降低鍋爐煙氣氮氧化物排放濃度試驗研究

王 鵬，尹 萍，劉有聰，閔 超

（紅云紅河集團紅河卷煙廠，云南 彌勒 652399）

引言

有研究資料表明，假如繼續不加強對煙氣中NOx的治理，NOx 的總量和在大氣污染物中的比重都將上升，并有可能取代SO2成為大氣中的主要污染物。隨著GB13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》于2015年10 月1 日開始執行，這部被稱為“史上最嚴厲環境法”，是一部凝結了中國環保治理智慧，吸取了之前經驗教訓、能對癥下藥的成熟立法，而煙草行業也大力加強節能減排工作，國家煙草專賣總局也發布了《國家煙草專賣局關于貫徹落實國務院打贏藍天保衛戰三年行動計劃的通知》，堅決響應國家號召，工廠緊緊圍繞“卷煙上水平”的基本方針和戰略任務，將節能減排作為轉變經濟增長方式的突破口和實現可持續發展的重要途徑[1]。

1 試驗方法

目前，氮氧化物的生成途徑主要有三條：一是空氣中的N2在高溫下氧化產生NOx，二是由于煤中碳氫化合物高溫分解生成CH 自由基和空氣中N2反應生成HCN 和N 再進一步與O2作用以極快的速度生成NOx，三是煤中含氮化合物在燃燒中與空氣中O2氧化反應生成NOx，為了減少NOx 的生成，需要采取相應措施來減少NOx 生成途徑中所需條件，另外，還需要對生成的NOx 進行吸收減排，而NOx 吸收的難點在于如何將低價態的氮氧化物NO 轉化轉化為高價態的氮氧化物（NO2、N2O5）。因此，試驗主要從兩方面進行，一方面是減少NOx 的生成，另一方面是將生成的NOx 進行吸收。在減少NOx 生成方面，可以采取低煤燃燒實現爐膛溫度降低，減弱氮氧化物生成途徑中所需的高溫，另外，采取減少送風量和二次風量，即減少送入爐膛中空氣量，減少了空氣中N2與O2參與氮氧化物的生成，同時減少了生成氮氧化物途徑中所需的反應物還可以減弱燃燒，降低生成氮氧化物途徑中所需的高溫[2]。在對NOx 吸收方面，由于NOx 吸收的難點在于如何將低價態的NO 氧化成為高價態的氮氧化物（NO2、N2O5），再被溶液吸收。查閱對比幾種強氧化性物質，發現臭氧的氧化能力極強，臭氧的氧化還原電位僅次于氟，比過氧化氫、高錳酸鉀都高。此外，臭氧的反應物是氧氣，不會產生二次污染，所以它是一種高效清潔的強氧化劑，同時制取臭氧的原料是空氣中的O2，運行成本低。所以可以利用臭氧的強氧化性將NOx 中的低價態氮氧化物（NO）氧化為高價態氮氧化物（NO2、N2O5），然后用吸收液（常見的有Ca（OH）2，NaOH 等堿液）將轉化后高價態氮氧化物吸收。

2 試驗過程及結果分析

根據試驗方法，主要從三個方面來進行試驗，分別為：

（1） 通過減少送風量和二次風量，以控制燃燒的方式來減少NOx 的生成量的試驗研究：

試驗2#鍋爐在正常運行工況下，同時減少二次風風量和送風風量，記錄NOx 排放濃度變化，表1 是試驗數據。

表1 2#鍋爐NOx 排放量在不同二次風量和送風量下對比值

從試驗數據可以看出，在二次風和送風變頻都下降的情況下，NOx 的含量下降明顯，因為二次風變頻不能降低到70%以下，再低就會有熄火的風險，所以在二次風下降到70%就保持不變時，繼續減少送風量，從最初的40%減少到28%，含氧量變化不大，但是NOx 折算值由396 mg/ Nm3降低到330 mg/ Nm3，降幅約16%，而蒸汽流量由11.08 t/h 下降到8.18 t/h，下降了2.9 t/h，基本可以保障生產用汽所需。從減少二次風風量和送風風量的試驗來看，在能夠維持生產的條件下，減少二次風量和送風量可以減少NOx 的生成，降低NOx 排放量在17%左右。

（2） 通過添加臭氧作為強氧化劑來減少NOx 的排放濃度的實驗研究：

由于NO 被臭氧氧化的效率受反應溫度、停留時間、O3/NO 摩爾比、吸收液濃度4 個因素的影響，因此，在試驗中，將針對影響臭氧脫硝的四個因素來展開研究。

1 不同反應溫度試驗：

試驗3#鍋爐在不同位置的煙氣排放通道添加高流量：100 Nm3/h、低濃度：24.9 mg/L 的臭氧，記錄相同工況下燃燒穩定后NOx 排放量平均值變化。

試驗是在連續幾天尋找相同負荷條件下進行的，從爐膛溫度上判斷鍋爐燃燒工況雖有輕微波動但波動小可以認定為在保持一致情況下試驗。為方便在不同位置加入點進行試驗，在空預器出口、脫硫塔上進行開孔，并用軟管連接將臭氧引入到指定位置。幾次試驗中，在脫硫塔人孔上添加臭氧效果最好。從試驗數據和圖1 中可以看出添加臭氧后相比未添加臭氧，NOx 排放量都有下降，而隨著添加位置溫度的降低效果更明顯，NOx 折算值下降了33 mg/ Nm3，降幅約為8.7%，這可能與臭氧的熱分解性質有關，雖然都低于150 ℃，臭氧分解量不多，但高于100 ℃時，溫度越高越影響臭氧使用效果[4-5]。

圖1 3#鍋爐煙氣NOX 排放量在不同位置添加臭氧對比值

2 不同停留時間試驗：

在上述溫度試驗中，確定了添加位置在100 ℃以下的脫硫塔人孔效果好，由鍋爐煙氣在線監測數據得出脫硫塔人孔處煙氣的流速在3 m/s 左右，脫硫塔長度大與3 m，氮氧化物中NO 與臭氧反應時間大于1 s，而排煙道出口因為長度更長，且煙氣流速相比脫硫塔人孔處要更低，因此煙氣與臭氧在排煙道出口處的反應時間要遠長于脫硫塔處反應時間，試驗了2#鍋爐在上述兩處位置加加低流量：50 Nm3/h、高濃度：37.9 Mg/l 臭氧，記錄相同工況下燃燒穩定后NOx 排放量平均值變化，表2 是試驗數據。

表2 2#鍋爐煙氣NOX 排放量在不同位置添加臭氧對比值

試驗結果可以看出兩處位置添加臭氧效果一樣，表明反應時間加長了也沒降低氮氧化物排放。O3與NO 生成NO2的反應很快，100 ℃時1 s 內即可達到反應平衡，繼續加大時間對NO2生成影響不大，因此兩處位置添加臭氧效果相同。但因為脫硫塔人孔處添加臭氧，在引風機的吸力下會帶進空氣，長時間運行會導致引送風變頻差過高，從而使引風機長時間處于高負荷工作狀態，增加引風機故障停機風險，而在排煙道出口處沒有其他引送風裝置，靠煙氣自由流動來與臭氧反應，不會影響鍋爐正常運行，在降低氮氧化物排放相同的情況下決定將臭氧添加方式定為——添加在排煙道出口處，尾端加裝吸收液噴灑裝置。

3 不同吸收液濃度試驗：

試驗1#爐NOx 排放量隨停堿液泵和正常啟動堿液泵、手動加高堿液濃度的變化，逐漸提高吸收液中PH 值，記錄NOx 排放量變化，表3是試驗數據。

表3 1#爐煙氣排放量在不同清水池PH 值對比值

試驗是在相同負荷下進行的，期間未對鍋爐燃燒進行過調整，給煤變頻6%，產汽量在10 t/h 左右。從試驗數據可以看出，長時間停堿液泵，清水池PH 值顯酸性，氮氧化物排放濃度折算值都在350 mg/ Nm3以上，正常啟堿液泵當清水池PH 值在7 以上，顯弱堿性時，氮氧化物折算值有5%左右降幅，后續人為倒入150 公斤片堿之后，清水池PH 值瞬間從7.6 升高穩定至11.95，對于NOx 折算值來說，降幅并不明顯，與PH值為7.6 差不多，在避免片堿過度浪費的前提下，添加片堿使清水池PH 值在7 以上，即可對氮氧化物折算值減排起效果，而過高也不能加大對氮氧化物的吸收。

（3） 綜合上述兩個方向試驗找出的最利因素做綜合試驗：

分別試驗三臺鍋爐在保持清水池PH 值在7 以上、給煤為8%的正常工況下，同時降低送風量和降低二次風量到極限值，即送風量變頻為給煤量變頻的3倍、二次風量變頻在70%，以及添加效果最宜濃度臭氧，即在排煙道出口添加低流量50 Nm3/h、高濃度37.9 Mg/l 的臭氧），記錄煙氣中NOx 排放量平均值變化，圖2 是試驗數據對比值。

從圖2 數據可以看出降低送風量和降低二次風量到極限值，同時添加效果最宜濃度臭氧后試驗后，鍋爐燃燒效率降低，雖然降低產蒸汽流量3t/h 左右,但可以保障生產。兩種措施下1# 爐試驗前后NOx 折算值由356 mg/ Nm3降低到272 mg/Nm3，降幅約為26%，2#爐試驗前后NOx 折算值由376 mg/ Nm3降低到263mg/Nm3，降幅約為30%，3# 爐試驗前后NOx 折算值由386 mg/ Nm3降低到270 mg/Nm3，降幅約為30%，采取措施后, NOx折算值都在300 mg/ Nm3以下，遠低于要求400 mg/Nm3。

圖2 不同鍋爐NOx 排放量在試驗前后對比圖

3 結論

本研究通過控制其他無關變量，調整相關量的變化，逐一試驗測定煙氣中氮氧化物排放量的變化，分別多次進行了送風量改變對比試驗、二次風量改變對比試驗、添加臭氧位置改變對比試驗、添加臭氧濃度改變對比試驗等。通過試驗數據對比分析可得出以下結論：

（1） 鍋爐燃燒中降低送風量和二次風量的大小可以實現控制煙氣中NOx 排放量的目的，其中降低極限值為二次風量在變頻值70%，送風量變頻值在給煤變頻值的3 倍左右，降到極限值雖會降低鍋爐的產蒸汽量，但可以保證生產用汽，可以降低煙氣中NOx 的含量約20%。

（2） 鍋爐煙氣中NOx 排放量在加大片堿量后無明顯變化，表明鍋爐煙氣中NOx 大部份含量為難溶于水的NO，控制煙氣中NOx 難點在于控制NO 轉化吸收上。

（3） 在相對溫度較低排煙道出口處添加低流量高濃度的臭氧，加上末端的吸收液噴灑裝置控制煙氣中NOx 排放量效果最好，煙氣中NOx 折算值降幅約為12%。

（4） 在能保障好正常生產前提下，犧牲適當的燃燒效率，綜合前面試驗中降低送風量和二次風量到極限值，同時結合添加最宜濃度臭氧措施，煙氣中NOx 折算值平均降幅可以達到約30%。