电厂锅炉技术----低NOx排放技术

北极星环保网讯:电站锅炉NOX排放控制标准限于成本的考虑，我国火力发电燃煤锅炉主要考虑燃烧控制技术。根据不同燃煤燃烧时NOX排放控制可以达到的技术水平，确定火电厂大气污染物排放标准。为了满足火电厂大气污染物排放标准规定的NOX排放要求，国产燃煤锅炉主要采用低NOX燃烧器和分级燃烧技术，其经济性最好。

一、 NOx生成机理

燃烧过程中生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常把这两种氮的氧化物称为NOx。其中NO占90%以上。国内外对煤燃烧过程中NOx的生成机理做了大量的研究，对NOX的生成机理及其影响因素都比较清楚了。

由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成分不同，因而NOx的生成有三种不同的机理：热力NOx，它是燃烧过程中空气里的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物，它占总的氮氧化物的(20~50)%;快速NOx，它是燃料中的碳氢化合物CHx与空气中的N2，在过量空气系数为(0.7~0.8)时，由预混燃烧生成，其生成地点不是发生在火焰面的下游，而是在燃烧初期的火焰面内部，而且反应时间极短，在实际燃烧装置中，快速NOx量很少，就煤粉炉而言，小于5%;燃料NOx，它是燃料中所含的氮化合物，在燃烧过程中氧化而生成的氮氧化物，它占总的氮氧化物的75%左右。

NOx生成的最大特点就是与煤的燃烧方式、燃烧工况有关系。NOx生成量强烈地依赖于燃烧的温度水平，此外与风煤比，传热和煤种以及煤、空气和燃烧产物的混合程度有关。正因为这样，可以通过改善燃烧方式，改变锅炉运行条件来降低NOx生成量。下面分别简述3种类型NOx的生成机理及主要影响因素。

1.热力型NOx

热力型NOx系燃烧过程中空气中的氮和氧在高温中生成的NO及NO2总和，其总反应方程为：

N2+O2=2NO

NO+1/2O2=NO2

这一机理又称捷里多维奇(Zeldovich)机理，依照这一机理，空气中的N2在高温下氧化，热力型NO并非按上述方程直接生成，系以一组不分支链锁反应进行。氮原子只能通过N+N2=N+NO产生，而不是由氮分子分解产生。

影响热力氧化氮生成的主要因素是温度、氧浓度以及在高温区的停留时间。其中温度对热力NOx生成速率的影响最大，热力NOx的生成速率与温度几乎呈指数的关系。氧浓度增大和在高温区停留时间的延长，都会使热力NOx生成量增加。在典型的煤粉火焰中，热力NOx占总NOx排放量的20%左右。对实际煤粉锅炉，燃烧温度的降低，以及温度分布均匀化，都能有效地降低热力NOx的生成。

由于氧原子与N2反应的活化能比氧原子与火焰中可燃成分反应的活化能高的多，而且氧原子在火焰中存在时间较短：故火焰不会产生大量的NO，NO的生成反应系在燃料中可以燃烧部分基本烧完之后的高温区进行。由于热力型NO生成的活化能很高，在1500℃以下几乎观测不到NO的生成反应，当温度超过1500℃时，温度每上升100℃，反应速度将增加6~7倍。热力型NOx可占生成总量的25%~30%。

NO生成反应速度与温度呈指数规律外，还与N2浓度成正比及O2浓度的平方根成正比，并与停留时间有关。要控制热力型NOx的生成，则必须降低燃烧温度;避免产生局部高温区;缩短烟气在高温区停留时间以及降低烟气中氧的浓度。

2.燃料型NOx

煤中的氮原子与各种碳氢化合物结合成氮的环状或链状化合物，如C5H5N、C6H5NH2等。煤中氮有机化合物的C-N结合键能较空气中氮分子的N三N键能小得多，在燃烧时容易分解。从氮氧化物生成的角度看，氧更容易首先破坏C-N键与氮原子生成NO。煤燃烧时燃料型NOX约为NOX生成总量的75~90%。

在一般燃烧条件下，煤中氮有机化合物先被分解成氰(HCN)、氨(NH3)和CN等中间产物，作为挥发分而析出，称为挥发分N;而残留在焦碳中的氮，称为焦碳N。挥发N要比其它挥发分析出要晚一些，一般当挥发分析出10~15%时，挥发分N才开始析出。燃料N转化为挥发分N的比例与煤种、析出时的温度及加热速度有关。在挥发分氮中，HCN与NH3所占比例与多种因素有关：对于烟煤，HCN比例一般大与NH3，劣质烟煤则以NH3为主，无烟煤挥发分N中HCN与NH3均较少;煤中燃料N以芳香环结合时，挥发分N以HCN为主，燃料N以胺的形式存在时，NH3是主要的热解初始产物;挥发分N中HCN及NH3产率随温度增高而增加，但温度超过1000~1100℃时，NH3含量达到饱和;随温度上升，燃料N转化为HCN的比例大与转化为NH3的比例。

燃料型NOX的反应机理较热力型复杂的多，两种形态的氮氧化物HCN及NH3以不同的反应途径生成NO，同时伴随NO还原为N2的反应。HCN氧化为NCO后，可能有两条反应途径，取决于反应条件。在氧化性气氛中，NCO会进一步氧化生成NO;而在还原气氛中，NCO会反应生成NH。NH在氧化气氛中会进一步氧化生成NO，成为NO的生成源，同时，又能与已生成的NO进行还原反应，使NO还原为N2。

NH3可能作为NO的生成源，也可作为NO的还原剂。NH3与OH、O及H反应生成NH2，NH2再与OH及O、H反应生成NH。NH会被氧化生成NO;而NH也可直接与NO反应还原为N2及OH或H2O;NH与OH及O反应还可以生成原子N，原子N与NO可反应还原生成N2及O。

在通常燃烧温度下，煤粉燃烧时由挥发分生成的NOX占燃料型NOX的60~80%。而由焦碳生成的NOX则占20~40%。焦碳N生成NOX的情况较复杂，与氮在焦碳中N—C、N—H之间的结合状态有关。有人认为焦碳N是通过焦碳表面多相反应而生成NOX;也有人认为焦碳N与挥发分N一样，是首先以HCN及CN的状态析出后氧化生成NOX的。但研究表明，在氧化性气氛中，随着过量空气的增加，挥发分NOX增长迅速，明显超过焦碳NOX的增长。这可能由两方面原因所致：焦碳N生成NOX的活化能较碳氧反应的活化能大，故焦碳NOX是在火焰尾部生成，其所处烟气的氧浓度较低，再加上因温度较高，可能焦碳中的灰熔融而使焦碳反应表面减少，致使焦碳NOX生成量减少;另一方面，焦碳表面具有还原作用，在碳及煤灰中CaO的催化作用下，可促进焦碳NOX还原。

3.快速型NOX

快速型NOX是弗尼莫尔1971年发现的。碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会瞬间快速生成NOX。与热力型及燃料型不同，快速型NOX是燃料燃烧时产生的烃类等撞击空气分子中N2分子而生成CN、HCN等再被氧化成NOX。