摘要通过分析我国煤的燃烧现状和氮氧化物的危害,针对煤燃烧过程中NOx的形成途径,探讨目前较常用的几种控制NOx污染的技术措施和存在的问题,最后指出,我国应当进一步开发和研究烟气脱氮技术。
关键词NOx 排放控制 低氮燃烧
中图分类号:X7文献标识码:A
1 我国煤的燃烧现状
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国,也是世界上为数不多的以煤炭为主要一次能源的国家之一。煤炭在我国能源消费结构中的比例一直很高,1959年是94.7%,1976年为最低点69.9%,自20世纪90年代以来,一直在75%~76%之间。当前,煤炭为我国提供了70%以上的发电燃料,60%的化工原料和80%的民用燃料。根据预测,到2015年,煤炭还要占62.6%,即使到了2050年,煤炭仍占50%以上。因此,在相当长的一个时期内,我国以煤为主的能源消费结构将难以改变。但是,煤炭的利用效率不高和由燃烧造成的环境污染一直是制约我国可持续发展的最重要的因素之一。
2 氮氧化物的危害
大气中的NOx几乎有一半以上是由于人为污染源所产生的。NOx以燃料燃烧过程中所产生的数量最多,约占30%以上,其中70%来自于煤炭直接燃烧。
氮氧化物NOx是大气污染的重要组成成分,其环境危害主要表现在以下几方面:
(1)破坏臭氧层。破坏臭氧层,从而改变紫外线到达地面的强度;臭氧层的变化还会引起气候的变化,对生态系统造成损害,农作物减产。
(2)产生酸雨。空气中的氮氧化物NOx还是产生酸雨的重要来源,它使得土壤和水源酸化,影响农作物的生长。
(3)光化学反应产生的二次污染。大气中NOx和挥发性有机物VOC达到一定浓度后,在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应,就会产生以高浓度O3和细颗粒物为特征的光化学烟雾,形成了夏季城市天空经常出现的蓝色烟雾。光化学烟雾是一种二次污染,污染区主要位于污染源下风向30km-50km。
(4)危害人体健康。现代科学已经证实人类许多疾病的产生与空气中氮氧化物NOx有着直接的关系。对人体健康和生态环境危害最大的是NOx,主要是影响呼吸系统,可引起支气管炎和肺气肿。光化学烟雾会使大气能见度降低,对眼睛、喉咙有强烈的刺激作用,并会产生头痛、呼吸道疾病恶化等症状。
因此,对燃煤过程中氮氧化物NOx的排放控制对保护环境有着至关重要的作用。
3 煤燃烧过程中NOx的形成途径
在燃烧过程中,NOx生成的途径有三种:一是空气中氮在高温下氧化产生,称为热力型NOx;二是由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx,称为快速型NOx;三是燃料中含氮化合物在燃烧中氧化生成的NOx,称为燃料型NOx。
4 控制NOx排放的技术措施
控制大气中NOx污染的技术措施很多,但总的来说可以分为燃烧中控制和燃烧后控制两大类型。所谓燃烧中脱氮主要是指通过控制燃烧过程中NOx形成的因素降低NOx的生成;燃烧后脱氮主要是指烟气脱氮,是将已经生成的NOx,通过某种技术手段从烟气中脱除掉。由此发展起了两大类降低NOx的技术,即低NOx燃烧技术和烟气处理NOx技术。
4.1 低NOx燃烧技术
低NOx燃烧技术是降低燃煤NOx排放的最主要也是比较经济的技术措施,主要包括:
4.1.1 空气分级燃烧
空气分级燃烧(Air Staging)首先在美国发展起来,是目前国内外普遍采用的、比较成熟的低NOx燃烧技术。其基本原理是将燃烧所需要的空气量分成两级送入,使燃烧分两级完成。
一级燃烧区内,由于缺氧,使燃烧处于“富燃料燃烧”(或“贫氧燃烧”)状态,燃烧速度和温度降低,因而抑制了热力型NOx的生成。另外燃烧生成的CO和NO以及燃料中N分解成的中间产物(如NH,CN,HCN和NH3等化合物)相互复合作用,同样也抑制了燃料型NOx的生成。
二级燃烧区内,其余空气以二次空气输入,使未燃尽的碳氢化合物燃尽。同时也使一些中间产物被氧化成NO,但因温度低,故NO的生成量不大。
尽管空气分级燃烧弥补了简单的低过量空气燃烧所导致的未完全燃烧损失和飞灰含碳量增加的缺点,但是,若两级的空气比例分配不合理,或炉内的混合条件不好,则会增加不完全燃烧引起的损失;同时,煤粉炉一级燃烧区内的还原性气氛将导致灰熔点降低而引起结渣和受热面腐蚀。
4.1.2 燃料分级燃烧
燃料分级燃烧法(Fuel Staging)又叫再燃烧法,该方法将燃烧分成三个区域:一次燃烧区是在燃烧室的下部,送入80%~85%的燃料,并以过量空气系数a>1.05配置空气进行燃烧,生成NO、CO、H2O、O2和灰分等。在一级燃烧区的上部(火焰的下游)的第二燃烧区内,把其余的15%~20%的燃料喷入,在此区内燃烧过程是在还原气氛(a<1)下进行的,生成碳氢化合物基团CH等,这些基团把一次燃烧区中生成的70%~90%的NO还原成N2,通常此区称为再燃区。在第三燃烧区(称为燃尽区),再把燃烧所需的其余空气送入,在该区把残余的可燃物烧完。燃料分级燃烧法可以使NOx减排50%或以上。
和空气分级燃烧相比,燃料分级燃烧的燃尽率与降低NOx浓度的矛盾更加突出,由于燃料在燃尽区的停留时间更短,选择再燃区内的过量空气系数(a2)和利用“火上风”,组织好燃尽区的燃烧过程,以获得较高的燃尽率显得更为重要。
4.1.3 烟气再循环
烟气再循环法(简称FGR)的过程是让一部分温度较低的烟气直接送入炉内或与燃烧用的空气混合,使燃烧区内惰性气体含量增加,因烟气吸热和稀释了氧气的浓度,使燃烧速度和炉内温度降低,达到降低NOx浓度的目的。
4.1.4 低NOx燃烧器
在低NOx燃烧技术中,关键设备是新型燃烧器。它是通过降低燃烧区氧气的浓度,降低高温区的火焰温度和缩短可燃气体在高温区的停留时间等措施,从而降低NOx的生成量。
4.2 烟气脱氮技术
烟气脱氮法主要有选择性非催化法(SNCR)、选择性催化法(SCR)、电子束法、吸附法、吸收法和微生物法。
4.2.1 选择性非催化法(SNCR)
此法是用NH3、尿素等还原剂喷入炉内与NOx进行选择性反应,不用催化剂,还原剂喷入炉膛温度为900℃一1200℃的区域,该还原剂迅速热分解成NH3,并与烟气中的NOx进行SNCR 反应生成N2。该方法是以炉膛为反应器,温度控制是关键。该法氨液消耗量大,NOx的脱除率也不高,约为30%-60%,多用作低氮燃烧技术的补充处理手段。
4.2.2 选择性催化法(SCR)
此法是用氨气等作还原剂,在300℃一400℃的催化剂层中优先将NOx分解为N2和H2O。
选择性催化还原技术已在欧、美等发达国家燃煤电厂中商业应用。国际上对SCR脱硝的催化反应机理、反应动力学、催化剂性能改进等进行了大量的研究,我国在这方面也开始进行了部分研究。曲虹霞等利用V2O5/TiO2为催化剂,NH3为还原剂,在适宜的条件下,NOx脱除率可达90%。田柳青等以TiO2/A12O3/堇青石蜂窝陶瓷为载体,以V2O5―MoO3―W03为活性组分,制成了用于选择性催化还原烟气中NOx的新型催化剂,结果表明,该新型催化剂能取得最好的选择性催化还原氮氧化物的催化性能。
利用选择性催化法进行烟气脱氮时,不产生副产物,并且装置结构较简单,是目前应用最广泛,技术最成熟的烟气脱氮方法。这种方法在电厂和垃圾焚烧炉上都很有效,在水泥回转窑上则因粉尘浓度高、催化器易堵塞及电耗高等问题尚未进入实用阶段。但是尽管在理想状态下,此法NO脱除率可达90%以上,但实际上由于NI-13量的控制误差而造成的二次污染等原因,使得NOx脱除率仅达65%~80%。选择性催化法脱氮性能的好坏取决于催化剂的活性、用量以及NH3与废气中的NOx的比率等。
4.2.3 电子束法
电子束照射法脱硫脱氮技术是一种物理与化学相结合的高新技术。电子束照射法是利用电子加速器产生的高能等离子体氧化烟气中的SO2和NOx等气态污染物,氧化后的酸与加入的氨反应生成硫酸铵和硝酸铵的微细粉粒,粉粒经捕集器回收作农肥,净化气体经烟囱排入大气。
目前我国成都电厂引进了13本荏原公司的电子束技术进行烟气脱硫脱氮。但电子束照射法仍有不少缺点:①能量利用率低,当电子能量降到3ev以下后,将失去分解和电离的功能,剩余的能量将浪费掉;②电子束法所采用的电子枪价格昂贵,电子枪及靶窗的寿命短,所需的设备及维修费用高昂;③设备结构复杂,占地面积大,X射线的屏蔽与防护问题不容易解决。上述原因限制了电子束法的实际应用和推广。
4.2.4 吸附法
吸附法是利用吸附剂对NOx的吸附量随温度或压力的变化而变化,通过周期性地改变操作温度或压力,控制NOx的吸附和解吸,使NOx从气源中分离出来,属于干法脱硝技术。吸附法脱氮技术净化效率高,不消耗化学物质,设备简单,操作方便。但是由于吸附剂吸附容量小,需要的吸附剂量大,设备庞大,需要再生处理;而且为间歇操作,投资费用较高,能耗较大。
4.2.5 液体吸收法
液体吸收法是利用碱性溶液等吸收净化废气中的NOx。常见吸收剂有:水、NaOH、Ca(OH)2、NHOH、Mg(OH)2、稀HNO3等。采用氧化吸收法、还原吸收法及络合吸收法等可提高NOx的吸收效率。吸收法工艺过程简单,投资较少,吸收剂来源广泛,又能以硝酸盐的形式回收利用废气中的NOx。但是NOx去除效率低,能耗高,吸收废气后的溶液易造成二次污染。
4.2.6 微生物法
微生物法处理烟气脱氮就是利用微生物的生命活动将NOx转化为无害的无机物及微生物的细胞质。此法目前还处于实验阶段,而且存在着明显的缺点,例如填料塔的空塔气速、烟气温度、反硝化菌的培养、细菌的生长速度和填料的堵塞等等问题都有待于解决。
5 结语
燃煤过程对大气造成的污染正日益引起人们的关注,控制NOx的排放是煤燃烧利用研究中亟需解决的课题。但是,到目前为止,还没有一种兼具适用性强、效率高和成本低的NOx排放控制技术。尽管烟气净化技术的效率很高,但存在设备昂贵、运转费用较高、技术复杂,且使用NH3时易造成二次污染等问题。综合考虑环保与资金的问题,较为实际的方法是采取分级燃烧和设计出科学的燃烧反应器,对现有的燃煤设备进行改良,在燃烧过程中控制NOx的生成,可减少烟气的NOx处理量。若能和烟气净化过程有机结合,不需投入巨资便可大幅度降低NOx的排放量。此外,我国的脱氮装备工业目前尚处于起步阶段,尚未形成独立的门类,应当进一步开发和研究脱氮技术,特别是联合脱硫脱氮技术。
参考文献
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