李朝戩 鄭 鍇 張文博 王二超

（國能（連江）港電有限公司，福建 福州 350512）

我國空氣污染問題日益嚴(yán)重，尤其到了冬季，霧霾等災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生，不僅影響萬千人民群眾的身體健康，甚至影響社會的穩(wěn)定性。當(dāng)前，我國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，我國電網(wǎng)應(yīng)用了大規(guī)模的燃煤機(jī)組，日常發(fā)電過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題還沒有解決。氮氧化物是大氣污染物的關(guān)鍵成分，一方面對人類呼吸道、眼睛等器官具有一定刺激作用，易引發(fā)支氣管炎等疾病；另一方面，對生態(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，所以對鍋爐氮氧化物排放進(jìn)行嚴(yán)格控制刻不容緩。時至今日，我國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)實意義。

1 確定鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理

當(dāng)前，我國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，生成的主要附屬產(chǎn)品就是氮氧化物，不僅對人體健康威脅極大，甚至?xí)T發(fā)酸雨、霧霾等自然災(zāi)害，對鍋爐氮氧化物的生成機(jī)理來說，業(yè)界看法一致，也就是在鍋爐燃燒過程中，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氣和氧氣在高溫下發(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為氮氣；O2為氧氣；NO 為一氧化氮；NO2為二氧化氮。

一般來說，當(dāng)鍋爐燃燒溫度小于1600℃時，幾乎檢測不到NO，這是因為在較低溫度下，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 的生成速率會增加。這是因為更高的溫度提供了更多的活化能，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1600℃時，鍋爐中會明顯產(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，氮有機(jī)化合物會分解成氰、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，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：隨著燃燒過程繼續(xù)進(jìn)行，在高溫下，NO 會被空氣中的氧氣進(jìn)一步氧化為O2；氧化還原循環(huán)：在燃燒過程中，NO 和NO2之間會發(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衔锵嗷プ饔茫纬奢^穩(wěn)定的氮化物（如氰化物和氨）。這些氮化物有時也會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主要因素就是燃料成分[5]，當(dāng)前，我國煤按照揮發(fā)分的大小可以分為無煙煤、貧煤、煙煤與褐煤等，見表1。

表1 我國動力用煤分類

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程中，可以匹配煤種來減少氮氧化物排放。同時，在鍋爐燃燒過程中，燃料型氮氧化物的排放與過量空氣系數(shù)有關(guān)，通常來說，過量空氣系數(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量空氣系數(shù)增加而增大，在控制氮氧化物排放的過程中可以降低過量空氣系數(shù)來減少排放濃度。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，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)，可以通過控制二次風(fēng)來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。一般來說，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)鍋爐尾氣通過吸收液時，NaClO2溶液就會吸收氮氧化物，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)無須用氨氣作為還原劑，因此操作和管理相對簡單，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，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 脫硝污染物全過程監(jiān)測

綜上所述，NaClO2濕法氧化脫硝是一個較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，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，可能會有HCl、Cl2等氣體生成，這類氣體屬于氣態(tài)污染物，同樣會對大氣造成污染，所以在實際鍋爐氮氧化物排放控制中，該文引入脫硝污染物全過程監(jiān)測技術(shù)，對氮氧化物脫硝后生成的氣體進(jìn)行監(jiān)測，從而判定污染物排放是否達(dá)標(biāo)。在進(jìn)行脫硝之前，需要對鍋爐脫硝前的排放濃度進(jìn)行測量，并安裝合適的氮氧化物測量設(shè)備，采用相應(yīng)的監(jiān)測方法進(jìn)行采樣和分析。表2 為鍋爐氮氧化物脫硝后監(jiān)測項目與方法。

表2 鍋爐氮氧化物脫硝后監(jiān)測項目與方法

在鍋爐實際燃燒過程中，按照表2 內(nèi)容分別對氮氧化物脫硝前后的煙氣成分進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)GB—13271 中的規(guī)定，對已進(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為實測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)與實測氧含量。

與此同時，采用脫硝污染物全過程監(jiān)測技術(shù)，可以計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，并在控制過程中，基于脫硝污染物全過程監(jiān)測技術(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 實例分析

4.1 鍋爐基本情況

為了驗證該文基于脫硝污染物全過程監(jiān)測技術(shù)的鍋爐氮氧化物排放控制研究性能，進(jìn)行試驗。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，型號為WGZ-830-560/232，其主要參數(shù)見表3。

表3 WGZ-830-560/232 鍋爐主要參數(shù)

在鍋爐燃燒過程中，首先，煙氣會經(jīng)過爐膛的排渣室與燃燼室這2 個部分，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 臺煤機(jī)鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，對鍋爐出口排放的氮氧化物濃度進(jìn)行檢測，每個鍋爐布置4 個檢測點，所得具體檢測數(shù)據(jù)見表4。

表4 鍋爐排放的氮氧化物濃度檢測值

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《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，而上述鍋爐實際排放的氮氧化物濃度均超過限制，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)一步驗證該文設(shè)計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)計技術(shù)一起對#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各鍋爐出口排放的氮氧化物濃度，并分別統(tǒng)計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比

由圖2 可知，經(jīng)過以上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

隨著我國大氣污染日益嚴(yán)重，控制鍋爐氮氧化物排放已經(jīng)成為火電廠的重點工作，所以該文研究一種基于脫硝污染物全過程監(jiān)測技術(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程監(jiān)測技術(shù)判定鍋爐排放物是否達(dá)標(biāo)，最后該文通過實例證明了設(shè)計技術(shù)的有效性與合理性，經(jīng)過該技術(shù)控制后鍋爐氮氧化物排放濃度大幅下降，且小于400mg/m3。該研究對我國環(huán)保事業(yè)的開展有一定的借鑒意義。