降低烟气中氮氧化物排放量
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平顶山工学院本科毕业论文 第 1 页
1. 绪论
环境与发展是人类社会长期面临的一个主题，其中利用煤、石油和天然气等化石能源引起的诸多环境问题已成为社会和经济发展的一个制约因素, 引起了人们的广泛关注。 大气环境是人类赖以生存的可贵资源，大气环境资源的破坏是一种不可逆的过程，恢复良好的大气环境质量要比采取措施从根本上防治大气污染付出更多的经济代价。众所周知，氮氧化物是大气污染的主要物质，随着汽车用量的大幅度增加，以及锅炉等设备的尾气排放，氮氧化物的污染已成为环境治理的一个重要课题。特别是中国是当今世界上几乎唯一以煤为初级能源的经济大国，也是以燃煤发电为主的发展中国家，与发达国家相比，经济发展水平还有很大差距，环保技术的发展处于落后状态。煤的燃烧造成了严重的空气污染，特别是燃煤烟气中的NOx，对大气的污染即成为一个不容忽视的重要问题。氮氧化物NOx是燃煤电厂烟气排放三大有害物（SO2，NOx及总悬浮颗粒物TSP）之一。从污染角度考虑的氮氧化物主要是NO和NO2，统称为NOx。在绝大多数燃烧方式下，主要成分是NO，约占NOx的90％多。NO是无色、无刺激气味的不活泼气体，在大气中的NO会迅速被氧化成NO2。NO2是棕红色有刺激性臭味的气体。NOx可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，较易受二氧化氮影响。
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，目前煤炭占我国能源需求总量的75%左右，大大超出了27%的世界平均水平。这样的能源构成在今后相当长的时期内不会改变，预计到2021年煤在我国一次能源消费中的比例可能下降到67%。但就消费总量而言，将从现在的12亿吨增长到31亿吨。煤燃烧对我国生态环境造成了严重的破坏，煤燃烧所释放的SO2占到总排放的87%，CO2占到 平顶山工学院本科毕业论文 第 2 页
2 71%，NOx占到67%，粉尘占到60%，燃煤产生的污染严重制约了我国能源工业乃至整个国民经济持续发展。氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染源之一，它除了形成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，危害人类健康。电站锅炉是集中的燃煤大户，其NOx排放量大且相对集中,较其他分散的燃煤用户较易控制，可以大幅度减少NOx排放，为此国家环保局于1996年3月7日颁布了《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-1996），明确规定2021年1月1日起环境影响报告书待审查批准的新、扩、改建火电厂300MW及以上机组固态排渣煤粉炉NOx排放量不得超过650mg/m3。北京市明确要求所有在京电站锅炉必须采用低NOx燃烧器，使其NOx排放低于550mg/m3，对电站锅炉NOx排放实行更严格限制的新国家标准也在酝酿之中。我国现役煤粉锅炉的NOx排放为600~1200mg/m3（固态排渣煤粉炉），对于新建电站锅炉如果不采用低NOx排放技术，很难满足NOx排放要求。现行排放标准虽然未涉及现役锅炉，但随着环保要求的不断提高，现役锅炉对低NOx排放技术也存在巨大的需求。因此开发经济技术可行的低NOx排放技术具有重要的意义
因此，寻找、研究降低烟气中氮氧化物排放量的科技工作已成为一件为国为民的大事。
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2．氮氧化物的来源及危害
2.1来源
大气中NOx的来源主要有两方面。一方面是由自然界中的固氮菌，雷电等自然过程所产生，每年约生成5×108t。人类活动所产生的NOx多集中于城市，工业区等人口稠密地区，因而危害较大。在人为产生的NOx中，由燃料高温燃烧产生的占90%以上，其次是化工生产中的硝酸产生，消化过程，炸药产生和金属表面硝酸处理等。从燃烧系统中排出的氮氧化物95%以上是NO，其余的主要是NO2，因此，估算氮氧化物的排放时都按NO2计。 平顶山工学院本科毕业论文 第 4 页
4 据统计，2021年中国与能源消费相关的部分共排放氮氧化物11.18×106t，其中电部门排放4.23×106t，占37.9%;工业部门排放4.59×106t,占41.0%；交通运输排放约为1.45×106t，占13.0%。若按燃料类型统计，72.3%的NOX源自煤燃烧，18.7%源自各种油品燃烧，7.3%源自焦炭使用过程。氮氧化物的排放系数受多种因素影响，表1.1列出了部分污染源未采取控制措施时的平均排放系数。
表1.1 NOX排放系数
污染源 平均排放系数
煤
民用（包括商业）
工业及电力
4kg/t 煤
7~18.5kg/t煤
燃料油
民用（包括商业）
工业
电力
1.4~8.6kg/1000L油
8.7kg/1000L油
12.5kg/1000L油
天然气
民用（包括商业）
工业
电力
1.85kg/1000m3天然气
3.4kg/1000m3天然气
6.25kg/1000m3天然气
燃气轮机 3.2kg/1000m3天然气
移动燃烧源
汽油机
柴油机
13.6kg/1000L汽油
26.0kg/1000L柴油 平顶山工学院本科毕业论文 第 5 页
5 硝酸生产工厂 28.5kg/t酸
2.2危害
氮的氧化物有N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等几种，总称氮氧化物，常以NOx表示。其中污染大气的主要是NO和NO2。作为酸性气体，NOx是仅次于SO2形成酸雨和酸雾的大气污染物，对生态环境和人体健康有着巨大危害。在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的NOx中，NO占90%以上，NO2占5%～10%，而N2O只占1%左右。人为排放的NOx90%以上来源于各种燃料的燃烧过程，煤燃烧过程中生成的NOx有三种方式：
①热力型NOx，它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx；
②燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的NOx；
③快速型，它是燃烧时空气中氮和燃料中的碳氢化合物反应生成的NOx。
炉膛燃烧过程中形成的NO在排向大气过程中氧化成NO2。NO2在阳光的照射下会分解成NO和O。在空气中NO浓度越大，毒性明显增强，而NO2的毒性更大，约为NO的4～5倍,它对人体的心脏、肝脏、肾脏和血液组织有强烈损害。
由于NO在阳光的照射下分解产生氧原子，引起一系列连锁反应并进一步与大气中的污染物发生反应生成以O3，PAN(过氧乙酰基硝酸酯)和H2SO4（有SO2存在时）为主要成分的光化学烟雾，它们不仅会减少可见度,而且对人的眼睛、呼吸道与肺有强烈的毒害作用，并能致癌。NO还可与O3反应,从而使O3变成O2,臭氧层越来越少。当NOx与SOx和粉尘共存，可生成毒性更大的硝酸或硝酸盐气溶液，形成酸雨,严重腐蚀建筑物，危害人类、动植物健康安全。 平顶山工学院本科毕业论文 第 6 页
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3．降低烟气中氮氧化物排放量的方法与技术分析
3.1低氮氧化物燃烧技术
控制NOx排放的技术措施可以分为两大类：一是所谓的源头控制，其特征是通过各种技术手段，控制燃烧过程中NOx的生成反应；另一类是所谓的尾部控制，其特征是把已经生成的NOx通过某种手段还原成N2，从而降低NOx的排放量。低NO燃烧技术措施一直是应用最广泛的措施，即便为满足排放标准的要求不得不使用尾气净化装置，仍须采用它来降低净化装置入口的NOx浓度，以达到节省净化费用的目的。
用改变燃烧条件的方法来降低NOx的排放，统称为低NOx燃烧技术。在各种降低NOx排放的技术中，低NOx燃烧技术采用最广，相对简单、经济并且有效。目前主要有几种：
3.1.1低过量空气燃烧
使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着沿其中过量氧的减 平顶山工学院本科毕业论文 第 7 页
7 少，可以一直NOx排放的方法。一般可降低NOx排放15—20%。但如炉内氧浓度过低(3%以下)，会造成浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。因此在锅炉设计和运行时，应选取最合理的过量空气系数。
NOx排放量随着炉内空气量的增加而增加，为了降低NOx的排放量，锅炉应在炉内空气量较低的工况下运行。锅炉采用低空气过剩系数运行技术，不仅可以降低NOx排放，而且减少了锅炉排烟热损失，可提高锅炉热效率。根据NOx生成量与烟气中氧量关系的实验结果可见，低空气过剩系数运行抑制NOx生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式以及排渣方式有关。需要说明的是，由于采用低空气过剩系数会导致一氧化碳、碳氮化合物以及炭黑等污染物相应增多，飞灰中可燃物质也可能增加，从而使燃烧效率下降，效电站、锅炉实际运行时的空气过剩系数不能做大幅度调整。因此，在确定空气过剩系数时，必须同时满足锅炉和燃烧效率较高，而NO等有害物质最少的要求。
我国燃用烟煤的电站锅炉多数设计在过剩空气系数α=1.17~1.20（氧浓度为3.5~4.0%）下运行，此时一氧化碳体积分数为（30~40）×10-6；若氧浓度降到3.0%以下，则CO的浓度将急剧增加，不仅导致不完全燃烧，而且会引起炉内的结渣和腐蚀。因此，以炉内氧浓度3%以上，或CO体积分数为2×10-4作为最小过剩系数的选择依据。
3.1.2空气分数燃烧
基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。在第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70-75%（相当于理论空气量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。此时第一级燃烧区内过量空气系数α＜1， 平顶山工学院本科毕业论文 第 8 页
8 因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量。为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口OFA（over fire air）——称为“火上风”喷口送入炉膛，与第一级燃烧区在“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程。由于整个燃烧过程所需空气是分两级供入炉内，故称为空气分级燃烧法。
这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在第一级燃烧区内的过量空气系数越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此为保证既能减少NOx的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。
若用空气分级燃烧方法改造现有煤粉炉，应对前墙或前后墙布置燃烧器的原有炉膛进行改装，将顶层燃烧器改作"火上风"喷口，将原来由顶层燃烧器送入炉膛的煤粉中形成富燃料燃烧，从而NOx生成。可降低15－30%。新设计的锅炉可在燃烧器上方设"火上风"喷口。
