马方 罗贤寿

（福建省锅炉压力容器检验研究院三明分院 福建三明 365000）

0 引言

近年来，随着我国工业产业的快速发展，国民经济水平的不断提高，与此同时，也对生态环境造成了一定的破坏。 为降低工业发展对生态环境的影响，国家不断推广清洁能源，鼓励工业锅炉煤改气，极大地降低了SO2和颗粒物的排放。 氮氧化物（NOx）为天然气燃烧过程中主要的污染物，因此控制NOx排放可使燃天然气锅炉更加的环保。 为减少燃气锅炉NOx 的排放，大量锅炉采取低氮技术。 由于具有经济节能的特性，冷凝式燃气锅炉在实际运用中得到了推广， 在冷凝水回收过程中对于NOx 的排放控制也具有一定的效果。

1 NOx 生成规律

NOx 分为热力型NOx、 快速型NOx 以及燃料型NOx 3种。 其中，热力型NOx 主要由空气中的氮气和氧气在1 500 ℃以上高温的环境中发生氧化反应生成的NOx。 随着温度的升高，NOx 的生成率成倍数的增长。 燃气锅炉在实际燃烧过程中，较容易出现燃烧室的局部高温，因此，燃气锅炉烟气中的主要NOx 类型为热力型。 而快速型NOx 是由于燃料在富氧的燃烧状况下生成的NOx， 而燃料型NOx 由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成，通常在富燃料（氧浓度相对较低）的情况下产生。 由于燃气锅炉的气体燃料与空气混合均匀，因此快速性NOx 和燃料型NOx 均不易产生。

NOx 主要为NO 和NO2，NO2主要通过NO 与HO2的反应生成，NO2分解后又生成NO，NO2的生成不会显著影响燃烧过程总NOx 的排放。

2 冷凝式余热回收装置对NOx 的理论净化效果

2.1 NOx 在冷凝水的溶解和反应过程

锅炉废气中氮氧化物中NO 含量较多，NO2含量相对较少。 NO 在水中溶解度低，根据相关文献的研究，当排烟温度为25～40 ℃，且过量空气系数为1.0～1.4 时，冷凝水对NO 的吸收率为2.8%～8.6%［1］。 而NO2在水中溶解度较高，溶解后形成硝酸和亚硝酸水溶液。

2.2 NOx 在冷凝水中理论吸收量的计算

烟气冷凝水由于与锅炉废气中的NOx 气体接触， 产生化学反应以及物理溶解，最后部分气体会被冷凝水带走，实际排到大气中的NOx 含量低于燃烧产生的NOx 含量， 冷凝水对NOx 最大吸收量的计算公式［1］如式（1）：

式中：mls（tp）为排烟温度为tp时理论冷凝水质量，g；s（tp）为排烟温度为tp时NOx 的溶解度，g/g 水；M 为NOx 的摩尔 质量，g/mol；C 为NOx 的吸收量体积溶度，m3/m3；Vy为烟气体积，m3。

结合中海福建天然气的成分， 烟气中水蒸气体积含量公式如式（2）～（4）［3］：

式中：a 为过量空气系数；da为空气含湿量，kg/m3（标态）。

由式（2）可计算冷凝水的质量计算公式如式（3）：

式中：φ 为冷凝率。

整理公式（1）～（3）可知：

由式（4）可知，冷凝水对NOx 的吸收量体积溶度C 与NOx溶解度S（tp）成正比，与冷凝率φ 成正比，随着空气湿度的上升NOx 的吸收量会上升。

3 锅炉运行控制参数对NOx 吸收的影响

根据公式（1），NOx 吸收率与冷凝率成正比。 根据文献［2］的研究， 过量空气系数和排烟温度作为锅炉最重要的控制参数， 对烟气水蒸气冷凝率有着重要的影响， 因此也将影响到NOx 的吸收效果。 尤其是过量空气系数，不仅影响了烟气冷凝水量，同时，过量空气系数过高会提高参与反应中的氧气量，对快速性NOx 的生成有一定的影响。

3.1 过量空气系数对NO 产生和排放的影响

NO 在锅炉燃烧过程中的生成是复杂的，由于过量空气系数直接决定了参与燃烧反应中的氧气以及氮气的成分比，因此，过量空气系数会对NO 的生成产生影响。 文献［1］给出了CNO与过量空气系数a 的经验公式：

由式（5）可知，NO 的产生随着空气过量系数的增加而减少。

3.2 过量空气系数对NOx 的吸收溶度的影响

由于过量空气系数对冷凝率有一定的影响， 由道尔顿定律可知，随着过量空气系数的上升，同等情况下，水蒸气分压降低，水蒸气的露点温度也随之降低，因此NOx 的吸收量体积溶度与过量空气的关系较为复杂。 随着过量空气系数的增加，水蒸气的露点温度也随之降低。 由相关研究数据整理出排烟温度、过量空气系数与冷凝率的关系如图1。

图1 排烟温度、过量空气系数与冷凝率的关系［3］

结合图1 和公式（4）可知，在排烟温度低于露点温度的情况下，由于空气中的水分的存在，过量空气系数的提高，会提高烟气中的水蒸气体积， 但过量空气系数的提高会显著降低烟气中水蒸气的冷凝率。 由图1 可知，在相同排烟温度下，过量空气系数对烟气水蒸气冷凝率的影响并不显著。 因此，过量空气系数波动不大的情况下， 对烟气水蒸气冷凝量的影响不明显，从而对NOx 的吸收量产生的影响也是有限的。

3.3 排烟温度对NOx 排放及吸收的影响

3.3.1 排烟温度影响冷凝水的生成量

由图1 可知，排烟温度对水蒸气的冷凝率影响较大，尤其当排温温度较高时，冷凝水生成率较低甚至为零，故而排烟温度的升高会显著影响冷凝水对NOx 的吸收。

3.3.2 排烟温度对NOx 溶解度的影响

随着排烟温度的升高，NOx 的温度以及冷凝水的温度都会随之升高， 由于当压强一定时气体的溶解度会随着温度的降低而升高。 基于上述情况，当排烟温度低于冷凝温度时，排烟温度越低，冷凝水对NOx 的吸收率越高。

同时， 当锅炉输入热量高于单位时间内烟气与锅炉介质换热量时， 可能引起炉膛温度超高以及锅炉排烟温度过高的情况， 将导致冷凝水无法生成以及由于炉膛温度过高增加热力型NOx 的生成量，从而使锅炉烟气NOx 的大量排放。

4 总结

（1）冷凝式锅炉的冷凝水对NOx 排放的减少量随着排烟温度的升高而减少，随着空气过量系数的增大而减少。 因此在锅炉运行过程中控制好排烟温度以及过量空气系数可有效地提高冷凝式锅炉的NOx 减排的减排效果。

（2）由于NO2具有易溶于水的特征，NO2的吸收率极高，因此采用“燃烧器分级燃烧+烟气再循环”的低氮燃烧方式可使部分NO 转化为NO2， 从而提高冷凝水NOx 的吸收率， 减少NOx 的排放［4］。

（3）本文在分析过程中，未考虑冷凝器的结构型式。 因不同冷凝器在冷凝水生成的过程中， 冷凝水与烟气的接触表面积不同，烟气中NOx 的吸收量也有所不同。由于本文在研究过程中假定烟气与冷凝水充分接触， 因此冷凝器的结构形式及其烟气与冷凝水接触对NOx 减排的影响有待进一步的研究。