摘 要：随着国民经济的发展，电力需求越来越大，燃煤锅炉不断扩建，煤炭需求量明显增加。煤炭的燃烧产生大量氮氧化物，其中，大气污染物中的氮氧化物，70%来自于煤炭的燃烧，而火力发电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。氮氧化物的过量排放给人们的生产和生活坏境带来了严重的破坏，危害人体呼吸系统的健康，室内氮氧化物的质量浓度不能超过5mg/m3。参与形成光化学烟雾，造成环境污染，氮氧化物还会破坏大气臭氧层和形成酸雨，危害社会发展。
关键词：火电厂锅炉；氮氧化物；排放控制技术
氮氧化物是生成臭氧的气体，是导致细颗粒污染和灰霾的原因，氮氧化物排放的增加在很大程度上抵消了二氧化碳节能减排带来的环境效益。因而，“十二五”期间，国家将氮氧化物作为大气污染物控制的主要对象。氮氧化物的主要来源是火力发电、机动车排放物以及工业燃烧锅炉的排放，其中火力发电厂是氮氧化物最主要的来源。加强火电厂锅炉氮氧化物排放控制，成为对大气污染物控制的研究重点。
1 氮氧化物生成机理
1.1 热力型T-NOx（ThermalNOx）
由燃烧用空气中的氮气在高温下氧化而生成。其生成机理多用捷里道维奇（Zeldovich）反应式表示，如图1所示，温度是影响T-NOx生成最重要和最显著的因素，随着温度的升高，T-NOx的生成速度按指数规律迅速增加。研究表明，当燃烧温度低于1500℃时，几乎没有T-NOx生成，只有当温度高于1500℃时，T-NOx的生成反应才变得明显起来。T-NOx的控制方法主要包括：降低燃烧温度，降低氧气浓度，使燃烧在远离理论空气比的条件下进行，缩短在高温环境下的燃烧时间。
1.2 燃料型F-NOx（FuelNOx）
燃料中含有的氮化合物（如杂环氮氧化物）在燃烧过程中氧化生成氮氧化物。其形成过程包括挥发性NO与焦炭性NO两种途径，F-NOx的生成量与火焰附近氧浓度密切相关。从图1中可以看出，与T-NOx不同，F-NOx生成过程的温度水平较低，且在初始阶段，温度影响明显，在高于1400℃后趋于稳定。
1.3 快速型P-NOx（PromptNOx）
由空气总氮和燃料中碳氢离子团如CH等反应生成NOx。P-NOx在CH类原子团较多、氧气浓度相对较低的富燃料燃烧时产生，其生成对温度的依赖性很低。
2 火电厂锅炉氮氧化物控制技术
2.1 烟气脱硝技术
2.1.1 选择性非催化还原法脱硝技术
选择性非催化还原法是指在不使用催化剂的条件下，将还原剂从800～1100℃的高温烟气口喷入，进而降低氮氧化物浓度。这种方法对温度的要求较高，当温度高于1100℃时，氮氧化物的热分解能力会降低，当温度低于800℃时，氮氧化物的分解不完全。因此，需要对温度进行合理控制，尽量使其保持在800～1100℃之间。这种技术的操作工艺较为简单，一般不需要大量的资金投入，但对氮氧化物的脱硝效率不高，一般在25%～40%之间。
2.1.2 选择性催化还原法脱硝技术
选择性催化还原法是指在有催化剂的条件下，将还原剂从300～400℃的高温烟气口喷入，进而降低氮氧化物浓度。这种技术的脱硝效率较高，一般在80%～90%之间，氮氧化物的排放浓度会大幅降低，一般为100mg/Nm3左右。
2.1.3 选择性催化还原法和选择性非催化还原法联合脱硝技术
这种联合技术结合了上述两种脱硝方法的优点，主要是將选择性非催化还原法的还原剂喷入炉膛，并和选择性催化还原法的催化技术结合，进一步对氮氧化物进行脱硝。这种技术的脱硝率一般在40%～80%之间。
2.2 低氮氧化物燃烧技术
2.2.1 空气分级燃烧
空气分级燃烧的基本原理是将燃烧用的空气分阶段送入，首先将一定比例的空气（其量小于理论空气量）从燃烧器送入，使燃料先在缺氧条件下燃烧，燃料燃烧速度和燃烧温度降低，燃烧生成CO；燃料中氮分解成大量的HN、HCN、CN、NH3和NH2等，它们相互复合生成氮气或将已经存在的NOx还原分解，从而抑制了燃料NOx的生成。然后，将燃烧所需空气的剩下部分以二次风形式送入，使燃料进入空气过剩区域燃尽。在此区间，虽然空气量多，但由于火焰温度较低，在第二级内也不会生成大量的NO。因此，NOx生成总量降低。空气分级燃烧存在的问题是二段空气量过大，会使不完全燃烧损失增大；煤粉炉由于还原性气氛易结渣、腐蚀。
2.2.2 燃料分级燃烧
燃料分级燃烧也称再燃法，在燃烧中已经生成的NO遇到CH4和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO的还原反应。将80～85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1条件下燃烧生成NOx，其余燃料在主燃烧器上部送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区内被还原成氮分子。再燃区不仅使已经生成的NOx还原，同时还抑制了新NOx的生成，使NOx浓度进一步降低。
2.2.3 烟气再循环技术
烟气再循环法是指在锅炉的空气预热器前方抽取一部分低温烟气，将其与一次风或二次风混合后送入炉内。烟气再循环技术可降低锅炉内的火焰温度以及局部的氧浓度，进而降低燃料型氮氧化物的浓度。烟气再循环技术能够将氮氧化物的浓度降低25%左右，但现阶段其存在的问题是由于受燃烧稳定性影响，一般烟气的再循环率为15%～20%，且需占用的场地较大，使用费用较高。
2.2.4 浓淡燃烧
浓淡燃烧是近几年国内外采用的降低NOx排放的新技术。其原理是使部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃区），即燃料过淡燃烧；部分燃烧器供应较少的空气（呈富燃区），即燃料过浓燃烧。由于两者都偏离理论空气量，从而使燃烧温度降低，较好地抑制NOx的生成。
2.3 锅炉燃气低氮技术
2.3.1 分级燃烧
分级燃烧技术的主要特点是燃料和空气分级送入炉膛。燃料分级是在主燃烧区送入大部分燃料，可在一次火焰区尾部形成一个富含NH3，CH，HCN的低氧还原区，已生成的NOx在通过该区域时，部分会被还原成N2。空气分级是将燃料燃烧所需空气分阶段送入炉膛，先将理论空气量的80%左右送入主燃烧器，形成缺氧富燃料燃烧区，在燃烧后期将燃烧所需空气的剩余部分以二次风形式送入，使燃料在空气过剩区燃尽。分级燃烧能够确保燃料进行充分燃烧，同时大大降低烟气中NOx的生成，采用分级燃烧技术可减少60%左右的NOx排放。
2.3.2 煙气再循环
燃烧产生的部分烟气，经冷却后再循环送回燃烧区，或与空气进行混合后送入燃烧区，由此降低氧浓度和燃烧区的温度，达到减少NOx生成量的目的，这种方式被称为烟气再循环燃烧技术。其原理是通过循环烟气的吸热作用降低火焰温度，稀释氧气浓度，降低燃烧速度，以减少热力型NOx生成。烟气再循环技术主要减少的是热力型NOx，对燃气锅炉降氮效果最为显著，这是由于天然气的含氮量低，且NOx生成又以热力型为主。另外，该技术的使用效果与再循环烟气量也有关，烟气再循环率一般控制在10%～20%，若过高则会出现燃烧不稳定的情况，未完全燃烧热损失也会增加。经验表明，烟气再循环率为10%～15%时，燃气炉的NOx排放浓度可降低40%以上。烟气再循环的控制方法是通过风机进口控制挡板来调节烟气再循环回收的烟气量，挡板由PLC通过4mA～20mA信号进行控制，通过回收烟气量与燃烧负荷整定出最佳燃烧曲线，实现自动控制，根据锅炉不同工况下运行状况自动调整烟气的回收量，以达到锅炉在不同负荷运行下，将NOx浓度控制在合理的范围内的目的。烟气再循环技术会在一定程度上降低锅炉的热效率，需要通过合理的回收和精准的控制将其影响降至最低。烟气再循环技术可在一台锅炉上单独使用，也可和其他低氮燃烧技术配合使用，使得NOx排放更低。
3 结语
我国对NOx的控制研究起步较晚，目前国内常采用的低氮燃烧技术、选择性催化还原和选择性非催化还原等技术各有优缺点、适用条件和防治效果。相关科研人员应当加快研究步伐，不断降低脱硝成本和提升其稳定性，获得独立自主的技术，控制NOx达标排放，以改善我国大气环境。
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