基于脱硝污染物全过程监测技术的锅炉氮氧化物排放控制

李朝戬 郑 锴 张文博 王二超

（国能（连江）港电有限公司，福建 福州 350512）

我国空气污染问题日益严重，尤其到了冬季，雾霾等灾害性天气频繁发生，不仅影响万千人民群众的身体健康，甚至影响社会的稳定性。当前，我国空气污染的主要原因就是燃煤污染，为满足各行各业的供电需求，我国电网应用了大规模的燃煤机组，日常发电过程中排放大量烟尘与氮氧化物等污染物，虽然大部分燃煤机组均设置电除尘器，可以控制锅炉粉尘排放，但是控制氮氧化物排放问题还没有解决。氮氧化物是大气污染物的关键成分，一方面对人类呼吸道、眼睛等器官具有一定刺激作用，易引发支气管炎等疾病；另一方面，对生态环境具有破坏作用，易造成酸雨、温室效应等自然灾害，所以对锅炉氮氧化物排放进行严格控制刻不容缓。时至今日，我国在锅炉氮氧化物排放控制中进行大量的烟气脱硝研究，虽然传统SCR 等脱硝法已经基本成熟，其脱硫效率较高，但是这种烟气脱硝法易受温度窗口等因素限制，在实际的中小型锅炉氮氧化物排放控制中，其脱硝效果较差，锅炉氮氧化物仍超标排放。因此，该文研究锅炉氮氧化物排放控制具有重要的现实意义。

1 确定锅炉氮氧化物的生成机理

当前，我国锅炉排放的污染物主要包括氮氧化物与硫化物，该文主要以氮氧化物为对象，研究其排放控制技术，首先需要确定锅炉氮氧化物的生成机理[1]。当煤在锅炉中燃烧时，生成的主要附属产品就是氮氧化物，不仅对人体健康威胁极大，甚至会诱发酸雨、雾霾等自然灾害，对锅炉氮氧化物的生成机理来说，业界看法一致，也就是在锅炉燃烧过程中，氮氧化物生成途径包括快速型、热力型及燃料型[2]。其中，热力型氮氧化物就是由助燃空气中氮气和氧气在高温下发生的氧化反应所生成的，其反应方程式如公式（1）所示。

式中：N2为氮气；O2为氧气；NO 为一氧化氮；NO2为二氧化氮。

一般来说，当锅炉燃烧温度小于1600℃时，几乎检测不到NO，这是因为在较低温度下，燃料和空气的反应条件并不足以生成大量的NO。随着锅炉燃烧温度升高，NO 的生成速率会增加。这是因为更高的温度提供了更多的活化能，使氮分子和氧分子更容易发生碰撞和反应。因此，在高温条件下，尤其是当燃烧温度超过1600℃时，锅炉中会明显产生更多的NO。

燃料型氮氧化物主要以氮的环状形式存在，其生成机理如下：当煤在锅炉中燃烧时，氮有机化合物会分解成氰、氨等中间产物，然后再挥发形成氮化物，如图1 所示。

图1 燃料型氮氨化物生成机理示意图

在燃烧初期：当煤或其他含有氮的燃料在锅炉或燃烧设备中燃烧时，高温和氧气的存在使N2和O2发生反应生成NO；在快速氧化阶段：随着燃烧过程继续进行，在高温下，NO 会被空气中的氧气进一步氧化为O2；氧化还原循环：在燃烧过程中，NO 和NO2之间会发生氧化还原循环。在高温状态下，NO 与燃烧中产生的碳氢化合物相互作用，形成较稳定的氮化物（如氰化物和氨）。这些氮化物有时也会被迅速氧化为一氧化氮和二氧化氮。

快速型氮氧化物[3]就是在煤燃烧过程中反应区附近快速生成的物质，其在锅炉排放物中所占比例极小，所以该文主要针对锅炉燃烧生成的热力型与燃料型氮氧化物排放控制做进一步研究，不探讨快速型氮氧化物的排放控制。

2 获取锅炉氮氧化物排放的影响因素

在制定锅炉氮氧化物排放控制技术前，还需找到影响氮氧化物排放量的因素[4]。根据前文内容可知，锅炉氮氧化物主要是由燃料热分解后，被氧化所生成的，所以影响氮氧化物排放量的第一个主要因素就是燃料成分[5]，当前，我国煤按照挥发分的大小可以分为无烟煤、贫煤、烟煤与褐煤等，见表1。

表1 我国动力用煤分类

表1 中的每种煤的自身含氮量存在较大差别，再加上其燃烧特性也不一致，所以不同燃料成分所生成的氮氧化物各不相同，与其配套的排放浓度也存在一定区别，在控制锅炉氮氧化物排放浓度的过程中，可以匹配煤种来减少氮氧化物排放。同时，在锅炉燃烧过程中，燃料型氮氧化物的排放与过量空气系数有关，通常来说，过量空气系数越大，锅炉的炉膛内燃烧越充分，氮氧化物生成量越大，所以锅炉氮氧化物排放浓度随着过量空气系数增加而增大，在控制氮氧化物排放的过程中可以降低过量空气系数来减少排放浓度。最后，锅炉氮氧化物排放浓度与二次风之间具有强相关性[6]，二次风主要通过空气预热器送入锅炉的炉膛内，通常二次风温度越高，炉膛内温度越高，此时，热力型的氮氧化物生成量越大，其排放浓度越大。所以锅炉氮氧化物排放浓度与二次风温度呈正相关，可以通过控制二次风来控制锅炉氮氧化物的排放。

3 锅炉氮氧化物排放控制

3.1 烟气脱硝

根据锅炉氮氧化物的生成机理与影响因素，该文决定采用烟气脱硝技术进行氮氧化物的排放控制。一般来说，烟气脱硝技术主要包括干法与湿法，该文综合考虑温度窗口限制与脱硝率等因素，采用NaClO2湿法氧化脱硝技术来降低氮氧化物排放浓度[7]。

NaClO2是一种高效氧化剂，在水中具有极高的溶解性，所以NaClO2湿法氧化脱硝就是以NaClO2作为吸收液，当锅炉尾气通过吸收液时，NaClO2溶液就会吸收氮氧化物，达到脱硝的目的，且该技术适用于不同类型的锅炉，具有较好的适应性。与选择性催化还原（SCR）技术相比，NaClO2湿法氧化脱硝技术无须用氨气作为还原剂，因此操作和管理相对简单，成本较低。因此，采用NaClO2湿法氧化脱硝技术[8]控制锅炉氮氧化物排放。

那么锅炉氮氧化物排放控制时发生的总化学反应方程式如公式（3）所示。

式中：NaClO2为亚氯酸钠；H2O 为水；HNO3为硝酸；NaCl为氯化钠。

如公式（3）所示，反应原理如下：当利用NaClO2湿法氧化脱硝技术进行锅炉烟气脱硝处理时，NaClO2可以将不溶于水的氮氧化物NO，转换为易溶于水的HNO3与NaCl，从而被吸收，以达到降低锅炉氮氧化物排放浓度的目的。

3.2 脱硝污染物全过程监测

综上所述，NaClO2湿法氧化脱硝是一个较为复杂的化学反应过程，虽然该技术可以将难溶于水的氮氧化物氧化为易溶于水物质[9]，但是脱硝过程易受pH 条件的影响，如果是在酸性条件下进行脱硝，可能会有HCl、Cl2等气体生成，这类气体属于气态污染物，同样会对大气造成污染，所以在实际锅炉氮氧化物排放控制中，该文引入脱硝污染物全过程监测技术，对氮氧化物脱硝后生成的气体进行监测，从而判定污染物排放是否达标。在进行脱硝之前，需要对锅炉脱硝前的排放浓度进行测量，并安装合适的氮氧化物测量设备，采用相应的监测方法进行采样和分析。表2 为锅炉氮氧化物脱硝后监测项目与方法。

表2 锅炉氮氧化物脱硝后监测项目与方法

在锅炉实际燃烧过程中，按照表2 内容分别对氮氧化物脱硝前后的烟气成分进行监测，根据GB—13271 中的规定，对已进行脱硝处理的锅炉，需要根据脱硝效率和不同锅炉类型计算折算后的排放浓度。折算公式如公式（4）所示。

式中：Q0为折算后锅炉脱硝二次气态污染物基准氧含量排放浓度；Q1为实测的锅炉脱硝二次气态污染物排放浓度；L1（O2）、L2（O2）分别为基准与实测氧含量。

与此同时，采用脱硝污染物全过程监测技术，可以计算锅炉氮氧化物的脱硝效率，如公式（5）所示。

式中：γ为锅炉氮氧化物脱硝效率；Q2为脱硝前锅炉氮氧化物排放浓度。

综上所述，该文采用NaClO2湿法氧化脱硝技术降低锅炉氮氧化物排放浓度，并在控制过程中，基于脱硝污染物全过程监测技术，获得脱硝后锅炉二次气态污染物排放浓度以及脱硝效率，从而判定NaClO2湿法氧化脱硝技术是否可以控制锅炉氮氧化物的排放。

4 实例分析

4.1 锅炉基本情况

为了验证该文基于脱硝污染物全过程监测技术的锅炉氮氧化物排放控制研究性能，进行试验。某热电厂的二期煤机#1～#6 采用超高压且带飞灰复燃装置的塔式直流锅炉，型号为WGZ-830-560/232，其主要参数见表3。

表3 WGZ-830-560/232 锅炉主要参数

在锅炉燃烧过程中，首先，烟气会经过炉膛的排渣室与燃烬室这2 个部分，其中排渣室布置了销钉式水冷壁，，使排渣更顺畅，避免出现堵渣口等事故，其高度×宽度×深度为15.86m×6.24m×16.02m；燃烬室布置鳍片式螺旋水冷壁，高度×宽度×深度为38.1m×7.5m×12m。然后，烟气由燃烬室进入尾部烟道，通过烟塔排入大气中。在进行锅炉氮氧化物排放控制前，需要在6 台煤机锅炉满负荷运行时，对锅炉出口排放的氮氧化物浓度进行检测，每个锅炉布置4 个检测点，所得具体检测数据见表4。

表4 锅炉排放的氮氧化物浓度检测值

从表4 中可以看出，#1 锅炉的氮氧化物平均排放浓度为670mg/m3，#2 锅炉的平均排放浓度为844mg/m3，#3 锅炉的平均排放浓度为854mg/m3，#4 锅炉的平均排放浓度为559mg/m3，#5 锅炉的平均排放浓度为659mg/m3，#6 锅炉的平均排放浓度为752mg/m3。根据我国《锅炉大气污染物排放标准》可知，10t/h以上的燃煤与燃气锅炉的氮氧化物排放限值为400mg/ m3，而上述锅炉实际排放的氮氧化物浓度均超过限制，所以需要采用该技术进行控制。

4.2 排放控制效果

为进一步验证该文设计锅炉氮氧化物排放控制技术的优越性，选用常规SCR 脱硝技术与常规SNCR 脱硝技术与该文设计技术一起对#1～#6 锅炉的氮氧化物排放进行控制。在各技术控制后，采用同样的方法检测各锅炉出口排放的氮氧化物浓度，并分别统计各锅炉氮氧化物排放浓度的平均值，详细数据如图2 所示。

图2 控制后锅炉氮氧化物排放浓度对比

由图2 可知，经过以上3 种技术控制后的锅炉氮氧化物排放浓度均有所下降，且该文设计控制技术下氮氧化物排放浓度下降最明显，各锅炉氮氧化物排放浓度平均下降428mg/m3，较常规控制技术增加了36mg/m3、26mg/m3。由此可以说明，采用该技术后，锅炉氮氧化物排放浓度大幅降低，且排放限值小于400mg/m3，该技术可以成功控制锅炉烟气达标排放。

5 结语

随着我国大气污染日益严重，控制锅炉氮氧化物排放已经成为火电厂的重点工作，所以该文研究一种基于脱硝污染物全过程监测技术的锅炉氮氧化物排放控制技术，该文在获取锅炉氮氧化物生成机理与影响因素的基础上，采用NaClO2湿法氧化脱硝技术降低锅炉氮氧化物的排放浓度，并利用脱硝污染物全过程监测技术判定锅炉排放物是否达标，最后该文通过实例证明了设计技术的有效性与合理性，经过该技术控制后锅炉氮氧化物排放浓度大幅下降，且小于400mg/m3。该研究对我国环保事业的开展有一定的借鉴意义。