氧化物的影響相對(duì)較小。在實(shí)際生產(chǎn)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(shí)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(shù)

鍋爐的燃燒狀況對(duì)于氮氧化物的生成產(chǎn)生了直接的影響，在燃燒的過程當(dāng)中，各類參數(shù)的形成也對(duì)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(dāng)中，其燃燒的時(shí)間、燃燒的溫度、所觸及的含氧量相對(duì)不同，并相互影響。使得氮氧化物的生成機(jī)理變得十分復(fù)雜。通過對(duì)鍋爐燃燒過程中的所含成分進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究，發(fā)現(xiàn)鍋爐爐內(nèi)在燃燒時(shí)，基本的參數(shù)包括含氧量、火焰中心位置、一次風(fēng)量、燃料種類、煤粉細(xì)度等，這些參數(shù)的數(shù)據(jù)值不同，并時(shí)刻處于波動(dòng)狀態(tài)，使得燃燒之后氮氧化物的生成含量也很受影響。根據(jù)快速型、燃燒型、熱力型氮氧化物的生成機(jī)理進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(nèi)部機(jī)理的生成結(jié)構(gòu)中，直接通過撞擊完成，在短時(shí)間內(nèi)快速形成了氮氧化物。而燃燒型的氮氧化物對(duì)于燃燒時(shí)的溫度、時(shí)間等，都有著直接的聯(lián)系，通過溫度、時(shí)間等參數(shù)的把控，氮氧化物的總體含量會(huì)發(fā)生較大的變化。為此，從這些參數(shù)變化上進(jìn)行分析了解，不同類型的氮氧化物在不同參數(shù)的情況下，所生成的類型不同，濃度含量也相對(duì)不同。工廠在生產(chǎn)加工的過程中，需要針對(duì)不同的生產(chǎn)需求，來對(duì)燃燒時(shí)產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行專業(yè)化的處理，確保氣體不會(huì)出現(xiàn)泄露的情況，從而避免氣體排放影響自然生態(tài)環(huán)境及危及人類健康。

3.2 燃燒器構(gòu)造

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，鍋爐爐膛的設(shè)計(jì)，對(duì)于生產(chǎn)的工作效率產(chǎn)生了直接的影響。四角切圓單爐膛鍋爐的設(shè)計(jì)，在燃燒過程當(dāng)中具有較好的通風(fēng)性，這樣能夠使得燃燒時(shí)的火焰更加旺盛，同時(shí)也能夠較好地控制燃燒時(shí)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(dāng)中，配備好五臺(tái)ZGM95G型中速磨煤機(jī)，在鍋爐燃燒過程中，不斷給鍋爐進(jìn)行煤的補(bǔ)給，確保鍋爐能夠持續(xù)性地進(jìn)行燃燒，避免鍋爐內(nèi)的溫度降低。在燃燒器的結(jié)構(gòu)上，四周設(shè)置有通風(fēng)口，燃燒器噴嘴的設(shè)計(jì)采用的是垂直的設(shè)計(jì)角度，這樣能夠使得燃燒過程不斷有氧氣輸送進(jìn)去，提高了爐內(nèi)整體含氧量。煤種的選擇對(duì)于氮氧化物的形成也產(chǎn)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(xué)反應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化，產(chǎn)生不同類型的氮氧化物。通過對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)的了解剖析，將鍋爐風(fēng)門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定調(diào)整后，可以直接發(fā)現(xiàn)對(duì)氮氧化物濃度變化產(chǎn)生了一定影響。為此，可以總結(jié)出鍋爐在燃燒的過程中，燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于氮氧化物的生成產(chǎn)生了直接影響，總生成量以及濃度含量都發(fā)生了較大變化，詳見圖1。

圖1 單爐膛高參鍋爐及燃燒區(qū)

3.3 數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用

在進(jìn)行氮氧化物的檢測(cè)過程當(dāng)中，工作人員可以通過各類軟件的應(yīng)用來實(shí)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(zhǔn)的把握燃燒時(shí)的氮氧化物控制。例如，我們可以利用數(shù)值模擬軟件來模擬燃燒過程及氮氧化物含量的趨勢(shì)變化，進(jìn)一步分析其中的參數(shù)內(nèi)容，這樣能夠更好地設(shè)計(jì)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(jìn)工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也保證了環(huán)境安全。大容量高參數(shù)鍋爐燃燒的情況下，利用數(shù)值模擬軟件先明確劃分爐膛區(qū)域的基本層次，再對(duì)其燃盡風(fēng)的穿透深度以及擾動(dòng)情況進(jìn)行進(jìn)一步的生成，準(zhǔn)確把握好各項(xiàng)數(shù)值的變化情況。在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的過程中可以明確地了解到，采用高位燃盡風(fēng)、低位燃盡風(fēng)兩段式空氣分級(jí)的方式，能夠有效提高風(fēng)粉混合速度，降低了氮氧化物的排放含量，同時(shí)也保障了鍋爐內(nèi)的燃燒效率。

4 結(jié)語

氮氧化物的產(chǎn)生以及排放是當(dāng)下人們所關(guān)注的重點(diǎn)，目前，大眾的環(huán)境保護(hù)意識(shí)正在不斷的提升，面對(duì)有害氣體的排放，國家也頒布了相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，要求所有工廠，特別是火力發(fā)電廠嚴(yán)格按照排放標(biāo)準(zhǔn)以及處理標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)各類有害氣體進(jìn)行處理。在進(jìn)行處理的過程中，工作人員可以應(yīng)用數(shù)值模擬等科學(xué)化手段，合理建立燃燒模型，基于氮氧化物生成機(jī)理，低成本、低耗時(shí)的分析影響高參鍋爐氮氧化物排放所包括燃燒參數(shù)、燃燒器構(gòu)造等各類關(guān)鍵因素，以便采取相應(yīng)手段，有效控制氮氧化物的變化情況，更加精準(zhǔn)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(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)，避免自然環(huán)境及人類活動(dòng)受到不良影響。