燃煤電站鍋爐氮氧化物形成機理及防治措施

曹志偉

【摘 ?要】隨著我國電能供需矛盾的日益激烈，火電作為我國電能的重要組成部分，在國家電力供給中扮演了非常重要的角色。同時火電燃煤也引發(fā)了氮氧化合物排放不斷上升的趨勢。目前，火電廠氮氧化合物排放控制已成為繼二氧化硫之后的又一工作重點，也是當(dāng)今業(yè)界環(huán)保工作開展的焦點。因此，本文通過分析火電廠氮氧化合物的形成機理，對其排放控制策略進行了探討分析，旨在為相關(guān)工作者提供一定的理論參考。

【關(guān)鍵詞】火力發(fā)電;氮氧化物;形成機理;防治措施

國家在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型社會的同時也越來越注意到能源消耗對環(huán)境帶來的污染問題。根據(jù)目前能源的供應(yīng)情況來看，我國將在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)繼續(xù)維持目前“以煤為主”的能源結(jié)構(gòu)。煤的燃燒是目前我國大氣污染的主要來源，而燃煤電站鍋爐氮氧化物污染所占比重又最大，因此降低燃煤電站鍋爐氮氧化物污染物排放的研究具有重要的意義。

一、氮氧化物的環(huán)境污染

氮氧化物（NOx）是氮元素與氧元素結(jié)合后產(chǎn)生的化合物，包括N2O、NO、NO2等，除二氧化氮之外，其余的氮氧化物都非常不穩(wěn)定，在光熱環(huán)境下會發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。氮氧化物或多或少都具備一定的毒性，不僅會危害人體健康，對于環(huán)境也有著非常嚴(yán)重的污染和影響。首先，氮氧化物會吸收大氣層中的紫外光和可見光，與某些碳氫化合物反應(yīng)后，生成臭氧、烷基以及硝基化合物等，這些生成物混合在一起，呈現(xiàn)出煙霧的形態(tài)，被稱為光化學(xué)煙霧。這種煙霧會刺激人的眼睛，影響植物的正常生長，還會導(dǎo)致大氣能見度的下降，給社會生產(chǎn)以及人們的日常生活帶來不便。其次，氮氧化物會與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)，生成硝酸和亞硝酸，這是酸雨的主要成分，酸雨不僅會嚴(yán)重影響作物的生長，還會腐蝕建筑，威脅人們的身體健康。然后，氮氧化物會導(dǎo)致臭氧的減少，削弱其對于紫外線的防護作用，從而引發(fā)各種各樣的環(huán)境問題。因此，對廢氣中氮氧化物的含量進行有效控制，是非常必要的。

二、氮氧化物的生成機理

在氮氧化物（NOx）中NO占90%以上，NO2占5～10%，煤燃燒過程中產(chǎn)生的NOx有三種類型，即熱力型、燃料型和快速型。

熱力型NOx是燃燒空氣中的氮在高溫下氧化而成，隨著反應(yīng)溫度的升高而增加。主要影響因素有燃燒反應(yīng)的溫度、氧氣濃度和反應(yīng)時間。

燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進一步氧化而生成，氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx生成量占60～80%。同時還存在NO的還原反應(yīng)，NOx的生成和還原與燃燒溫度、氧的濃度有關(guān)外還與煤的特性、煤中氮化物的存在狀態(tài)等相關(guān);

快速型NOx主要是指燃料中的碳氫化合物在燃料濃度較高區(qū)域燃燒時所產(chǎn)生的烴與燃燒空氣中的N2分子發(fā)生反應(yīng)，形成的CN、HCN，繼續(xù)氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要產(chǎn)生于碳氫化合物含量較高、氧濃度較低的富燃料區(qū)，多發(fā)生在內(nèi)燃機的燃燒過程。而在燃煤鍋爐中，其生成量很小。

根據(jù)以上三種NOx的生成機理可知，NOx的生成主要與火焰中的最高溫度、氧和氮的濃度以及氣體在高溫下停留時間等因素有關(guān)。在實際工作中，可采用降低火焰最高溫度區(qū)域的溫度、減少過量空氣等措施，降低NOx的生成量。

三、燃煤電站鍋爐氮氧化物的防治措施

3.1抑制爐內(nèi)NO的生成

對熱力NO而言，根據(jù)其生成機理，當(dāng)降低氧濃度、降低溫度、縮短高溫區(qū)域停留時間或降低氮濃度時，生成熱力NO的反應(yīng)條件發(fā)生變化，活化能降低或反應(yīng)物濃度不夠造成反應(yīng)難以向著生成NO的方向進行，從而達到抑制熱力NO生成的目的。具體來說，根據(jù)降低氧濃度的原理抑制熱力NO生成的方法主要有煙氣再循環(huán);根據(jù)降低溫度的原理抑制熱力NO生成的方法主要有向火焰中噴水汽化吸熱、流化床燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)、分級燃燒、濃淡燃燒、催化燃燒等方法;根據(jù)降低氮濃度的原理抑制熱力NO生成的方法主要是純氧燃燒;此外，在分級燃燒條件下，停留時間也得到縮短。

3.2空氣分級燃燒

空氣分級燃燒這項技術(shù)發(fā)展成熟，被采用的也很多。這種方法的原理是，把燃燒的過程分成幾個進程，第一步是控制主燃燒器中的空氣流量，空氣進入爐膛的時候留下四分之一左右，這個值是理論總量的五分之一左右，此時燃料的燃燒得不到充分的氧氣，氮氧化物產(chǎn)生量自然也不多。之前剩余下來的空氣在燃料不完全燃燒完成后通過主燃燒器頂端的空氣輸送口進入爐膛，與燃燒后的煙氣混合再次燃燒，最終燃料還是完全燃燒了，可是氮氧化物因產(chǎn)生條件不足導(dǎo)致產(chǎn)生量減少。這種方法的優(yōu)點是在成功率高，經(jīng)過一次分級燃燒，氮氧化物的排放量可以減少三成，并且在降低排放物的同時還可以促進燃料的完全燃燒。

3.3燃料分級燃燒

燃料分級燃燒的原理來自于氮氧化物的化學(xué)特征，氮氧化物與烴基加上一氧化碳、氫氣、碳等在一定條件下，發(fā)生反應(yīng)變回氮氣。根據(jù)這一特征，可以將大部分的燃料導(dǎo)入一級燃燒區(qū)，在充分燃燒的情況下產(chǎn)生氮氧化物，剩下少量的燃料導(dǎo)入二級燃燒區(qū)，在不充分燃燒的情況下生成上述還原能力很強的氣體，然后再將這兩股氣體混合使其反應(yīng)產(chǎn)生氮氣。這種方法的優(yōu)點是效率非常高，一次反應(yīng)可以使排放量降低一半左右，并且通過反應(yīng)還可以起反饋作用，抑制氮氧化物的再生。燃料分級燃燒與空氣分級燃燒相比可以獲得更好的的清除效果，但這是建立在更難操作的前提下，組織好燃燒過程，對于燃料分級燃燒是至關(guān)重要的。

3.4煙氣循環(huán)

煙氣再循環(huán)同樣是降低氮氧化物含量的重要技術(shù)措施，其基本原理，是在鍋爐空氣預(yù)熱器前，抽取一部分低溫?zé)煔?，直接送入到鍋爐內(nèi)，或者與一次風(fēng)、二次風(fēng)混合后送入到鍋爐內(nèi)，降低燃燒溫度和氧氣濃度，從而起到降低氮氧化物含量的效果。不過，煙氣循環(huán)技術(shù)需要對現(xiàn)有的鍋爐設(shè)備進行改造，成本相對較高，而且需要在進行安全性與經(jīng)濟性的比較后，才能夠決定是否實施。

3.5旋轉(zhuǎn)合適的高效催化劑

常用的催化劑有金屬氧化物、某些特殊復(fù)合氧化物以及特定條件下的分子篩這幾種。高效催化法的優(yōu)點是工作條件簡單，投入成本低，前景被很多專家看好。這項技術(shù)已經(jīng)被研究了很長時間，但科學(xué)家們對進展仍然不滿意，原因是目前的催化劑效果不是很高效，與理論所達到的要求還有不小的差距。尋找更好更高效的催化劑已經(jīng)成為現(xiàn)階段催化分解法研究的重點，另外還可以期許有突破的地方是工藝過程可以得到改進，相信憑著工作者對這項方法的投入，將來一定會更加完善，并成為清除氮氧化物的最主流方法。

四、結(jié)語

燃煤氮氧化物控制在國內(nèi)外得到廣泛研究，針對NOx來源或生成機理，很多學(xué)者提出了燃燒前后相應(yīng)的抑制NOx生成或控制NOx排放的原理和方法，并在此基礎(chǔ)上形成相關(guān)控制NOx排放的工業(yè)技術(shù)。目前，我國脫硝技術(shù)尚未得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，呼吁我國出臺相關(guān)政策，鼓勵燃煤電站進行脫硝改造，以應(yīng)對日趨嚴(yán)格的國際環(huán)保要求。

參考文獻：

[1]吳忠良.鍋爐低氮燃燒運行中遇到的問題及防范措施[J].科學(xué)家，2016，4（1）：43-43.

[2]曹瑞.火電廠鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)發(fā)展[J].建材與裝飾，2017（7）.

[3]胡長淳.燃煤工業(yè)鍋爐氮氧化物污染防治技術(shù)路線[J].化工管理，2017（18）.

（作者單位：山西大唐國際云岡熱電有限責(zé)任公司）