高参锅炉氮氧化物排放影响因素分析

张晓燕

（包头轻工职业技术学院（能源工程系），内蒙古 包头 014035）

改革开放以后，我国非常重视重工业的发展，北方许多地区都开始建立对应的工厂，以此来满足日常工业运转的需求。在重工业开始逐步发展时，新的问题也随之出现，由于最初国内环境保护的意识不够，工厂内的实际运营情况并未建立完善的管理措施，导致许多废气、废水直接排放在大自然中，造成了严重的环境破坏。在当下的社会发展中，人们的环境保护意识逐渐提升，同时也认识到了环境污染的严重性以及相应的后果。于2011年，国家颁布了最新的《火电厂大气污染物排放标准》，要求各大工厂都必须按照国家标准来进行废气的处理和排放，一旦发现有超标排放的违法行为，需要负相应法律责任。国家规定氮氧化物的排放浓度在100 mg/m3以下，由于早期的技术水平不高，使得锅炉燃烧参数分析受限，氮氧化物排放量没有得到有效控制，远远超过了国家规定排放标准。而在当今科技飞速发展的今天，利用现代化技术手段，可以对锅炉排放的烟气进行更加严谨的科学研究，在分析氮氧化物生成机理的基础上，利用数值模拟软件，找出锅炉燃烧参数、燃烧器结构设计等对氮氧化物的影响，为氮氧化物精准检测、合理有效控制，提供强有力的保障。

1 氮氧化物简介

氮氧化物是一种由氮、氧两种元素组成的化合物质，一般的形态呈气体，如一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等，也有少部分以固态的形式存在，且具有不同程度的毒性。氮氧化物可刺激肺部，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，会较易受二氧化氮影响。氮氧化物经紫外线照射发生反应形成的有毒烟雾（光化学烟雾）具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低。此外，排放到大气中的氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，具有较强的腐蚀性，对于建筑物会产生不同程度上的破坏[1]。在20世纪80年代，针对氮氧化物的排放统计，全世界氮氧化物的总排放量达到了5 300万吨，这些气体未经过有效的处理就排放在大气当中，导致大气层严重破坏，不仅自然环境受到了影响，更是危及到人类的身体健康。

研究表明，电站大型燃煤锅炉燃烧过程中，会造成硫氧化物、氮氧化物等大量有害气体的出现，给人类生产、生活造成了极大困扰[2]。而在当下的工厂管理中，针对于有害气体的排放，设定了十分严格的排放标准，要求工作人员在工作的过程中，必须严格按照规范进行气体的处理，未达到排放标准的有害气体，禁止直接排放到空气当中。

2 氮氧化物的生成机理

2.1 热力型

在传统的工业生产过程当中，需要通过一些燃烧的手段，来完成工业生产，其在燃烧的过程当中，会产生各种各样的有害气体，这些气体直接排放到大气当中，会对大气层产生直接的影响，同时也会对自然环境造成一定的破坏，甚至威胁到人类健康。氮氧化物则是工业燃烧中所产生的一种有害气体，在自然形态下，氮氧化物的生成存在着多种形式，其中热力型氮氧化物的生成，主要是通过高温氧化而形成，苏联时期的科学家针对热力型氮氧化物进行了深入的研究[3]。热力型氮氧化物的生成量与燃烧的温度、氧气的浓度以及时间有一定的关系，在燃烧的过程当中，一旦温度超过1 600摄氏度以上，则会不断提高氮氧化物的浓度总量，若将浓度值较高的氮氧化物，直接排放到大气当中，对于大气层的破坏相当大。当下国家针对氮氧化物的排放制定了严格的规范，要求工作人员严格按照排放标准，来进行氮氧化物的排放，进一步保证了空气的质量[4]。

2.2 燃烧型

锅炉燃烧是工业生产过程中常见的一种生产方式，而在锅炉燃烧的过程当中会产生氮氧化物，这类氮氧化物被归类为燃烧型氮氧化物，通过锅炉的燃烧，氮氧化物的生成含量达到了70%-80%，其浓度含量相当高，形成的因素也相对复杂。国内外不少的化学专家针对氮氧化物的生成进行了深入的研究，但由于内部结构较为复杂，至今仍未清晰地掌握燃烧型氮氧化物的还原机理结构[5]。但是，从一般的锅炉燃烧研究中，可以掌握燃烧型氮氧化物的生成与某种煤种的特性有着直接的关系，在煤燃烧的过程当中，分解出各种化学物质，其中一种化学物质在分解的过程当中会产生氮氧化物。为此，在工业生产的过程当中，对于锅炉燃烧后的气体存放有着严格的要求，工作人员需要将这些气体进行严格化的存储，并依靠科学手段来对气体进行过滤处理，使其达到对应的排放标准，这样才能使得气体的排放，不会造成严重环境破坏[6]。

2.3 快速型

快速型氮氧化物的形成，主要是通过锅炉燃烧之后产生的CH原子团与N2分子进行撞击，在这种撞击的过程当中，会快速形成氧化反应，从而产生快速型氮氧化物。快速型氮氧化物的生成，比其他两种类型的氮氧化物生成要更加快速，形成的步骤分为三步，其反应时间较快，所以，也被称为快速型氮氧化物。部分化学专家针对快速型氮氧化物进行了深入的研究，提出温度对于快速型氮氧化物的影响相对较小，由于在锅炉燃烧过程当中，快速型氮氧化物并未直接通过温度来进行氧化反应，而是直接通过原子团与分子的直接撞击而生成快速型氮氧化物，因此，温度以及时间对于快速型氮氧化物的影响相对较小。在实际生产过程中，与其他两类氮氧化物相比，快速型氮氧化物由于其生成时间短，其生成量减少，整体生成量无法与其他两种相比。

3 高参锅炉氮氧化物排放的影响因素

3.1 燃烧参数

锅炉的燃烧状况对于氮氧化物的生成产生了直接的影响，在燃烧的过程当中，各类参数的形成也对氮氧化物所形成的类型存在一定的影响。高参、大型的燃煤炉（例如300 MW、600 MW锅炉）在燃烧的过程当中，其燃烧的时间、燃烧的温度、所触及的含氧量相对不同，并相互影响。使得氮氧化物的生成机理变得十分复杂。通过对锅炉燃烧过程中的所含成分进行实测数据研究，发现锅炉炉内在燃烧时，基本的参数包括含氧量、火焰中心位置、一次风量、燃料种类、煤粉细度等，这些参数的数据值不同，并时刻处于波动状态，使得燃烧之后氮氧化物的生成含量也很受影响。根据快速型、燃烧型、热力型氮氧化物的生成机理进行分析可以发现，不同类型的氮氧化物，在燃烧的过程中，含氧量、火焰位置等，这些基本的参数都存在有一定的差别。例如，快速型氮氧化物在生成的过程中，温度的影响并不大，在内部机理的生成结构中，直接通过撞击完成，在短时间内快速形成了氮氧化物。而燃烧型的氮氧化物对于燃烧时的温度、时间等，都有着直接的联系，通过温度、时间等参数的把控，氮氧化物的总体含量会发生较大的变化。为此，从这些参数变化上进行分析了解，不同类型的氮氧化物在不同参数的情况下，所生成的类型不同，浓度含量也相对不同。工厂在生产加工的过程中，需要针对不同的生产需求，来对燃烧时产生的有害气体进行专业化的处理，确保气体不会出现泄露的情况，从而避免气体排放影响自然生态环境及危及人类健康。

3.2 燃烧器构造

在工业生产过程中，锅炉炉膛的设计，对于生产的工作效率产生了直接的影响。四角切圆单炉膛锅炉的设计，在燃烧过程当中具有较好的通风性，这样能够使得燃烧时的火焰更加旺盛，同时也能够较好地控制燃烧时的温度。在采用四角切圆单炉膛高参（高温度、高压力）锅炉的使用过程当中，配备好五台ZGM95G型中速磨煤机，在锅炉燃烧过程中，不断给锅炉进行煤的补给，确保锅炉能够持续性地进行燃烧，避免锅炉内的温度降低。在燃烧器的结构上，四周设置有通风口，燃烧器喷嘴的设计采用的是垂直的设计角度，这样能够使得燃烧过程不断有氧气输送进去，提高了炉内整体含氧量。煤种的选择对于氮氧化物的形成也产生了直接的影响。锅炉在燃烧过程中所采用的煤种不同，其化学反应也会出现相应变化，产生不同类型的氮氧化物。通过对燃烧器结构的了解剖析，将锅炉风门设计数据进行一定调整后，可以直接发现对氮氧化物浓度变化产生了一定影响。为此，可以总结出锅炉在燃烧的过程中，燃烧器的结构设计对于氮氧化物的生成产生了直接影响，总生成量以及浓度含量都发生了较大变化，详见图1。

图1 单炉膛高参锅炉及燃烧区

3.3 数值模拟软件的应用

在进行氮氧化物的检测过程当中，工作人员可以通过各类软件的应用来实施，掌握氮氧化物生成含量的变化，这样能够使得工作人员较为精准的把握燃烧时的氮氧化物控制。例如，我们可以利用数值模拟软件来模拟燃烧过程及氮氧化物含量的趋势变化，进一步分析其中的参数内容，这样能够更好地设计出氮氧化物处理的高效方案，降低其整体的排放量，提高燃烧的效率，促进工业的发展，同时也保证了环境安全。大容量高参数锅炉燃烧的情况下，利用数值模拟软件先明确划分炉膛区域的基本层次，再对其燃尽风的穿透深度以及扰动情况进行进一步的生成，准确把握好各项数值的变化情况。在实验检测的过程中可以明确地了解到，采用高位燃尽风、低位燃尽风两段式空气分级的方式，能够有效提高风粉混合速度，降低了氮氧化物的排放含量，同时也保障了锅炉内的燃烧效率。

4 结语

氮氧化物的产生以及排放是当下人们所关注的重点，目前，大众的环境保护意识正在不断的提升，面对有害气体的排放，国家也颁布了相关排放标准，要求所有工厂，特别是火力发电厂严格按照排放标准以及处理标准来对各类有害气体进行处理。在进行处理的过程中，工作人员可以应用数值模拟等科学化手段，合理建立燃烧模型，基于氮氧化物生成机理，低成本、低耗时的分析影响高参锅炉氮氧化物排放所包括燃烧参数、燃烧器构造等各类关键因素，以便采取相应手段，有效控制氮氧化物的变化情况，更加精准的把控好气体的排放，降低氮氧化物的浓度含量，促使气体本身达到可排放标准，避免自然环境及人类活动受到不良影响。