电厂锅炉NOx的形成与控制

电厂锅炉NOx的形成与控制

滕生平

北京唐发电股份有限公司高井发电厂

内容摘要

简要叙述了电厂锅炉NOx的形成及控制技术。分析了NOx的形成条件，提出了降低NOx的技术措施，同时指出了低NOx燃烧技术对我国现有电厂锅炉所产生的影响及应采取的响应措施。对电厂锅炉降低NOx排放有指导意义。

关键词：电厂锅炉 Nox形成与控制

一、前言

煤燃烧后产生的污染物较多，其中引起酸雨的主要物质除二氧化硫外就是氮氧化物。氮氧化物排放到大气中对环境造成很大危害，通过呼吸进入人体内，刺激呼吸道和肺部，并对心、肝、肾等造成腐蚀损害，还会引起急性或慢性中毒，并有致癌作用。所以大气中氮氧化物的含量已逐渐引起了各国的关注，许多国家已制订了非常严格的氮氧化物排放法规。氮氧化物的主要来源之一是电站锅炉的燃烧产物，所以采取相应的措施来控制氮氧化物的形成及排放也变得非常重要。

煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮(NO)和二氧)，这二种统称为氮氧化物(NOx)，在煤燃烧过程中氮氧化氮(NO

2

化物的生成量和排放量与煤的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件有关。根据专家研究表明，在煤的燃烧过程中生成NOx的主要途径有三个：

1、热力型NOx，它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NOx。

2、快速型NOx，它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如HC等反应生成的NOx。

3、燃料型NOx，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的NOx。

这三种类型的NOx，其各自的生成量和煤的燃烧温度有关，在电厂锅炉中燃料型NOx 是最主要的，其占NOx总量的60~80%，热力型其次，快速型最少。

二、电厂锅炉中NOx的生成过程

热力型NOx的生成

热力型NOx是空气中的氧(O

2)和氮(N

2

)在燃料燃烧时所形成

的高温环境下生成的NO和NO

2

的总和，其总反应式为：

N 2+O

2

←→2NO NO+O

2

←→NO

2

当燃烧区域的温度低于1000K时，NO的生成量很小，而温

度在1300~1500℃时，NO的浓度大约为500~ 1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加。因此，温度对热力型NOx的生成具有决定作用。

根据热力型NOx的生成过程，要控制其生成，就需要降低锅炉炉膛中燃烧温度，并避免产生局部高温区，以降低热力型NOx 的生成。

快速型NOx的生成

快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气中的N

2

分子发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤锅炉中，其生成量很小。

燃料型NOx的生成燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中氧化反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。燃煤电厂锅炉中产生的NOx中大约75~ 90%是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤电厂锅炉产生的NOx的主要途径。研究燃料型NOx的生成和破坏机理，对于控制燃烧过程中NOx的生成和排放，具有重要的意义。

燃料型NOx的生成和破坏过程不仅和煤种特性、燃料中的氮化合物受热分解后在挥发份和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且其反应过程还和燃烧条件(如温度和氧)及各种成分的浓度等密切相关。研究它的生成机理，大约有以下规律：

在燃料进入炉膛被加热后，燃料中的氮有机化合物首先被热

分解成氰(HCN)、氨(NH

4

)和CN等中间产物，它们随挥发份一起

从燃料中析出，它们被称为挥发份N。挥发份N析出后仍残留在燃料中的氮化合物，被称为焦炭N。随着炉膛温度的升高及煤粉细度的减小(煤粉变细)，挥发份N的比例增大，焦炭N的比例减

小。挥发份N中的主要氮化合物是HCN和NH

3

，它们遇到氧后，HCN首先氧化成NCO，NCO在氧化性环境中会进一步氧化成NO，如在还原性环境中，NCO则会生成NH，NH在氧化性环境中进一步氧化成NO，同时又能与生成的NO进行还原反应，使NO还原

成N

2

，成为NO的还原剂。主要反应式如下：

在氧化性环境中，HCN直接氧化成NO：

HCN+O←→NCO+H NCO+O←→NO+CO NCO+OH←→NO+CO+H

在还原性环境中，NCO生成NH：

NCO+H←→NH+CO

如NH在还原性环境中：

NH+H←→N+H

2NH+NO←→N

2

+OH

如NH在氧化性环境中：

NH+O

2←→NO+OH NH+OH←→NO+H

2

NH

3

氧化生成NO：

NH

3+OH←→NH

2

+H

2

O NH

3

+O←→NH

2

+OH NH

2

+O←→NO+H

2

以上反应生成的NOx燃烧过程中如遇到烃(CHm)或碳(C)时，

NO将会被还原成氮分子N

2

，这一过程被称为NO的再燃烧或燃料分级燃烧。根据这一原理，将进入锅炉炉膛的煤粉分层分级引入燃烧的技术，可以有效的控制NOx的生成排放。

在一般情况下，燃料型NOx的主要来源是挥发份N，其占总量的60 80%，其余为焦炭N所形成。在氧化性环境中生成的NOx

遇到还原性气氛时，会还原成N

2

，因此，锅炉燃烧最初形成的NOx，并不等于其排放浓度，而随着燃烧条件的改变，生成的NOx 可能被还原，或称被破坏。煤中的N在燃烧过程中转化为NOx的量与煤的挥发份及燃烧过量空气系数有关，在过量空气系数大于1的氧化性气氛中，煤的挥发份越高，NOx的生成量越多，若过量空气系数小于1，高挥发份燃煤的NOx生成量较低，其主要原因是高挥发份燃料迅速燃烧，使燃烧区域氧量降低，不利于NOx 的生成。

根据以上三种NOx的生成原因及过程可知，对电厂锅炉，只要控制了燃料型NOx 的生成，就可控制总NOx的排放量。根据其形成特点，在燃料燃烧的高温区域建立富燃料区(低氧燃烧)及在形成的NO区域喷入燃料破坏NOx的生成，就可降低锅炉NOx 的排放量，因此发展了低氧燃烧、分级配风及分级燃烧等低NOx 燃烧技术。

三、低Nox燃烧技术

由NOx的形成条件可知，对NOx的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过量空气量。因此，低NOx燃烧技术就是通过控制燃烧区域的温度和空气量，以达到阻止Nox生成及降低其排放的目的。对低NOx燃烧技术的要求是，在降低NOx的同时，使锅炉燃烧稳定，且飞灰含碳量不能超标。目前常用的低NOx燃烧技术有如下几种：

1、燃烧优化

燃烧优化是通过调整锅炉燃烧配风，控制NOx排放的一种实用方法。它采取的措施是通过控制燃烧空气量、保持每只燃烧器的风粉(煤粉)比相对平衡及进行燃烧调整，使燃料型NOx的生成降到最低，从而达到控制NOx排放的目的。

煤种不同，燃烧所需的理论空气量亦不同。因此，在运行调整中，必须根据煤种的变化，随时进行燃烧配风调整，控制一次风粉比不超过1.8:1。调整各燃烧器的配风，保证各燃烧器下粉的均匀性，其偏差不大于5% 10%。二次

风的配给须与各燃烧器的燃料量相匹配，对停运的燃烧器，在不烧火嘴的情况下，尽量关小该燃烧器的各次配风，使燃料处于低氧燃烧，以降低NOx的生成量。

2、空气分级燃烧技术

空气分级燃烧技术是目前应用较为广泛的低NOx燃烧技术，它的主要原理是将燃料的燃烧过程分段进行。该技术是将燃烧用风分为一、二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量(一次风)，提高燃烧区域的煤粉浓度，推迟一、二次风混合时间，这样煤粉进入炉膛时就形成了一个富燃料区，使燃料在富燃料区进行缺氧燃烧，以降低燃料型NOx的生成。缺氧燃烧产生的烟气再与二次风混合，使燃料完全燃烧。

该技术主要是通过减少燃烧高温区域的空气量，以降低NOx

的生成技术。它的关键是风的分配，一般情况下，一次风占总风量的25 35%。对于部分锅炉，风量分配不当，会增加锅炉的燃烧损失，同时造成受热面的结渣腐蚀。因此，该技术较多应用于新锅炉的设计及燃烧器的改造中。

3、燃料分级燃烧技术

该技术是将锅炉的燃烧分为两个区域进行，将85%左右的燃料送入第一级燃烧区进行富氧燃烧，生成大量的NOx，在第二级燃烧区送入15%的燃料，进行缺氧燃烧，将第一区生成的NOx进行还原，同时抑制NOx的生成，可降低NOx的排放。

4、烟气再循环技术

该技术是将锅炉尾部的低温烟气直接送入炉膛或与一次风、二次风混合后送入炉内，降低了燃烧区域的温度，同时降低了燃烧区域的氧的浓度，所以降低了NOx的生成量。该技术的关键是烟气再循环率的选择和煤种的变化。

四、低NOx燃烧器

根据低NOx燃烧技术发展的低NOx燃烧器有很多种，应用最广泛的是空气

分级燃烧技术。这里以巴布科克-日立公司的HTNR型燃烧器为例，介绍NOx的形成及破坏机理。

图1中示意了在煤粉火焰中进行火焰内NOx还原的概念。挥发份NO 以极快的反应速度随着火焰锋面的生成而生成。然而在富燃料的条件下，伴随着氧量的快速消耗，大量的燃烧中间产物---碳氢化合物（碳氢化合物基团）也生成了，这些碳氢化合物基团与NO反应生成NH基团和其他一些含N的燃烧中间产物，并最终将NO分解成N2。这一系列反应在几十个毫秒的时间内就完成了。

图1 火焰内NOx还原机理

旋流燃烧器能独立控制火焰结构，HTNR燃烧器充分利用了这点来促进火焰内的NOx还原过程。这从以下三点可以看出HTNR 燃烧器是如何利用这一点来提高NOx的还原效果的：

?使用火焰稳定环来促进煤粉的快速着火；

?在燃烧器喷口处使用导向板使外二次风偏离煤粉火炬；

?使用高效旋流器促进NOx 的还原。

第一点就能使煤粉颗粒中的含N化合物快速挥发出来，由反应速度较慢的固态转变成易于通过反应进行处理的气态，有利于NOx的还原。同时由于挥发份的快速着火，使火焰温度能维持较高的水平，防止出现不必要的燃烧推迟，缩短了这一阶段的炉内停留时间，对焦碳颗粒的燃尽很有好处。

第二点能有效地保证还原性火焰的形状。其另一个作用是能确保燃烧初期的高温还原性火焰不过早与外二次风接触。

第三点对促进火焰后期空气与反应物的混合是非常重要的。高性能的外二次风旋转射流所形成的独立的旋转火焰能使得火焰内NOx还原的各种反应得以充分进行。因此，就没必要在燃烧器喉口周围安装另外的空气喷口。图2示意了HTNR燃烧器中燃烧及NOx还原的基本过程。

图2 HTNR燃烧器煤粉燃烧及NOx还原过程图

五、低NOx燃烧技术对电厂锅炉运行的影响

通过燃烧调整，降低NOx 的排放，对于老电厂来讲，主要是防止负面影响。进行燃烧器改造，安装了低NOx燃烧器后，锅炉飞灰含碳量增加、水冷壁腐蚀及炉内结渣等现象将会出现，使电厂运行效率降低，而且对火焰的稳定性、燃烧效率、过热蒸汽温度的控制等均带来影响，因为这些问题均与过量空气系数有关。

因此，在锅炉的运行中，在确保锅炉受热面不腐蚀结渣及飞灰含碳量不增加的前提下，应尽量减少过剩空气量，同时有效分配各燃烧器的风煤比，并保证其均匀性，否则，可导致局部飞灰含碳量增高，降低锅炉效率。根据情况，可适当降低煤粉细度，来减少NOx而导致的飞灰含碳量增加。

六、结论

随着国家新的大气排放标准的颁布实施，对电站锅炉的NOx 排放已提出要求，低NOx燃烧技术将会得到推广应用，并进一步得到完善。为满足环保要求，采用切实可行的措施及改造方案，降低锅炉的NOx排放。如锅炉的燃烧优化调整、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环及低NOx燃烧器等。不同的锅炉、不同的燃烧方式及煤种特性，可选用不同的低NOx 燃烧技术，从燃烧方面达不到标准要求的，须安装脱硝装置，以降低NOx的排放。

附：参考文献

1.毛健雄，毛健全，赵树民等著，《煤的清洁燃烧》，科学出版社，

1998年。

作者简介

滕生平，男，1966年9月生。1989年7月毕业与西安交通大学，现任高井发电厂设备部锅炉高级主管，工程师。

通讯地址：石景山区北京大唐发电股份有限公司

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电话：68861177－2057

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