淺談NOX的生成機理和控制技術

中建中環工程有限公司 210008

摘要：隨著對環保要求的不斷加強，對NOx的排放越來越嚴格。NOx是重要的酸性污染氣體，煤炭和石油的燃燒是人為產生NOx排放的最主要來源。本文分析了煤炭在燃燒中生成NOx的機理和規律，以及各自的特點，介紹了控制和減少NOx生成的基本技術。

關鍵詞：氮氧化物；機理；控制；分級

一、氮氧化物生成機理

煤燃燒產生的NOx即氮氧化物，NO占有90%以上，NO2占5% - 10%，NOx生成機理一般分為如下三種。

1熱力型NOx生成機理

反應式：

N2 + O2 → 2NO （1-1）

NO + 1/2O2 →NO2 （1-2）

熱力NOx的生成量和燃燒溫度關系很大，在溫度足夠高時，熱力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。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。

2 快速型NOx生成機理

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，其形成時間只需要60ms。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NOx生成機理

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60～80%。在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機化合物熱裂解產生N，CN，HCN和等中間產物基團，然后再氧化成NOx。由于煤的燃燒過程由揮發份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，其中揮發份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轉換量就越大；火焰溫度越高NOx轉換量就越大；揮發分NOx轉化率隨氧濃度的平方增加。

二、氮氧化物生成的影響因素

根據第一章中的NOx生成機理可知，煤燃燒過程中影響NOx生成的主要因素有：

1.煤種特性，如煤的含氮量、揮發分含量、燃料中固定碳/揮發分之比以及揮發分中含H量/含N量之比等；

2.燃燒區域的溫度峰值；

3.反應區中氧、氮、一氧化氮和烴根等的含量；

4.可燃物在反應區中的停留時間。

由此，對應的低NOx燃燒技術的主要途徑如下：

1.減少燃料周圍的氧濃度。包括：減少爐內過剩空氣系數，以減少爐內空氣總量；減少一次風量和減少揮發分燃燼前燃料與二次風的摻混，以減少著火區段的氧濃度。

2.氧濃度較少的條件下，維持足夠的停留時間，使燃料中的N不易生成NOx，

且使生成的NOx經過均相或多相反應而被還原分解。

3.過剩空氣的條件下，降低溫度峰值，以減少熱力型NOx的生成，如采用降低熱風溫度和煙氣再循環等。

4.入還原劑，使還原劑生成CO、NH3和HCN，它們可將NOx還原分解。

具體方法有：分級燃燒、燃料再燃、濃淡偏差燃燒、低過剩空氣燃燒和煙氣再循環等。

三、空氣分級燃燒技術和燃料分級燃燒技術介紹

1 空氣分級燃燒

空氣分級燃燒的基本原理為：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：

NH+NH → N2+H2 （2-1）

NH+N0 → N2+0H （2-2）

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：

CN+02 → C0+N0 （2-3）

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。

2 燃料分級燃燒

燃料分級燃燒，又稱為燃料再燃技術。其原理如下：由于已生成的N0在遇到烴根CHi和未完全燃燒產物C0、H2、C和CnHm時，會發生NO還原反應，這些反應的總反應方程式為：

4N0+CH4→2N2+C02+2H20 （2-4）

2NO+2CnHm+（2n-1+m/2）02→N2+2nC02+mH20 （2-5）

2NO +2C0→N2+2C02 （2-6）

2N0+2C→N2+2CO （2-7）

2N0+2H→N2+2H20 （2-8）

再燃燃燒技術就是利用這個NO破壞原理來降低排放的。具體來說就是：燃料分級送入爐膛，在燃燒區火焰的上方噴入另外的碳氫燃料，以建立一個富燃料區使生成的NOx轉化為HCN，并最終得到無害的N2。比較典型的就是，將80%～85%的燃料（稱為一次燃料）送人第一級燃燒區（主燃燒區），在a>1的條件下燃燒生成NOx；其余15%～20%的燃料（稱為二次燃料、再燃燃料）則在主燃燒器的上部送人二級燃燒區（再燃區），在a<1的條件下形成很強的還原性氣氛，在主燃燒區生成的NO。就會通過以上反應被還原成氮分子（N2）。再燃區中不僅能使已生成的NOx得到還原，同時還抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放濃度進一步降低。此外，再燃區的上面還需布置啦“火上風” 噴口以形成第三級燃燒區（即燃燼區），以保證在再燃區中生成的未完全燃燒產物的燃燼。所以這種再燃法又叫三級燃燒技術。

四、結束語

通過對NOx生成機理和影響因素的分析，提出了控制低NOx的主要途徑，并著重介紹了空氣分級燃燒和燃料分級燃燒這兩種低NOx燃燒技術，現在大多數的火力發電機組都安裝了脫硝技術，希望本文對生產實踐有所參考。

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