工业锅炉燃烧过程中氮氧化物排放控制技术研究

工业锅炉燃烧过程中氮氧化物排放控制技术研究

马其 

内蒙古双菱锅炉制造有限责任公司  内蒙古   包头   014000

摘要：本研究全面分析了工业锅炉燃烧时氮氧化物（NOx）的来源，它对环境造成的负面效应，以及当前用于控制NOx排放的各种技术手段。氮氧化物，作为大气中的主要污染物，对我们的空气质量和公众健康带来了巨大的风险。为了有效降低其排放，本文深入分析了燃烧优化技术（其中有低氮燃烧技术，燃烧空气预热和燃料分级燃烧技术）、后处理技术（包括选择性催化还原，选择性非催化还原以及综合脱氮技术等）以及新兴和发展中的控制技术（包括生物脱氮，光催化脱氮和等离子体脱氮等技术）。本文对上述技术进行了评价，以期为工业锅炉环保升级及氮氧化物排放降低提供科学指导与借鉴。

关键词：工业锅炉；氮氧化物排放；低氮燃烧技术

引言

氮氧化物，作为大气中的主要污染物，在工业锅炉燃烧时会大量生成，这不仅对大气的质量造成损害，还可能给人类的健康和整个生态系统带来长远的影响。随着环境保护法规越来越严，工业锅炉氮氧化物减排已是当务之急。本研究通过探讨氮氧化物的起源及其对环境的潜在影响，对多种降低这些排放的方法进行了评估。从优化燃烧流程到排放后的处理，再到新兴技术的研发和应用，这些技术展示了多种控制氮氧化物排放的策略，这对于实现更环保的工业生产和环境保护具有极其重要的意义。

1.工业锅炉燃烧过程中氮氧化物的来源

在工业锅炉燃烧燃料的过程中，氮氧化物的主要生成途径有两个：一是燃料中氮元素的氧化，二是燃烧空气中的氮气在高温条件下与氧气进行化学反应。燃料中的氮氧化物是由氮与氧在燃料中的反应生成的，而热力氮氧化物则是由于燃烧过程中产生的高温导致空气中的氮气和氧气发生化学反应而生成的。

2.工业锅炉燃烧过程中氮氧化物排放控制技术

2.1 燃烧优化技术

2.1.1 低氮燃烧技术

低氮燃烧技术对燃烧器进行了重新设计并对燃烧过程进行了优化，使氮氧化物得到了明显降低。该技术关键是降低燃烧区温度，改善燃烧均匀性以降低热力氮氧化物产生量。采用旋流，偏流或者分级燃烧器等专用燃烧器可有效控制空气与燃料混合程度并减少局部高温区域以减少NOx产生。经过实际应用发现使用低氮燃烧方法能够将氮氧化物的排放减少20%至50%，而这一效果主要依赖于燃烧器的设计和操作环境。

2.1.2 燃烧空气预热

燃烧空气预热技术是利用锅炉排烟所产生的热量对进入燃烧器内的空气进行预热，不仅提高能效，而且有利于减少NOx产生。预热后空气提高燃烧均匀性与稳定性，利于充分燃烧以降低燃料中氮转化率。在不同工况下，空气预热可使燃烧效率增加约为每10°C左右。

2.1.3 燃料分级燃烧技术

燃料分级燃烧技术是分门别类地提供燃料与空气来控制燃烧时氧气浓度与温度，使氮氧化物产生明显减少。该工艺将燃料分为主燃料与辅助燃料两部分，首先预燃于氧气较少条件下，生成温度更低、富余还原性气体更多，进而在辅助燃烧区进行燃烧，从而有效地降低了高温区域氧气浓度和氮氧化物产生量。采纳燃料分级燃烧的技术后，氮氧化物的排放可以降低30%至60%，具体的减少效果会根据锅炉的设计和运行状况来决定。

2.2 后处理技术

2.2.1 选择性催化还原

选择性催化还原（SCR）是一种对氮氧化物进行高效后处理的技术，它能在催化剂的催化下将NOx转化为氮气和水蒸气。SCR系统一般装设于锅炉烟道后，以氨或者尿素为还原剂在催化剂作用下同氮氧化物发生化学反应。这项技术在脱硝方面表现出色，效率可以超过90%。SCR技术能够在广泛的温度范围内工作（通常在200到400°C），并且对燃烧过程的灵活性较高。但催化剂选择，系统设计及操作维护等因素均对其实际使用效果产生显着影响。处理不当会造成催化剂中毒，缩短寿命。为维持高效的脱氮性能，必须对催化剂进行定期的监控与替换。

2.2.2 选择性非催化还原

选择性非催化还原（SNCR）技术是通过将还原剂（通常是氨或尿素）直接喷射到锅炉的炉膛或烟道中，在高温条件下（850到1100°C）直接与氮氧化物发生反应，从而实现减少NOx排放的目标。相对于SCR,SNCR无需采用催化剂，所以无论从投资还是从运营成本方面都更具优势。但是,SNCR的脱硝效果通常介于30%至70%，并且它对温度和反应时长非常敏感。不适当的温度控制不但会使脱氮效率下降，而且会造成氨等副产物的逸出问题。

2.2.3 综合脱硝技术

综合脱硝技术整合了多种降低氮氧化物排放的手段，目的是提升脱硝的效率和经济效益。这种技术通常结合了燃烧控制技术（如低氮燃烧）和后处理技术（如SCR和SNCR），通过在燃烧过程和排放处理过程中多点介入，实现更全面的NOx减排。比如可在锅炉内推行低氮燃烧技术以减少NOx初始生成，然后利用SCR系统来进一步减少向大气排放的NOx。

2.3 新兴与发展中的控制技术

2.3.1 生物脱硝技术

生物脱氮技术是利用微生物代谢作用使氮氧化物转化并还原成氮气以降低大气NOx浓度。该技术主要由生物滤床与生物膜反应器2种形式组成，通过选择性培养微生物及优化操作条件来达到高效脱除氮氧化物目的。生物脱氮操作成本低，不产生二次污染，特别适合低浓度氮氧化物治理。但是，这种技术的实际应用会受到温度、湿度、氮氧化物的浓度和气体的流动速度等多个变量的制约，并且与化学处理方法相比，其处理效率相对较低，通常在60%至90%的范围内。

2.3.2 光催化脱硝技术

光催化脱硝技术通过使用光催化剂，在光照条件下加速氮氧化物与水蒸气和氧气的化学反应，生成硝酸和氮气，从而实现降低NOx排放量的目标。二氧化钛（TiO2）作为一种普遍使用的光催化剂，由于其出色的化学稳定性、高光催化活性以及无毒性特点，已经在光催化脱硝这一领域得到了广泛的应用。光催化脱硝技术不仅能在常温条件下进行操作，还具有降解低浓度氮氧化物的能力，这使其成为处理分散污染源和进行室外空气净化的理想选择。

2.3.3 等离子体脱硝技术

等离子体脱硝技术通过使用高能等离子体，如电晕放电、介质阻挡放电等，产生大量活性物种（例如，电子，自由基，激发态分子），这些活性物种可与氮氧化物反应并转化成氮气等无害物质。等离子体技术可以在常温条件下进行操作，特别适合处理NOx的高浓度和低浓度，它具备快速的反应速度和较小的设备占用面积等优势。

结束语

随着工业发展和环境保护需求的不断提高，氮氧化物的有效控制成为了一个重要议题。通过本文的综述，可以看出，尽管现有的控制技术已经取得了一定的成效，但是还需要进一步的研究和技术创新以实现更高效、经济和环保的氮氧化物减排方案。未来，跨学科的研究、技术进步以及政策支持将是推动氮氧化物排放减少的关键。同时，工业界的积极参与和投入，以及公众意识的提高也是不可或缺的因素，共同促进一个更加清洁、健康的环境。

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