燃煤電站鍋爐氮氧化物形成機理及防治措施

韓海軍++李建敏

[摘 要]氮氧化物（NOx）是火電廠排放的主氣體污染物之一，對環(huán)境和人體危害很大。煤燃燒的污染排放是我國主要大氣污染源之一。著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電力需求快速增加，燃煤鍋爐不斷擴建，用煤量顯著增加，氮氧化物（NOx）將會對大氣環(huán)境造成嚴重危害。前排放標準要求控制在450mg/m3，因此控制燃煤鍋爐的氮氧化物（NOx）的排放意義重大。

[關(guān)鍵詞]燃煤電站鍋爐氮氧化物 形成機理 防治措施

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0063-01

氮氧化物NOX是燃煤燃煤電廠煙氣排放三大有害物之一從污染角度考慮的氮氧化物主要是NO和NO2，統(tǒng)稱為NOX。在絕大多數(shù)燃燒方式下，主要成分是NO，約占NOX的90%多。NO是無色、無刺激氣味的不活潑氣體，在大氣中的NO會迅速被氧化成NO2。NO2是棕紅色有刺激性臭味的氣體。NOX可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統(tǒng)疾病，呼吸系統(tǒng)有問題的人士如哮喘病患者，較易受二氧化氮影響。

一、關(guān)于燃煤電站鍋爐氮氧化物及其形成機理

煤燃燒生成的氮氧化物主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等幾種， 統(tǒng)稱為NOx。在通常的燃燒溫度下，煤粉燃燒生成的NOx中，NO占90%以上，NO2占5%～10 %。其中污染大氣的主要是NO和NO2。NOx生成的途徑主要有三個，即燃料型NOx（Fuel N Ox）、熱力型NOx（thermal NOx）、快速型NOx（Prompt NOx）。

NOX的生成主要由熱力NOX和燃料NOX兩部分組成，前者由參與燃燒的空氣中所含的N2生成，后者由燃料本身的氮元素生成。

（一）熱力型NOx的生成

熱力型NOx是空氣中的氧（O2）和氮（N2）在燃料燃燒時所形成的高溫環(huán)境下生成的NO和NO2的總和，其總反應(yīng)式為：

N2+O2←→2NO

NO+O2←→NO2

當燃燒區(qū)域的溫度低于1000K時，NO的生成量很小，而溫度在1300～1500℃時，NO的濃度大 約為500～1000ppm，而且隨著溫度的升高，NOx的生成速度按指數(shù)規(guī)律增加。因此，溫度對 熱力型NOx的生成具有決定作用。根據(jù)熱力型NOx的生成過程，要控制其生成，就需要降低鍋 爐爐膛中燃燒溫度，并避免產(chǎn)生局部高溫區(qū)，以降低熱力型NOx的生成。

（二）燃料型NOx的生成

燃料型NOx的生成是燃料中的氮化合物在燃燒過程中氧化反應(yīng)而生成的NOx，稱為燃料型NOx 。燃煤電廠鍋爐中產(chǎn)生的NOx中大約75～90%是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤電廠鍋爐產(chǎn) 生NOx的主要途徑。在燃料進入爐膛被加熱后，燃料中的氮有機化合物首先被熱分解成氰（HC N）、氨（NH3）和CN等中間產(chǎn)物，它們隨揮發(fā)份一起從燃料中析出，它們被稱為揮發(fā)份N。揮 發(fā)份N析出后仍殘留在燃料中的氮化合物，被稱為焦炭N。隨著爐膛溫度的升高及煤粉細度的 減?。悍圩兗殻?，揮發(fā)份N的比例增大，焦炭N的比例減小。揮發(fā)份N中的主要氮化合物是HCN 和NH3，它們遇到氧后，HCN首先氧化成NCO，NCO在氧化性環(huán)境中會進一步氧化成NO，如在 還原性環(huán)境中，NCO則會生成NH，NH在氧化性環(huán)境中進一步氧化成NO，同時又能與生成的NO 進行還原反應(yīng)，使NO還原成N2，成為NO的還原劑。

（三）快速型NOx的生成

快速型NOx主要是指燃料中的碳氫化合物在燃料濃度較高區(qū)域燃燒時所產(chǎn)生的烴與燃燒空氣 中的N2分子發(fā)生反應(yīng)，形成的CN、HCN，繼續(xù)氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要產(chǎn) 生于碳氫化合物含量較高、氧濃度較低的富燃料區(qū)，多發(fā)生在內(nèi)燃機的燃燒過程。而在燃煤 鍋爐中，其生成量很小。根據(jù)以上三種NOx的生成機理可知，NOx的生成主要與火焰中的最高溫度、氧和氮的濃度以及 氣體在高溫下停留時間等因素有關(guān)。在實際工作中，可采用降低火焰最高溫度區(qū)域的溫度、 減少過量空氣等措施，降低NOx的生成量。

二、 燃煤電站鍋爐氮氧化物的防治措施

國家在倡導(dǎo)建設(shè)節(jié)能型社會的同時也越來越注意到能源消耗對環(huán)境帶 來的污染問題。根據(jù)目前能源的供應(yīng)情況來看，我 國將在未來相當長的一段時間內(nèi)繼續(xù)維持目前“以煤為主”的能源結(jié)構(gòu)。煤的燃燒是目前我國大氣污染的主要來源，而燃煤電站鍋爐污染所占比重又最大，因此降低燃煤電站鍋爐污染物排放的研究具有重要的意義。

根據(jù)我國現(xiàn)狀，對現(xiàn)有機組適宜采用而且切實可行的降低NOX的方法是：改進運行方式和提高控制燃燒技術(shù)。一般認為，通過燃燒調(diào)整，可使NOX的排放降低15%～25%以上。同時更為重要的要有具體的落實措施措施：如實現(xiàn)送風(fēng)和送粉均勻的監(jiān)控裝置。近期實際可行的降低NOX的方法是：粉管道間的燃料平衡；燃燒器間的送風(fēng)平衡；一次風(fēng)煤比；調(diào)整煤粉細度；盡可能提高OFA的風(fēng)箱壓力；減少過?？諝猓粻t膛吹灰的控制。

對于沒有脫硝設(shè)備和脫硝燃燒器的燃煤鍋爐來說，一般采用低氮燃燒技術(shù)來減少NOx的生成機會。熱力型NOx是燃燒時空氣中的N2和O2在高溫下生成的NOx，產(chǎn)生的主要條件是高的燃燒溫度使氮分子游離增本化學(xué)活性；然后是高的氧濃度，要減少熱力型NOx的生成。

一般情況下在保證鍋爐燃燒安全的前提下，采取以下措施來減少氮氧化物的生成：低過量空氣燃燒；空氣分級燃燒；燃料分級燃燒（也稱再燃法）；煙氣再循環(huán)；濃淡燃燒；低NOx燃燒器。從NOx的生成機理看，占NOx絕大部分的燃料型NOx在煤粉著火階段生成。因此，通過特殊設(shè)計結(jié)構(gòu)的燃燒器以及通過改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，在燃燒器著火區(qū)的燃燒過程達到空氣分級、燃料分級或煙氣再循環(huán)法的效果，以降低著火區(qū)氧的濃度，從而降低著火區(qū)的溫度達到抑制NOx生成的目的。對煤粉鍋爐來說，煤粉燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，不但煤粉是通過燃燒器送入爐膛的，而且煤粉燃燒所需要的空氣也是通過燃燒器送入爐膛的，煤粉氣流的著火過程爐膛中的空氣動力和燃燒工況主要是通過燃燒器的結(jié)構(gòu)及其在爐膛上的布置來組織的。因此從燃燒的角度看燃燒器的性能對煤粉燃燒設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟性起著主要的作用。由于低NOX燃燒器能在煤粉的著火階段就擬制NOx的生成，可以達到更低的NOx排放值，因此低NOx燃燒器得到了廣泛的開發(fā)和應(yīng)用，世界各國的大鍋爐公司為使其鍋爐產(chǎn)品能滿足日益嚴格的NOX排放標準的要求分別發(fā)展了不同類型的低NOx燃燒器，根據(jù)所采取的措施的不同各種不同類型的低NOx，燃燒器可以達到的NOx，降低率一般在30%60%。盡管低NOx燃燒技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、操作便易、投資少的優(yōu)點，但在一般情況下其最多只能降低NOx排放量的50%。鍋爐燃燒調(diào)整方法控制和降低NOx：1.采取空氣分級燃燒降低NOX的含量；2.在保證氣溫的同時降低火焰中心；3.二次風(fēng)配風(fēng)調(diào)整為倒梯形，開大上部輔助風(fēng)門，開大頂部反切風(fēng)門OFA1/2，F(xiàn)磨輔助風(fēng)門大于30%（F磨運行時，輔助風(fēng)門大于50%、反切風(fēng)門開度在60%以上）；4.在保證鍋爐氧量和鍋爐飛灰不增加的同時，減小送風(fēng)風(fēng)量；5.加大下層煤粉濃度，局部形成低氧燃燒；6.采取低過量空氣燃燒降低NOX的含量。當NOX含量上升較快或超標時，可采取適當降低總風(fēng)量的措施延緩NOx的生成在確保燃燒安全的情況下同時采用上面方法來控制氮氧化物，既兼顧了鍋爐運行的經(jīng)濟性，又在在降低NOx方面取得了比較明顯的效果。同負荷和同種煤種的前提下，調(diào)整后燃燒比前NOx降低了20%左右。

參考文獻

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[作者簡介]韓海軍，（1977—），男，內(nèi)蒙古人，畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事火力發(fā)電廠集控運行管理工作。