基于脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的鍋爐氮氧化物排放控制

李朝戩 鄭 鍇 張文博 王二超

（國(guó)能（連江）港電有限公司，福建 福州 350512）

我國(guó)空氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其到了冬季，霧霾等災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生，不僅影響萬(wàn)千人民群眾的身體健康，甚至影響社會(huì)的穩(wěn)定性。當(dāng)前，我國(guó)空氣污染的主要原因就是燃煤污染，為滿足各行各業(yè)的供電需求，我國(guó)電網(wǎng)應(yīng)用了大規(guī)模的燃煤機(jī)組，日常發(fā)電過(guò)程中排放大量煙塵與氮氧化物等污染物，雖然大部分燃煤機(jī)組均設(shè)置電除塵器，可以控制鍋爐粉塵排放，但是控制氮氧化物排放問(wèn)題還沒(méi)有解決。氮氧化物是大氣污染物的關(guān)鍵成分，一方面對(duì)人類呼吸道、眼睛等器官具有一定刺激作用，易引發(fā)支氣管炎等疾?。涣硪环矫?，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有破壞作用，易造成酸雨、溫室效應(yīng)等自然災(zāi)害，所以對(duì)鍋爐氮氧化物排放進(jìn)行嚴(yán)格控制刻不容緩。時(shí)至今日，我國(guó)在鍋爐氮氧化物排放控制中進(jìn)行大量的煙氣脫硝研究，雖然傳統(tǒng)SCR 等脫硝法已經(jīng)基本成熟，其脫硫效率較高，但是這種煙氣脫硝法易受溫度窗口等因素限制，在實(shí)際的中小型鍋爐氮氧化物排放控制中，其脫硝效果較差，鍋爐氮氧化物仍超標(biāo)排放。因此，該文研究鍋爐氮氧化物排放控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 確定鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理

當(dāng)前，我國(guó)鍋爐排放的污染物主要包括氮氧化物與硫化物，該文主要以氮氧化物為對(duì)象，研究其排放控制技術(shù)，首先需要確定鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理[1]。當(dāng)煤在鍋爐中燃燒時(shí)，生成的主要附屬產(chǎn)品就是氮氧化物，不僅對(duì)人體健康威脅極大，甚至?xí)T發(fā)酸雨、霧霾等自然災(zāi)害，對(duì)鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理來(lái)說(shuō)，業(yè)界看法一致，也就是在鍋爐燃燒過(guò)程中，氮氧化物生成途徑包括快速型、熱力型及燃料型[2]。其中，熱力型氮氧化物就是由助燃空氣中氮?dú)夂脱鯕庠诟邷叵掳l(fā)生的氧化反應(yīng)所生成的，其反應(yīng)方程式如公式（1）所示。

式中：N2為氮?dú)?；O2為氧氣；NO 為一氧化氮；NO2為二氧化氮。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鍋爐燃燒溫度小于1600℃時(shí)，幾乎檢測(cè)不到NO，這是因?yàn)樵谳^低溫度下，燃料和空氣的反應(yīng)條件并不足以生成大量的NO。隨著鍋爐燃燒溫度升高，NO 的生成速率會(huì)增加。這是因?yàn)楦叩臏囟忍峁┝烁嗟幕罨?，使氮分子和氧分子更容易發(fā)生碰撞和反應(yīng)。因此，在高溫條件下，尤其是當(dāng)燃燒溫度超過(guò)1600℃時(shí)，鍋爐中會(huì)明顯產(chǎn)生更多的NO。

燃料型氮氧化物主要以氮的環(huán)狀形式存在，其生成機(jī)理如下：當(dāng)煤在鍋爐中燃燒時(shí)，氮有機(jī)化合物會(huì)分解成氰、氨等中間產(chǎn)物，然后再揮發(fā)形成氮化物，如圖1 所示。

圖1 燃料型氮氨化物生成機(jī)理示意圖

在燃燒初期：當(dāng)煤或其他含有氮的燃料在鍋爐或燃燒設(shè)備中燃燒時(shí)，高溫和氧氣的存在使N2和O2發(fā)生反應(yīng)生成NO；在快速氧化階段：隨著燃燒過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，在高溫下，NO 會(huì)被空氣中的氧氣進(jìn)一步氧化為O2；氧化還原循環(huán)：在燃燒過(guò)程中，NO 和NO2之間會(huì)發(fā)生氧化還原循環(huán)。在高溫狀態(tài)下，NO 與燃燒中產(chǎn)生的碳?xì)浠衔锵嗷プ饔?，形成較穩(wěn)定的氮化物（如氰化物和氨）。這些氮化物有時(shí)也會(huì)被迅速氧化為一氧化氮和二氧化氮。

快速型氮氧化物[3]就是在煤燃燒過(guò)程中反應(yīng)區(qū)附近快速生成的物質(zhì)，其在鍋爐排放物中所占比例極小，所以該文主要針對(duì)鍋爐燃燒生成的熱力型與燃料型氮氧化物排放控制做進(jìn)一步研究，不探討快速型氮氧化物的排放控制。

2 獲取鍋爐氮氧化物排放的影響因素

在制定鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)前，還需找到影響氮氧化物排放量的因素[4]。根據(jù)前文內(nèi)容可知，鍋爐氮氧化物主要是由燃料熱分解后，被氧化所生成的，所以影響氮氧化物排放量的第一個(gè)主要因素就是燃料成分[5]，當(dāng)前，我國(guó)煤按照揮發(fā)分的大小可以分為無(wú)煙煤、貧煤、煙煤與褐煤等，見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)動(dòng)力用煤分類

表1 中的每種煤的自身含氮量存在較大差別，再加上其燃燒特性也不一致，所以不同燃料成分所生成的氮氧化物各不相同，與其配套的排放濃度也存在一定區(qū)別，在控制鍋爐氮氧化物排放濃度的過(guò)程中，可以匹配煤種來(lái)減少氮氧化物排放。同時(shí)，在鍋爐燃燒過(guò)程中，燃料型氮氧化物的排放與過(guò)量空氣系數(shù)有關(guān)，通常來(lái)說(shuō)，過(guò)量空氣系數(shù)越大，鍋爐的爐膛內(nèi)燃燒越充分，氮氧化物生成量越大，所以鍋爐氮氧化物排放濃度隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加而增大，在控制氮氧化物排放的過(guò)程中可以降低過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)減少排放濃度。最后，鍋爐氮氧化物排放濃度與二次風(fēng)之間具有強(qiáng)相關(guān)性[6]，二次風(fēng)主要通過(guò)空氣預(yù)熱器送入鍋爐的爐膛內(nèi)，通常二次風(fēng)溫度越高，爐膛內(nèi)溫度越高，此時(shí)，熱力型的氮氧化物生成量越大，其排放濃度越大。所以鍋爐氮氧化物排放濃度與二次風(fēng)溫度呈正相關(guān)，可以通過(guò)控制二次風(fēng)來(lái)控制鍋爐氮氧化物的排放。

3 鍋爐氮氧化物排放控制

3.1 煙氣脫硝

根據(jù)鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理與影響因素，該文決定采用煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)行氮氧化物的排放控制。一般來(lái)說(shuō)，煙氣脫硝技術(shù)主要包括干法與濕法，該文綜合考慮溫度窗口限制與脫硝率等因素，采用NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)來(lái)降低氮氧化物排放濃度[7]。

NaClO2是一種高效氧化劑，在水中具有極高的溶解性，所以NaClO2濕法氧化脫硝就是以NaClO2作為吸收液，當(dāng)鍋爐尾氣通過(guò)吸收液時(shí)，NaClO2溶液就會(huì)吸收氮氧化物，達(dá)到脫硝的目的，且該技術(shù)適用于不同類型的鍋爐，具有較好的適應(yīng)性。與選擇性催化還原（SCR）技術(shù)相比，NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)無(wú)須用氨氣作為還原劑，因此操作和管理相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低。因此，采用NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)[8]控制鍋爐氮氧化物排放。

那么鍋爐氮氧化物排放控制時(shí)發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)方程式如公式（3）所示。

式中：NaClO2為亞氯酸鈉；H2O 為水；HNO3為硝酸；NaCl為氯化鈉。

如公式（3）所示，反應(yīng)原理如下：當(dāng)利用NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)進(jìn)行鍋爐煙氣脫硝處理時(shí)，NaClO2可以將不溶于水的氮氧化物NO，轉(zhuǎn)換為易溶于水的HNO3與NaCl，從而被吸收，以達(dá)到降低鍋爐氮氧化物排放濃度的目的。

3.2 脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)

綜上所述，NaClO2濕法氧化脫硝是一個(gè)較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，雖然該技術(shù)可以將難溶于水的氮氧化物氧化為易溶于水物質(zhì)[9]，但是脫硝過(guò)程易受pH 條件的影響，如果是在酸性條件下進(jìn)行脫硝，可能會(huì)有HCl、Cl2等氣體生成，這類氣體屬于氣態(tài)污染物，同樣會(huì)對(duì)大氣造成污染，所以在實(shí)際鍋爐氮氧化物排放控制中，該文引入脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)氮氧化物脫硝后生成的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判定污染物排放是否達(dá)標(biāo)。在進(jìn)行脫硝之前，需要對(duì)鍋爐脫硝前的排放濃度進(jìn)行測(cè)量，并安裝合適的氮氧化物測(cè)量設(shè)備，采用相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行采樣和分析。表2 為鍋爐氮氧化物脫硝后監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法。

表2 鍋爐氮氧化物脫硝后監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與方法

在鍋爐實(shí)際燃燒過(guò)程中，按照表2 內(nèi)容分別對(duì)氮氧化物脫硝前后的煙氣成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)GB—13271 中的規(guī)定，對(duì)已進(jìn)行脫硝處理的鍋爐，需要根據(jù)脫硝效率和不同鍋爐類型計(jì)算折算后的排放濃度。折算公式如公式（4）所示。

式中：Q0為折算后鍋爐脫硝二次氣態(tài)污染物基準(zhǔn)氧含量排放濃度；Q1為實(shí)測(cè)的鍋爐脫硝二次氣態(tài)污染物排放濃度；L1（O2）、L2（O2）分別為基準(zhǔn)與實(shí)測(cè)氧含量。

與此同時(shí)，采用脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以計(jì)算鍋爐氮氧化物的脫硝效率，如公式（5）所示。

式中：γ為鍋爐氮氧化物脫硝效率；Q2為脫硝前鍋爐氮氧化物排放濃度。

綜上所述，該文采用NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)降低鍋爐氮氧化物排放濃度，并在控制過(guò)程中，基于脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，獲得脫硝后鍋爐二次氣態(tài)污染物排放濃度以及脫硝效率，從而判定NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)是否可以控制鍋爐氮氧化物的排放。

4 實(shí)例分析

4.1 鍋爐基本情況

為了驗(yàn)證該文基于脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的鍋爐氮氧化物排放控制研究性能，進(jìn)行試驗(yàn)。某熱電廠的二期煤機(jī)#1～#6 采用超高壓且?guī)эw灰復(fù)燃裝置的塔式直流鍋爐，型號(hào)為WGZ-830-560/232，其主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 WGZ-830-560/232 鍋爐主要參數(shù)

在鍋爐燃燒過(guò)程中，首先，煙氣會(huì)經(jīng)過(guò)爐膛的排渣室與燃燼室這2 個(gè)部分，其中排渣室布置了銷釘式水冷壁，，使排渣更順暢，避免出現(xiàn)堵渣口等事故，其高度×寬度×深度為15.86m×6.24m×16.02m；燃燼室布置鰭片式螺旋水冷壁，高度×寬度×深度為38.1m×7.5m×12m。然后，煙氣由燃燼室進(jìn)入尾部煙道，通過(guò)煙塔排入大氣中。在進(jìn)行鍋爐氮氧化物排放控制前，需要在6 臺(tái)煤機(jī)鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)鍋爐出口排放的氮氧化物濃度進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)鍋爐布置4 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，所得具體檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 鍋爐排放的氮氧化物濃度檢測(cè)值

從表4 中可以看出，#1 鍋爐的氮氧化物平均排放濃度為670mg/m3，#2 鍋爐的平均排放濃度為844mg/m3，#3 鍋爐的平均排放濃度為854mg/m3，#4 鍋爐的平均排放濃度為559mg/m3，#5 鍋爐的平均排放濃度為659mg/m3，#6 鍋爐的平均排放濃度為752mg/m3。根據(jù)我國(guó)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》可知，10t/h以上的燃煤與燃?xì)忮仩t的氮氧化物排放限值為400mg/ m3，而上述鍋爐實(shí)際排放的氮氧化物濃度均超過(guò)限制，所以需要采用該技術(shù)進(jìn)行控制。

4.2 排放控制效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)的優(yōu)越性，選用常規(guī)SCR 脫硝技術(shù)與常規(guī)SNCR 脫硝技術(shù)與該文設(shè)計(jì)技術(shù)一起對(duì)#1～#6 鍋爐的氮氧化物排放進(jìn)行控制。在各技術(shù)控制后，采用同樣的方法檢測(cè)各鍋爐出口排放的氮氧化物濃度，并分別統(tǒng)計(jì)各鍋爐氮氧化物排放濃度的平均值，詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 控制后鍋爐氮氧化物排放濃度對(duì)比

由圖2 可知，經(jīng)過(guò)以上3 種技術(shù)控制后的鍋爐氮氧化物排放濃度均有所下降，且該文設(shè)計(jì)控制技術(shù)下氮氧化物排放濃度下降最明顯，各鍋爐氮氧化物排放濃度平均下降428mg/m3，較常規(guī)控制技術(shù)增加了36mg/m3、26mg/m3。由此可以說(shuō)明，采用該技術(shù)后，鍋爐氮氧化物排放濃度大幅降低，且排放限值小于400mg/m3，該技術(shù)可以成功控制鍋爐煙氣達(dá)標(biāo)排放。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)大氣污染日益嚴(yán)重，控制鍋爐氮氧化物排放已經(jīng)成為火電廠的重點(diǎn)工作，所以該文研究一種基于脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)的鍋爐氮氧化物排放控制技術(shù)，該文在獲取鍋爐氮氧化物生成機(jī)理與影響因素的基礎(chǔ)上，采用NaClO2濕法氧化脫硝技術(shù)降低鍋爐氮氧化物的排放濃度，并利用脫硝污染物全過(guò)程監(jiān)測(cè)技術(shù)判定鍋爐排放物是否達(dá)標(biāo)，最后該文通過(guò)實(shí)例證明了設(shè)計(jì)技術(shù)的有效性與合理性，經(jīng)過(guò)該技術(shù)控制后鍋爐氮氧化物排放濃度大幅下降，且小于400mg/m3。該研究對(duì)我國(guó)環(huán)保事業(yè)的開(kāi)展有一定的借鑒意義。