燃燒型氮氧化物生成、控制途徑及技術淺談

【摘 要】燃料燃燒的過程會生成NO和NO2兩種氮的氧化物稱為氮氧化物，氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一，NOx產生機理有熱力型、快速型及燃料型三種方式，熱力型和快速型在兩種氮氧化物所占比重較小，燃燒型氮氧化物才是產生氮氧化物的主要來源，通過分析燃料型產生機理，來降低和控制NOx產生，通過低氮燃燒技術組合研發各種不同的低氮燃燒方式已達到控制降低氮氧化物的排放。

【關鍵詞】氮氧化物;低NOx燃燒技術;機理

氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的氮氧化物NOx有多種不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5，其中NO和NO2是主要的大氣污染物。我國氮氧化物的排放量中70％來自于煤炭的直接燃燒。

研究表明，氮氧化物的生成途徑[2]有三種：（1）熱力型NOx，指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成NOx；（2）快速型NOx，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成NOx；（3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成NOx；在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在溫度低于1300℃時，幾乎沒有熱力型NOx。對常規燃煤鍋爐而言，NOx主要通過燃料型生成途徑而產生?？刂芅Ox排放的技術指標可分為一次措施和二次措施兩類，一次措施是通過各種技術手段降低燃燒過程中的NOx生成量；二次措施是將已經生成的NOx通過技術手段從煙氣中脫除。

１．熱力型

熱力NOx的生成和溫度關系很大，在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的30% ，隨著反應溫度T的升高，其反應速率按指數規律增加。當T<1300℃時NOx的生成量不大，而當T>1300℃時T每增加100℃，反應速率增大6～7倍。

熱力型NOx的生成是一種緩慢的反應過程，是由燃燒空氣中的N2與反應物如O和OH以及分子O2反應而成的。所以，降低熱力型NOx的生成主要措施如下：

①降低燃燒溫度，避免局部高溫。

②降低氧氣濃度。

③縮短在高溫區內的停留時間。

2.快速型

快速型NOx是在碳氫化合物燃料在燃料過濃時燃燒，燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成。快速NOx在燃燒過程中的生成量很小，影響快速NOx生成的主要因素有空氣過量條件和燃燒溫度。

3.燃料型

燃料型NOx是由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃時就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產物中占60～80%。由于煤的燃燒過程由揮發分燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化（揮發分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，其中揮發分NOx占燃料型NOx大部分。

影響燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的揮發分含量、燃燒過程溫度、著火階段氧濃度等。燃料的揮發分增加NOx轉換量就增大，揮發分NOx轉化率隨氧濃度的平方增加?；鹧鏈囟仍礁逳Ox轉換量就越大。

根據其影響因素，控制燃料NOx生成的途徑主要是：

①含N量低的燃料。

②過濃燃料。

③燃料與空氣的混合。

通過以上的機理可知，在日常生活中燃料（煤）燃燒是氮氧化物產生的主要方式，因此要降低NOx排放就要從控制燃燒型NOx方面入手。目前，氮氧化物控制技術可分為兩大類，一類是燃燒中控制技術；另一類是燃燒后控制技術。其中燃燒中控制技術是根據氮氧化物的形成機理而開發的，主要有低氧燃燒法，分級燃燒法，煙氣再循環法，低NOx燃燒器法等；燃燒后控制技術可分為干法，濕法和干一濕結合法三大類。下面分別簡要介紹燃燒中低NOx燃燒技術。

低NOx燃燒技術主要有：分級燃燒、燃料再燃、低過?？諝馊紵蜔煔庠傺h等幾種方式。

3.1空氣分級燃燒

空氣分級燃燒的基本原理為[3]：將燃燒所需的空氣量分成兩級送入，使第一級燃燒區內過量空氣系數在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NOx的生成。同時，燃燒生成的CO與NO進行還原反應，以及燃料N分解成中間產物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或與NO還原分解，抑制了燃料型NOx的生成。

在二級燃燒區內，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次空氣輸入，成為富氧燃燒區。此時空氣量雖多，一些中間產物被氧化生成NO，但因火焰溫度低，生成量不大，因而總的NOx生成量是降低的，最終空氣分級燃燒可使NOx生成量降低30％～40%。當采用空氣分級燃燒后，火焰溫度峰值明顯比不采用空氣分級燃燒時降低，故熱力型NOx降低。

分級燃燒可以分成兩類：一類是燃燒室（爐內）中的分級燃燒；另一類是單個燃燒器的分級燃燒。燃燒室中的分級燃燒方法是，通常在主燃燒器上部裝設空氣噴口，形成所謂的火上風 （over fire air，也稱為燃盡風）。[4.5]

3.2燃料分級燃燒

在主燃燒器形成的初始燃燒區的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區，NOx進入本區將被還原成N2。為了保證再燃區不完全燃燒產物的燃盡，在再燃區的上面還需布置燃盡風噴口。改變再燃燒區的燃料與空氣之比是控制NOx排放量的關鍵因素。存在問題是為了減少不完全燃燒損失，需加空氣對再燃區煙氣進行三級燃燒，配風系統比較復雜。

3.3煙氣再循環

除了空氣和燃料分級降低NOx的排放量之外，目前使用較多的還有煙氣再循環法。它是在鍋爐的空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐內，或者是與一次風或二次風混合后送入爐內，這樣不但可以降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，因而可以降低NOx的排放濃度。

煙氣再循環技術，其核心在于利用煙氣所具有的低氧以及溫度較低的特點，將部分煙氣再循環噴人爐膛合適的位置，降低局部溫度及形成局部還原性氣氛，從而抑制NOx的生成。煙氣再循環技術在很多情況下是被用來防止鍋爐運行中的結焦問題。對于燃燒無煙煤等難燃煤種以及煤質不是很穩定的電站鍋爐，則不宜采用煙氣再循環技術。其原理為從空氣預熱器前抽取溫度較低的煙氣，通過再循環風機將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣混合后一起送去爐內。

3.4低過量空氣燃燒

低過量空氣燃燒也叫低氧燃燒，就是使燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進行。對于鍋爐，由于燃燒條件不一樣，因此過量空氣系數對NOx的影響程度是不可能相同的。采用低氧燃燒時，不僅降低NOx，而且鍋爐排煙熱損失減少，對提高鍋爐熱效率有利；但是，如果爐內氧的濃度過低，低于3?時會造成CO濃度的急劇增加，從而大大增加化學未完全燃燒熱損失，同時也會引起飛灰含碳量的增加，導致機械未完全燃燒損失增加，因而使燃燒效率降低。此時，燃燒效率就成為了降低NOx的制約因素。因此在確定過?？諝庀禂捣秶鷷r，必須兼顧燃燒效率、鍋爐效率較高和NOx等有害物質量少的要求。在鍋爐設計和運行時，必須全面考慮，選取最合理的過量空氣系數，避免出現為降低NOx，的排放而產生諸如降低燃燒效率、引起爐膛結渣與腐蝕等其他問題。

3.5低NOx燃燒器

低NOx燃燒器是根據NOx的形成機理，通過特殊設計的燃燒器結構，以及通過改變燃燒器的風煤比例，可以將空氣分級、燃料分級和煙氣再循環降低NOx濃度的原理應用于燃燒器，以盡可能地降低著火區氧的濃度，適當降低著火區的溫度，達到最大限度地抑制NOx生成目的。低NOx燃燒技術起步較早，國內新建的300MW及以上火電機組已普遍采用LNBs技術。對現有100～300MW機組也開始進行LNB技術改造。采用LNB技術，只需用低NOx燃燒器替換原來的燃燒器，燃燒系統和爐膛結構不需作任何更改。

表1 幾種技術的技術要點存在的問題

綜上所述，結合新疆的實際狀況，對于一些規模較小經濟實力較低的企業可以考慮采用以上幾種低NOx燃燒技術來控制NOx生成，我們可以通過以上一種或幾種技術的結合的方式來進一步降低NOx排放，以符合國家對于“十二五”脫硝的目標。 [科]

【參考文獻】

［１］任建興.瞿曉敏.傅堅剛.等.火電廠氮氧化物的生成與控制[J].上海電力學院學報.2002.18(3):19-23．

［２］吳碧君.燃燒過程NOx的生成機理[J].電力環境保護.2003.19(4):9-12．

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［４］張強.李彥鵬.徐益謙. 再燃還原NOx機理及其技術發展[J].工業鍋爐.2001.(2):17-19．

［５］安恩科.于娟等.低NOx燃燒器與常規直流煤粉燃燒器的NOx生成特性的研究.動力工程.2006.（6）．