淺談NOX的生成機(jī)理和控制技術(shù)

中建中環(huán)工程有限公司 210008

摘要：隨著對(duì)環(huán)保要求的不斷加強(qiáng)，對(duì)NOx的排放越來越嚴(yán)格。NOx是重要的酸性污染氣體，煤炭和石油的燃燒是人為產(chǎn)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(jī)理和規(guī)律，以及各自的特點(diǎn)，介紹了控制和減少NOx生成的基本技術(shù)。

關(guān)鍵詞：氮氧化物；機(jī)理；控制；分級(jí)

一、氮氧化物生成機(jī)理

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

1熱力型NOx生成機(jī)理

反應(yīng)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(guān)系很大，在溫度足夠高時(shí)，熱力NOx的生成量可占到NOx總量的30%，隨著反應(yīng)溫度T的升高，其反應(yīng)速率按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)T<1300℃時(shí)，NOx的生成量不大，而當(dāng)T>1300℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍。T<1300℃時(shí)，NOx的生成量不大，而當(dāng)T>1300℃時(shí)，T每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍。

2 快速型NOx生成機(jī)理

快速型NOx是在碳?xì)浠衔锶剂显谌剂线^濃時(shí)燃燒，燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基和空氣中氮?dú)夥磻?yīng)生成HCN和N，再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的速度生成，其形成時(shí)間只需要60ms?？焖貼Ox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(jī)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(shí)就會(huì)生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中60～80%。在生成燃料型NOx過程中，首先是含有氮的有機(jī)化合物熱裂解產(chǎn)生N，CN，HCN和等中間產(chǎn)物基團(tuán)，然后再氧化成NOx。由于煤的燃燒過程由揮發(fā)份燃燒和焦炭燃燒兩個(gè)階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，其中揮發(fā)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(fā)分含量、燃燒過程溫度、著火階段氧濃度等。燃料的揮發(fā)分增加NOx轉(zhuǎn)換量就越大；火焰溫度越高NOx轉(zhuǎn)換量就越大；揮發(fā)分NOx轉(zhuǎn)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(jù)第一章中的NOx生成機(jī)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(fā)分含量、燃料中固定碳/揮發(fā)分之比以及揮發(fā)分中含H量/含N量之比等；

2.燃燒區(qū)域的溫度峰值；

3.反應(yīng)區(qū)中氧、氮、一氧化氮和烴根等的含量；

4.可燃物在反應(yīng)區(qū)中的停留時(shí)間。

由此，對(duì)應(yīng)的低NOx燃燒技術(shù)的主要途徑如下：

1.減少燃料周圍的氧濃度。包括：減少爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，以減少爐內(nèi)空氣總量；減少一次風(fēng)量和減少揮發(fā)分燃燼前燃料與二次風(fēng)的摻混，以減少著火區(qū)段的氧濃度。

2.氧濃度較少的條件下，維持足夠的停留時(shí)間，使燃料中的N不易生成NOx，

且使生成的NOx經(jīng)過均相或多相反應(yīng)而被還原分解。

3.過?？諝獾臈l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(fēng)溫度和煙氣再循環(huán)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(jí)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(huán)等。

三、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)介紹

1 空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒的基本原理為：將燃燒所需的空氣量分成兩級(jí)送入，使第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)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(shí)，燃燒生成的CO與NO進(jìn)行還原反應(yīng)，以及燃料N分解成中間產(chǎn)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(jí)燃燒區(qū)內(nèi)，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(qū)。此時(shí)空氣量雖多，一些中間產(chǎn)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(jí)燃燒可使NOx生成量降低30%～40﹪。當(dāng)采用空氣分級(jí)燃燒后，火焰溫度峰值明顯比不采用空氣分級(jí)燃燒時(shí)降低，故熱力型NOx降低。

2 燃料分級(jí)燃燒

燃料分級(jí)燃燒，又稱為燃料再燃技術(shù)。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(chǎn)物C0、H2、C和CnHm時(shí)，會(huì)發(fā)生NO還原反應(yīng)，這些反應(yīng)的總反應(yīng)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(shù)就是利用這個(gè)NO破壞原理來降低排放的。具體來說就是：燃料分級(jí)送入爐膛，在燃燒區(qū)火焰的上方噴入另外的碳?xì)淙剂希越⒁粋€(gè)富燃料區(qū)使生成的NOx轉(zhuǎn)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(jí)燃燒區(qū)（主燃燒區(qū)），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(jí)燃燒區(qū)（再燃區(qū)），在a<1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，在主燃燒區(qū)生成的NO。就會(huì)通過以上反應(yīng)被還原成氮分子（N2）。再燃區(qū)中不僅能使已生成的NOx得到還原，同時(shí)還抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放濃度進(jìn)一步降低。此外，再燃區(qū)的上面還需布置啦“火上風(fēng)” 噴口以形成第三級(jí)燃燒區(qū)（即燃燼區(qū)），以保證在再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃燼。所以這種再燃法又叫三級(jí)燃燒技術(shù)。

四、結(jié)束語

通過對(duì)NOx生成機(jī)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(jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒這兩種低NOx燃燒技術(shù)，現(xiàn)在大多數(shù)的火力發(fā)電機(jī)組都安裝了脫硝技術(shù)，希望本文對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐有所參考。

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