降低锅炉烟气氮氧化物排放浓度试验研究

王 鹏，尹 萍，刘有聪，闵 超

（红云红河集团红河卷烟厂，云南 弥勒 652399）

引言

有研究资料表明，假如继续不加强对烟气中NOx的治理，NOx 的总量和在大气污染物中的比重都将上升，并有可能取代SO2成为大气中的主要污染物。随着GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》于2015年10 月1 日开始执行，这部被称为“史上最严厉环境法”，是一部凝结了中国环保治理智慧，吸取了之前经验教训、能对症下药的成熟立法，而烟草行业也大力加强节能减排工作，国家烟草专卖总局也发布了《国家烟草专卖局关于贯彻落实国务院打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》，坚决响应国家号召，工厂紧紧围绕“卷烟上水平”的基本方针和战略任务，将节能减排作为转变经济增长方式的突破口和实现可持续发展的重要途径[1]。

1 试验方法

目前，氮氧化物的生成途径主要有三条：一是空气中的N2在高温下氧化产生NOx，二是由于煤中碳氢化合物高温分解生成CH 自由基和空气中N2反应生成HCN 和N 再进一步与O2作用以极快的速度生成NOx，三是煤中含氮化合物在燃烧中与空气中O2氧化反应生成NOx，为了减少NOx 的生成，需要采取相应措施来减少NOx 生成途径中所需条件，另外，还需要对生成的NOx 进行吸收减排，而NOx 吸收的难点在于如何将低价态的氮氧化物NO 转化转化为高价态的氮氧化物（NO2、N2O5）。因此，试验主要从两方面进行，一方面是减少NOx 的生成，另一方面是将生成的NOx 进行吸收。在减少NOx 生成方面，可以采取低煤燃烧实现炉膛温度降低，减弱氮氧化物生成途径中所需的高温，另外，采取减少送风量和二次风量，即减少送入炉膛中空气量，减少了空气中N2与O2参与氮氧化物的生成，同时减少了生成氮氧化物途径中所需的反应物还可以减弱燃烧，降低生成氮氧化物途径中所需的高温[2]。在对NOx 吸收方面，由于NOx 吸收的难点在于如何将低价态的NO 氧化成为高价态的氮氧化物（NO2、N2O5），再被溶液吸收。查阅对比几种强氧化性物质，发现臭氧的氧化能力极强，臭氧的氧化还原电位仅次于氟，比过氧化氢、高锰酸钾都高。此外，臭氧的反应物是氧气，不会产生二次污染，所以它是一种高效清洁的强氧化剂，同时制取臭氧的原料是空气中的O2，运行成本低。所以可以利用臭氧的强氧化性将NOx 中的低价态氮氧化物（NO）氧化为高价态氮氧化物（NO2、N2O5），然后用吸收液（常见的有Ca（OH）2，NaOH 等碱液）将转化后高价态氮氧化物吸收。

2 试验过程及结果分析

根据试验方法，主要从三个方面来进行试验，分别为：

（1） 通过减少送风量和二次风量，以控制燃烧的方式来减少NOx 的生成量的试验研究：

试验2#锅炉在正常运行工况下，同时减少二次风风量和送风风量，记录NOx 排放浓度变化，表1 是试验数据。

表1 2#锅炉NOx 排放量在不同二次风量和送风量下对比值

从试验数据可以看出，在二次风和送风变频都下降的情况下，NOx 的含量下降明显，因为二次风变频不能降低到70%以下，再低就会有熄火的风险，所以在二次风下降到70%就保持不变时，继续减少送风量，从最初的40%减少到28%，含氧量变化不大，但是NOx 折算值由396 mg/ Nm3降低到330 mg/ Nm3，降幅约16%，而蒸汽流量由11.08 t/h 下降到8.18 t/h，下降了2.9 t/h，基本可以保障生产用汽所需。从减少二次风风量和送风风量的试验来看，在能够维持生产的条件下，减少二次风量和送风量可以减少NOx 的生成，降低NOx 排放量在17%左右。

（2） 通过添加臭氧作为强氧化剂来减少NOx 的排放浓度的实验研究：

由于NO 被臭氧氧化的效率受反应温度、停留时间、O3/NO 摩尔比、吸收液浓度4 个因素的影响，因此，在试验中，将针对影响臭氧脱硝的四个因素来展开研究。

1 不同反应温度试验：

试验3#锅炉在不同位置的烟气排放通道添加高流量：100 Nm3/h、低浓度：24.9 mg/L 的臭氧，记录相同工况下燃烧稳定后NOx 排放量平均值变化。

试验是在连续几天寻找相同负荷条件下进行的，从炉膛温度上判断锅炉燃烧工况虽有轻微波动但波动小可以认定为在保持一致情况下试验。为方便在不同位置加入点进行试验，在空预器出口、脱硫塔上进行开孔，并用软管连接将臭氧引入到指定位置。几次试验中，在脱硫塔人孔上添加臭氧效果最好。从试验数据和图1 中可以看出添加臭氧后相比未添加臭氧，NOx 排放量都有下降，而随着添加位置温度的降低效果更明显，NOx 折算值下降了33 mg/ Nm3，降幅约为8.7%，这可能与臭氧的热分解性质有关，虽然都低于150 ℃，臭氧分解量不多，但高于100 ℃时，温度越高越影响臭氧使用效果[4-5]。

图1 3#锅炉烟气NOX 排放量在不同位置添加臭氧对比值

2 不同停留时间试验：

在上述温度试验中，确定了添加位置在100 ℃以下的脱硫塔人孔效果好，由锅炉烟气在线监测数据得出脱硫塔人孔处烟气的流速在3 m/s 左右，脱硫塔长度大与3 m，氮氧化物中NO 与臭氧反应时间大于1 s，而排烟道出口因为长度更长，且烟气流速相比脱硫塔人孔处要更低，因此烟气与臭氧在排烟道出口处的反应时间要远长于脱硫塔处反应时间，试验了2#锅炉在上述两处位置加加低流量：50 Nm3/h、高浓度：37.9 Mg/l 臭氧，记录相同工况下燃烧稳定后NOx 排放量平均值变化，表2 是试验数据。

表2 2#锅炉烟气NOX 排放量在不同位置添加臭氧对比值

试验结果可以看出两处位置添加臭氧效果一样，表明反应时间加长了也没降低氮氧化物排放。O3与NO 生成NO2的反应很快，100 ℃时1 s 内即可达到反应平衡，继续加大时间对NO2生成影响不大，因此两处位置添加臭氧效果相同。但因为脱硫塔人孔处添加臭氧，在引风机的吸力下会带进空气，长时间运行会导致引送风变频差过高，从而使引风机长时间处于高负荷工作状态，增加引风机故障停机风险，而在排烟道出口处没有其他引送风装置，靠烟气自由流动来与臭氧反应，不会影响锅炉正常运行，在降低氮氧化物排放相同的情况下决定将臭氧添加方式定为——添加在排烟道出口处，尾端加装吸收液喷洒装置。

3 不同吸收液浓度试验：

试验1#炉NOx 排放量随停碱液泵和正常启动碱液泵、手动加高碱液浓度的变化，逐渐提高吸收液中PH 值，记录NOx 排放量变化，表3是试验数据。

表3 1#炉烟气排放量在不同清水池PH 值对比值

试验是在相同负荷下进行的，期间未对锅炉燃烧进行过调整，给煤变频6%，产汽量在10 t/h 左右。从试验数据可以看出，长时间停碱液泵，清水池PH 值显酸性，氮氧化物排放浓度折算值都在350 mg/ Nm3以上，正常启碱液泵当清水池PH 值在7 以上，显弱碱性时，氮氧化物折算值有5%左右降幅，后续人为倒入150 公斤片碱之后，清水池PH 值瞬间从7.6 升高稳定至11.95，对于NOx 折算值来说，降幅并不明显，与PH值为7.6 差不多，在避免片碱过度浪费的前提下，添加片碱使清水池PH 值在7 以上，即可对氮氧化物折算值减排起效果，而过高也不能加大对氮氧化物的吸收。

（3） 综合上述两个方向试验找出的最利因素做综合试验：

分别试验三台锅炉在保持清水池PH 值在7 以上、给煤为8%的正常工况下，同时降低送风量和降低二次风量到极限值，即送风量变频为给煤量变频的3倍、二次风量变频在70%，以及添加效果最宜浓度臭氧，即在排烟道出口添加低流量50 Nm3/h、高浓度37.9 Mg/l 的臭氧），记录烟气中NOx 排放量平均值变化，图2 是试验数据对比值。

从图2 数据可以看出降低送风量和降低二次风量到极限值，同时添加效果最宜浓度臭氧后试验后，锅炉燃烧效率降低，虽然降低产蒸汽流量3t/h 左右,但可以保障生产。两种措施下1# 炉试验前后NOx 折算值由356 mg/ Nm3降低到272 mg/Nm3，降幅约为26%，2#炉试验前后NOx 折算值由376 mg/ Nm3降低到263mg/Nm3，降幅约为30%，3# 炉试验前后NOx 折算值由386 mg/ Nm3降低到270 mg/Nm3，降幅约为30%，采取措施后, NOx折算值都在300 mg/ Nm3以下，远低于要求400 mg/Nm3。

图2 不同锅炉NOx 排放量在试验前后对比图

3 结论

本研究通过控制其他无关变量，调整相关量的变化，逐一试验测定烟气中氮氧化物排放量的变化，分别多次进行了送风量改变对比试验、二次风量改变对比试验、添加臭氧位置改变对比试验、添加臭氧浓度改变对比试验等。通过试验数据对比分析可得出以下结论：

（1） 锅炉燃烧中降低送风量和二次风量的大小可以实现控制烟气中NOx 排放量的目的，其中降低极限值为二次风量在变频值70%，送风量变频值在给煤变频值的3 倍左右，降到极限值虽会降低锅炉的产蒸汽量，但可以保证生产用汽，可以降低烟气中NOx 的含量约20%。

（2） 锅炉烟气中NOx 排放量在加大片碱量后无明显变化，表明锅炉烟气中NOx 大部份含量为难溶于水的NO，控制烟气中NOx 难点在于控制NO 转化吸收上。

（3） 在相对温度较低排烟道出口处添加低流量高浓度的臭氧，加上末端的吸收液喷洒装置控制烟气中NOx 排放量效果最好，烟气中NOx 折算值降幅约为12%。

（4） 在能保障好正常生产前提下，牺牲适当的燃烧效率，综合前面试验中降低送风量和二次风量到极限值，同时结合添加最宜浓度臭氧措施，烟气中NOx 折算值平均降幅可以达到约30%。