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燃煤电站锅炉氮氧化物形成机理及防治措施

作者:未知

  【摘  要】随着我国电能供需矛盾的日益激烈,火电作为我国电能的重要组成部分,在国家电力供给中扮演了非常重要的角色。同时火电燃煤也引发了氮氧化合物排放不断上升的趋势。目前,火电厂氮氧化合物排放控制已成为继二氧化硫之后的又一工作重点,也是当今业界环保工作开展的焦点。因此,本文通过分析火电厂氮氧化合物的形成机理,对其排放控制策略进行了探讨分析,旨在为相关工作者提供一定的理论参考。
  【关键词】火力发电;氮氧化物;形成机理;防治措施
  国家在倡导建设节能型社会的同时也越来越注意到能源消耗对环境带来的污染问题。根据目前能源的供应情况来看,我国将在未来相当长的一段时间内继续维持目前“以煤为主”的能源结构。煤的燃烧是目前我国大气污染的主要来源,而燃煤电站锅炉氮氧化物污染所占比重又最大,因此降低燃煤电站锅炉氮氧化物污染物排放的研究具有重要的意义。
  一、氮氧化物的环境污染
  氮氧化物(NOx)是氮元素与氧元素结合后产生的化合物,包括N2O、NO、NO2等,除二氧化氮之外,其余的氮氧化物都非常不稳定,在光热环境下会发生相互转化。氮氧化物或多或少都具备一定的毒性,不仅会危害人体健康,对于环境也有着非常严重的污染和影响。首先,氮氧化物会吸收大气层中的紫外光和可见光,与某些碳氢化合物反应后,生成臭氧、烷基以及硝基化合物等,这些生成物混合在一起,呈现出烟雾的形态,被称为光化学烟雾。这种烟雾会刺激人的眼睛,影响植物的正常生长,还会导致大气能见度的下降,给社会生产以及人们的日常生活带来不便。其次,氮氧化物会与空气中的水分发生反应,生成硝酸和亚硝酸,这是酸雨的主要成分,酸雨不仅会严重影响作物的生长,还会腐蚀建筑,威胁人们的身体健康。然后,氮氧化物会导致臭氧的减少,削弱其对于紫外线的防护作用,从而引发各种各样的环境问题。因此,对废气中氮氧化物的含量进行有效控制,是非常必要的。
  二、氮氧化物的生成机理
  在氮氧化物(NOx)中NO占90%以上,NO2占5~10%,煤燃烧过程中产生的NOx有三种类型,即热力型、燃料型和快速型。
  热力型NOx是燃烧空气中的氮在高温下氧化而成,随着反应温度的升高而增加。主要影响因素有燃烧反应的温度、氧气浓度和反应时间。
  燃料型NOx是燃料中的氮化物在燃烧过程中发生热分解,并进一步氧化而生成,氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度,在600~800℃就会生成燃料型NOx,它在煤粉燃烧NOx生成量占60~80%。同时还存在NO的还原反应,NOx的生成和还原与燃烧温度、氧的浓度有关外还与煤的特性、煤中氮化物的存在状态等相关;
  快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N2分子发生反应,形成的CN、HCN,继续氧化而生成的NOx。因此,快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区,多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤锅炉中,其生成量很小。
  根据以上三种NOx的生成机理可知,NOx的生成主要与火焰中的最高温度、氧和氮的浓度以及气体在高温下停留时间等因素有关。在实际工作中,可采用降低火焰最高温度区域的温度、减少过量空气等措施,降低NOx的生成量。
  三、燃煤电站锅炉氮氧化物的防治措施
  3.1抑制炉内NO的生成
  对热力NO而言,根据其生成机理,当降低氧浓度、降低温度、缩短高温区域停留时间或降低氮浓度时,生成热力NO的反应条件发生变化,活化能降低或反应物浓度不够造成反应难以向着生成NO的方向进行,从而达到抑制热力NO生成的目的。具体来说,根据降低氧浓度的原理抑制热力NO生成的方法主要有烟气再循环;根据降低温度的原理抑制热力NO生成的方法主要有向火焰中喷水汽化吸热、流化床燃烧技术、烟气再循环、分级燃烧、浓淡燃烧、催化燃烧等方法;根据降低氮浓度的原理抑制热力NO生成的方法主要是纯氧燃烧;此外,在分级燃烧条件下,停留时间也得到缩短。
  3.2空气分级燃烧
  空气分级燃烧这项技术发展成熟,被采用的也很多。这种方法的原理是,把燃烧的过程分成几个进程,第一步是控制主燃烧器中的空气流量,空气进入炉膛的时候留下四分之一左右,这个值是理论总量的五分之一左右,此时燃料的燃烧得不到充分的氧气,氮氧化物产生量自然也不多。之前剩余下来的空气在燃料不完全燃烧完成后通过主燃烧器顶端的空气输送口进入炉膛,与燃烧后的烟气混合再次燃烧,最终燃料还是完全燃烧了,可是氮氧化物因产生条件不足导致产生量减少。这种方法的优点是在成功率高,经过一次分级燃烧,氮氧化物的排放量可以减少三成,并且在降低排放物的同时还可以促进燃料的完全燃烧。
  3.3燃料分级燃烧
  燃料分级燃烧的原理来自于氮氧化物的化学特征,氮氧化物与烃基加上一氧化碳、氢气、碳等在一定条件下,发生反应变回氮气。根据这一特征,可以将大部分的燃料导入一级燃烧区,在充分燃烧的情况下产生氮氧化物,剩下少量的燃料导入二级燃烧区,在不充分燃烧的情况下生成上述还原能力很强的气体,然后再将这两股气体混合使其反应产生氮气。这种方法的优点是效率非常高,一次反应可以使排放量降低一半左右,并且通过反应还可以起反馈作用,抑制氮氧化物的再生。燃料分级燃烧与空气分级燃烧相比可以获得更好的的清除效果,但这是建立在更难操作的前提下,组织好燃烧过程,对于燃料分级燃烧是至关重要的。
  3.4烟气循环
  烟气再循环同样是降低氮氧化物含量的重要技术措施,其基本原理,是在锅炉空气预热器前,抽取一部分低温烟气,直接送入到锅炉内,或者与一次风、二次风混合后送入到锅炉内,降低燃烧温度和氧气浓度,从而起到降低氮氧化物含量的效果。不过,烟气循环技术需要对现有的锅炉设备进行改造,成本相对较高,而且需要在进行安全性与经济性的比较后,才能够决定是否实施。
  3.5旋转合适的高效催化剂
  常用的催化剂有金属氧化物、某些特殊复合氧化物以及特定条件下的分子筛这几种。高效催化法的优点是工作条件简单,投入成本低,前景被很多专家看好。这项技术已经被研究了很长时间,但科学家们对进展仍然不满意,原因是目前的催化剂效果不是很高效,与理论所达到的要求还有不小的差距。寻找更好更高效的催化剂已经成为现阶段催化分解法研究的重点,另外还可以期许有突破的地方是工艺过程可以得到改进,相信凭着工作者对这项方法的投入,将来一定会更加完善,并成为清除氮氧化物的最主流方法。
  四、结语
  燃煤氮氧化物控制在国内外得到广泛研究,针对NOx来源或生成机理,很多学者提出了燃烧前后相应的抑制NOx生成或控制NOx排放的原理和方法,并在此基础上形成相关控制NOx排放的工业技术。目前,我国脱硝技术尚未得到大规模工业应用,呼吁我国出台相关政策,鼓励燃煤电站进行脱硝改造,以应对日趋严格的国际环保要求。
  参考文献:
  [1]吴忠良.锅炉低氮燃烧运行中遇到的问题及防范措施[J].科学家,2016,4(1):43-43.
  [2]曹瑞.火电厂锅炉氮氧化物排放控制技术发展[J].建材与装饰,2017(7).
  [3]胡長淳.燃煤工业锅炉氮氧化物污染防治技术路线[J].化工管理,2017(18).
  (作者单位:山西大唐国际云冈热电有限责任公司)
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