馬方 羅賢壽

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院三明分院 福建三明 365000）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，與此同時(shí)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的破壞。 為降低工業(yè)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，國(guó)家不斷推廣清潔能源，鼓勵(lì)工業(yè)鍋爐煤改氣，極大地降低了SO2和顆粒物的排放。 氮氧化物（NOx）為天然氣燃燒過程中主要的污染物，因此控制NOx排放可使燃天然氣鍋爐更加的環(huán)保。 為減少燃?xì)忮仩tNOx 的排放，大量鍋爐采取低氮技術(shù)。 由于具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能的特性，冷凝式燃?xì)忮仩t在實(shí)際運(yùn)用中得到了推廣， 在冷凝水回收過程中對(duì)于NOx 的排放控制也具有一定的效果。

1 NOx 生成規(guī)律

NOx 分為熱力型NOx、 快速型NOx 以及燃料型NOx 3種。 其中，熱力型NOx 主要由空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠? 500 ℃以上高溫的環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)生成的NOx。 隨著溫度的升高，NOx 的生成率成倍數(shù)的增長(zhǎng)。 燃?xì)忮仩t在實(shí)際燃燒過程中，較容易出現(xiàn)燃燒室的局部高溫，因此，燃?xì)忮仩t煙氣中的主要NOx 類型為熱力型。 而快速型NOx 是由于燃料在富氧的燃燒狀況下生成的NOx， 而燃料型NOx 由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，通常在富燃料（氧濃度相對(duì)較低）的情況下產(chǎn)生。 由于燃?xì)忮仩t的氣體燃料與空氣混合均勻，因此快速性NOx 和燃料型NOx 均不易產(chǎn)生。

NOx 主要為NO 和NO2，NO2主要通過NO 與HO2的反應(yīng)生成，NO2分解后又生成NO，NO2的生成不會(huì)顯著影響燃燒過程總NOx 的排放。

2 冷凝式余熱回收裝置對(duì)NOx 的理論凈化效果

2.1 NOx 在冷凝水的溶解和反應(yīng)過程

鍋爐廢氣中氮氧化物中NO 含量較多，NO2含量相對(duì)較少。 NO 在水中溶解度低，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究，當(dāng)排煙溫度為25～40 ℃，且過量空氣系數(shù)為1.0～1.4 時(shí)，冷凝水對(duì)NO 的吸收率為2.8%～8.6%［1］。 而NO2在水中溶解度較高，溶解后形成硝酸和亞硝酸水溶液。

2.2 NOx 在冷凝水中理論吸收量的計(jì)算

煙氣冷凝水由于與鍋爐廢氣中的NOx 氣體接觸， 產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)以及物理溶解，最后部分氣體會(huì)被冷凝水帶走，實(shí)際排到大氣中的NOx 含量低于燃燒產(chǎn)生的NOx 含量， 冷凝水對(duì)NOx 最大吸收量的計(jì)算公式［1］如式（1）：

式中：mls（tp）為排煙溫度為tp時(shí)理論冷凝水質(zhì)量，g；s（tp）為排煙溫度為tp時(shí)NOx 的溶解度，g/g 水；M 為NOx 的摩爾 質(zhì)量，g/mol；C 為NOx 的吸收量體積溶度，m3/m3；Vy為煙氣體積，m3。

結(jié)合中海福建天然氣的成分， 煙氣中水蒸氣體積含量公式如式（2）～（4）［3］：

式中：a 為過量空氣系數(shù)；da為空氣含濕量，kg/m3（標(biāo)態(tài)）。

由式（2）可計(jì)算冷凝水的質(zhì)量計(jì)算公式如式（3）：

式中：φ 為冷凝率。

整理公式（1）～（3）可知：

由式（4）可知，冷凝水對(duì)NOx 的吸收量體積溶度C 與NOx溶解度S（tp）成正比，與冷凝率φ 成正比，隨著空氣濕度的上升NOx 的吸收量會(huì)上升。

3 鍋爐運(yùn)行控制參數(shù)對(duì)NOx 吸收的影響

根據(jù)公式（1），NOx 吸收率與冷凝率成正比。 根據(jù)文獻(xiàn)［2］的研究， 過量空氣系數(shù)和排煙溫度作為鍋爐最重要的控制參數(shù)， 對(duì)煙氣水蒸氣冷凝率有著重要的影響， 因此也將影響到NOx 的吸收效果。 尤其是過量空氣系數(shù)，不僅影響了煙氣冷凝水量，同時(shí)，過量空氣系數(shù)過高會(huì)提高參與反應(yīng)中的氧氣量，對(duì)快速性NOx 的生成有一定的影響。

3.1 過量空氣系數(shù)對(duì)NO 產(chǎn)生和排放的影響

NO 在鍋爐燃燒過程中的生成是復(fù)雜的，由于過量空氣系數(shù)直接決定了參與燃燒反應(yīng)中的氧氣以及氮?dú)獾某煞直龋虼?，過量空氣系數(shù)會(huì)對(duì)NO 的生成產(chǎn)生影響。 文獻(xiàn)［1］給出了CNO與過量空氣系數(shù)a 的經(jīng)驗(yàn)公式：

由式（5）可知，NO 的產(chǎn)生隨著空氣過量系數(shù)的增加而減少。

3.2 過量空氣系數(shù)對(duì)NOx 的吸收溶度的影響

由于過量空氣系數(shù)對(duì)冷凝率有一定的影響， 由道爾頓定律可知，隨著過量空氣系數(shù)的上升，同等情況下，水蒸氣分壓降低，水蒸氣的露點(diǎn)溫度也隨之降低，因此NOx 的吸收量體積溶度與過量空氣的關(guān)系較為復(fù)雜。 隨著過量空氣系數(shù)的增加，水蒸氣的露點(diǎn)溫度也隨之降低。 由相關(guān)研究數(shù)據(jù)整理出排煙溫度、過量空氣系數(shù)與冷凝率的關(guān)系如圖1。

圖1 排煙溫度、過量空氣系數(shù)與冷凝率的關(guān)系［3］

結(jié)合圖1 和公式（4）可知，在排煙溫度低于露點(diǎn)溫度的情況下，由于空氣中的水分的存在，過量空氣系數(shù)的提高，會(huì)提高煙氣中的水蒸氣體積， 但過量空氣系數(shù)的提高會(huì)顯著降低煙氣中水蒸氣的冷凝率。 由圖1 可知，在相同排煙溫度下，過量空氣系數(shù)對(duì)煙氣水蒸氣冷凝率的影響并不顯著。 因此，過量空氣系數(shù)波動(dòng)不大的情況下， 對(duì)煙氣水蒸氣冷凝量的影響不明顯，從而對(duì)NOx 的吸收量產(chǎn)生的影響也是有限的。

3.3 排煙溫度對(duì)NOx 排放及吸收的影響

3.3.1 排煙溫度影響冷凝水的生成量

由圖1 可知，排煙溫度對(duì)水蒸氣的冷凝率影響較大，尤其當(dāng)排溫溫度較高時(shí)，冷凝水生成率較低甚至為零，故而排煙溫度的升高會(huì)顯著影響冷凝水對(duì)NOx 的吸收。

3.3.2 排煙溫度對(duì)NOx 溶解度的影響

隨著排煙溫度的升高，NOx 的溫度以及冷凝水的溫度都會(huì)隨之升高， 由于當(dāng)壓強(qiáng)一定時(shí)氣體的溶解度會(huì)隨著溫度的降低而升高。 基于上述情況，當(dāng)排煙溫度低于冷凝溫度時(shí)，排煙溫度越低，冷凝水對(duì)NOx 的吸收率越高。

同時(shí)， 當(dāng)鍋爐輸入熱量高于單位時(shí)間內(nèi)煙氣與鍋爐介質(zhì)換熱量時(shí)， 可能引起爐膛溫度超高以及鍋爐排煙溫度過高的情況， 將導(dǎo)致冷凝水無法生成以及由于爐膛溫度過高增加熱力型NOx 的生成量，從而使鍋爐煙氣NOx 的大量排放。

4 總結(jié)

（1）冷凝式鍋爐的冷凝水對(duì)NOx 排放的減少量隨著排煙溫度的升高而減少，隨著空氣過量系數(shù)的增大而減少。 因此在鍋爐運(yùn)行過程中控制好排煙溫度以及過量空氣系數(shù)可有效地提高冷凝式鍋爐的NOx 減排的減排效果。

（2）由于NO2具有易溶于水的特征，NO2的吸收率極高，因此采用“燃燒器分級(jí)燃燒+煙氣再循環(huán)”的低氮燃燒方式可使部分NO 轉(zhuǎn)化為NO2， 從而提高冷凝水NOx 的吸收率， 減少NOx 的排放［4］。

（3）本文在分析過程中，未考慮冷凝器的結(jié)構(gòu)型式。 因不同冷凝器在冷凝水生成的過程中， 冷凝水與煙氣的接觸表面積不同，煙氣中NOx 的吸收量也有所不同。由于本文在研究過程中假定煙氣與冷凝水充分接觸， 因此冷凝器的結(jié)構(gòu)形式及其煙氣與冷凝水接觸對(duì)NOx 減排的影響有待進(jìn)一步的研究。