金属镁行业氮氧化物产生及抑制的研究

金属镁行业氮氧化物产生及抑制的研究

杨鹏

山西银光华盛镁业股份有限公司  山西运城  043800

摘要：随着我国对环境保护的重视程度日益提高，对氮氧化物排放的限制也将逐步加强。因此，国内一些主要锅炉制造企业和工程公司等已对低氮燃烧技术进行了深入研究，特别是在已有设备上的应用，如在运行中的电站锅炉上进行低氮燃烧改造的实验和实际应用。国家对金属镁行业氮氧化物排放的标准极为严格，要求不得超过100mg/m3。因此，研究氮氧化物的产生和抑制方法变得尤为重要。

关键词：金属镁行业；氮氧化物；抑制策略；

引言：

金属镁行业在生产过程中会产生大量的氮氧化物，这对环境和人体健康构成了严重威胁。为了降低氮氧化物的排放，本文主要研究了低过量空气燃烧和烟气再循环法两种技术。这两种技术都可以有效抑制NOX的生成，但在实际应用中需要根据具体条件选择最合适的方案。

一、金属镁行业氮氧化物的产生原因

在燃烧过程中产生的 NOX一般可分为三大类:即热力型NOX(ThermaolNOX)、燃料型NOX(FeulNOX)、和快速型NOX(PromptNOX)。上述3种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同有差别。对于燃煤，通常燃料型NOX占70%~85%，热力型NOX占15%~25%，其余为少量的快速型 NOX 。

1.1热力型

热力型氮氧化物是在高温下，空气中的氮气与氧气发生氧化反应形成的。这一生成机制最早由原苏联科学家捷里道维奇提出。温度对热力型氮氧化物的生成影响显著，因此热力型氮氧化物也被称为温度型氮氧化物。当燃烧温度低于1800K时，热力型氮氧化物的生成量极少；而当温度超过1800K时，反应逐渐明显，且随着温度的升高，氮氧化物的生成量急剧增加。因此，控制热力型氮氧化物的关键在于降低燃烧温度，避免局部高温的出现。

1.2快速型

快速型氮氧化物主要是由燃料中的碳氢化合物在燃烧时，与空气中的氮气分子反应生成氰化物（CN）和氢氰化物（HCN），然后进一步氧化生成氮氧化物。因此，快速型氮氧化物主要产生在碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区。快速温度型氮氧化物的生成是在着火初始阶段，空气中的氮分子与燃料燃烧的中间产物烃（CHi）等发生碰撞，生成中间产物HCN和CN等，经过氧化最后生成NOX。其转化率取决于燃烧过程中的空气过剩条件和温度水平。

1.3  燃料型

燃料型氮氧化物是在燃料燃烧过程中，燃料中的氮化合物经过热分解和氧化生成的。这是煤气发生炉产生氮氧化物的主要方式，其生成量主要与氧浓度（化学当量比）有关。燃料型氮氧化物包括挥发分中均相生成的氮氧化物和由残焦中异相生成的氮氧化物两部分。挥发分中的氮主要以HCN和NH3的形式析出，然后氧化生成氮氧化物。其中，由挥发分燃料氮转化而成的燃料型氮氧化物（简称挥发分燃料型NOX）约占60%-80%，由煤炭燃料氮转化而成的氮氧化物（简称焦炭燃料型NOX）约占20%-40%。燃料中的氮化合物中的氮是以原子状态与各种碳氢化合物结合的，与空气中的氮相比，其结合键能量较小，因此这些有机化合物中的原子氮较容易分解出来，氮原子的生成量大大增加。在液体和固体燃料燃烧时，由于氮的有机化合物会释放出大量的氮原子，因此无论是挥发燃烧阶段还是焦炭燃烧阶段，都会生成大量的NO。对于煤来说，燃料氮向氮氧化物转化的过程大致可以分为三个阶段：首先是有机氮化合物随挥发分析出；其次是挥发分中的氮化合物燃烧；最后是炭骸中的有机氮燃烧。

二、影响氮氧化物产生的主要因素

2.1  炉膛氧量对氮氧化物排放的影响

在神木煤燃烧过程的试验中，我们发现：

当SRV值低于1.1时，NO析出量极小；当SRV大于1.1时，挥发分燃烧后氧气会有部分剩余，导致HCN、NH3等前驱物的大量氧化，从而引发NO的迅速增加。

在SRV=1.58之后，我们可以清楚地看到焦炭的燃烧，同时，随着氧气量的增加，加速了氧气从周围空间向焦炭表面的扩散，促进了焦炭的非均相氧化，从而使焦炭NOX迅速增加。当SRV增大到2.38时，达到最大值，随后随着SRV的增大，氮氧化物析出量开始呈现下降趋势。适宜的高温有利于早期挥发分的快速析出，从而降低整体NOX析出比例，如图2-1所示。

图2-1

2.2风、煤配比对氮氧化物排放影响

随着氧浓度的降低，在相同的配风方式下，NOX的排放浓度也逐步减少，各种配风方式（正塔、均等、束腰、倒塔）的NOX排放浓度依次降低，说明配风方式对NOX排放浓度的影响非常显著。

1）在正塔配风方式下，由于煤粉燃烧所需的空气在燃烧初期就已经大量混入主燃烧区，使得主燃烧区的氧化性气氛较强，从而导致燃烧区的NOX生成无法得到有效抑制。尽管这种燃烧方式下，主燃烧区温度比其他方式低，但由于燃料型NOX的生成在燃烧初期占主导地位，因此，该方式下NOX的排放浓度最高。

2）均等配风方式和束腰配风方式下，NOX的排放特性相近，均等配风方式的排放浓度略低于束腰配风方式。这两种配风方式下NOX的生成量均低于正塔配风方式，主要是由于这两种配风方式下，主燃烧区的氧浓度均低于正塔配风方式，从而抑制了燃料型NOX的生成，如图2-2所示。

图2-2

三、金属镁行业氮氧化物的抑制措施

3.1低过量空气燃烧

这是一种传统的低氮燃烧技术，其目的是让燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行。随着烟气中过量氧的减少，NOX的生成可以得到抑制。这是一种最为简单的降低NOX排放的方法，通常可以降低NOX排放15-20%。但是，如果炉内氧浓度过低（低于3%），会导致NOX浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起废气中一氧化碳含量上升，燃烧效率降低。因此，在设计和运行过程中，应选择最合适的过量空气系数。

3.2烟气再循环法

烟气再循环法降低NOX排放的效果取决于燃料种类、炉内燃烧温度和烟气再循环率。烟气再循环率越高，排放量减少的程度越大，但是再循环率受到再循环风机出力和煤粉燃尽率的影响。据经验，当烟气再循环率为15%~20%时，煤粉炉的NOX排放浓度可降低约25%。燃烧温度越高，烟气再循环率对NOX脱除率的影响越大。然而，烟气再循环效率的提高是有限的，当再循环率过高时，由于循环烟气量的增加，燃烧会变得不稳定，同时未完全燃烧热损失也会增加。因此，烟气再循环率通常控制在10%-20%范围内。

  3.3  实现效果

燃烧产生的烟气在流经蓄热体后，其温度会降至200℃以下，然后通过四通阀，最后由引风机排出。一部分排出的烟气会经过回烟装置与空气在鼓风机前混合，利用烟气来降低空气中氧的浓度，使得混合气体中的氧浓度低于21%。这种贫氧混合气体在经过鼓风机后，通过四通换向阀，在蓄热体中被加热，然后与燃料在燃烧室内混合进行燃烧。产生的烟气会从另一侧的烧嘴流出，进行循环燃烧。烟气再循环技术既可以稀释入炉气体中的氧浓度，又可以降低燃烧区域的温度，从而减少NOX的排放量。通过控制引风机和鼓风机前的调节阀来调节再循环的烟气量，可以获得不同的烟气再循环率，进而获得不同含氧体积浓度的助燃气体。如下图所示：

通过此办法，最终将氮氧化物排放量由400mg/m3以上降低为60-80mg/m3之间，达到国家对镁行业的排放要求，并通过环保在线系统实时监控数据。

结论：

通过采用低过量空气燃烧和烟气再循环法，可以有效降低金属镁行业燃烧过程中产生的氮氧化物的排放。未来，还需要进一步优化这些技术，以实现更高效、环保的金属镁生产。

参考文献：

[1] 刘海峰,李楠,张世鑫,等.一种可抑制氮氧化物生成的循环流化床锅炉:CN202020545629.5[P].CN212481261U[2023-11-02].

[2] 明玥,游国强,姚繁锦,等.金属镁的氧化及氧化机理研究进展[J].材料导报, 2021, 35(19):8.DOI:10.11896/cldb.20040174.