氮氧化物的产生机理及脱氮技术原理

氮氧化物的产生机理及脱氮技术原理：
一、氮氧化物的产生机理
在氮氧化物中，NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%，产生机理一般分为如下三种：（a）热力型
燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。

其生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich)反应式表示。

随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律。

当T<1500℃时，NO的生成量很少，而当T>1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6-7倍。

热力型氮氧化物生成机理(Zeldovich反应式)
在高温下总生成式为
（b）瞬时反应型(快速型)
快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的。

在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx。

由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成的与炉膛压力0.5次方成正比，与温度的关系不大。

上述两种氮氧化物都不占NOx的主要部分，不是主要来源。

（c）燃料型NOx
由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。

由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600－800℃时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占60－80％。

在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。

由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型的形成也由气相氮的氧化（挥发份）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成。

燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图
二、低NOx燃烧技术原理
对于没有脱硝设备和脱硝燃烧器的燃煤锅炉来说，也就是采用低氮燃烧技术来减少NOx的生成机会。

1）在燃用挥发分较高的烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。

燃料型NOx是空气中的氧与煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率，控制NOx排放总量，可采取：
（1）减少燃烧的过量空气系数；
（2）控制燃料与空气的前期混合；
（3）提高入炉的局部燃料浓度。

2）热力型NOx：是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增加化学活性；然后是高的氧浓度，要减少热力型NOX的生成，可采取：
（1）减小燃烧最高温度区域范围;
（2）降低锅炉燃烧的峰值温度;
（3）降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。

具体来说，就是在保证锅炉燃烧安全的前提下，采取以下措施来减少氮氧化物的生成：
1、低过量空气燃烧
使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx的生成。

这是一种最简单的降低NOx排放的方法。

一般可降低NOx排放15~20%。

但如
炉内氧浓度过低(3%以下)，会增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，使锅炉燃烧效率下降。

因此，在锅炉运行时，应选取最合理的过量空气系数。

2、空气分级送入炉膛
基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成，采用倒三角的配风方式。

在第一阶段预燃阶段，将从一次风室供入炉膛的空气量减少(相当于理论空气量的80%)，使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。

此时密相区内过量空气系数α<1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。

因此，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量。

第二阶段：燃烬阶段，为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在密相区中上部及过渡区的专门二次风喷口送入炉膛，与密相区下部在“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合，在α>1的条件下完成全部燃烧过程。

这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。

在密相区内的过量空气系数越小，抑制NOx的生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。

因此，为保证既能减少NOx的排放，又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。

3、燃料分级燃烧
在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO 的还原反应，重新还原为N2。

利用这一原理，将主要燃料送入密相区，在α>1条件下，燃烧并生成NOx。

送入密相区的燃料称为一次燃料，其余15~20%的燃料则在主燃烧器的上部送入悬浮区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在密相区中生成的NOx在悬浮区(再燃区)内被还原成氮分子，送入悬浮区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。

在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。

三、低氮燃烧改造措施
1、锅炉NOX初始排放过高的原因
锅炉燃烧不合理，一、二次风没有做到合理分配，炉膛温度局部偏高，氧气浓度偏高，炉内燃烧不均匀，使得锅炉出口NOx含量偏高。

2、技改措施和方法
1）控制供煤系统的燃煤颗粒度
保证锅炉入口燃煤粒度控制在8mm以下，以降低锅炉一次风用量。

2）二次风的合理分级
降低一次风风量后，可适当增加二次风风量。

原锅炉设有三层二次风入口风管，但由于原锅炉设计一次风量较大，因此二次风管道配置偏小，考虑到降低锅炉燃烧系统改造投资成本，基本维持原有的二次风管道分配；但需要增加二次风管径，在每个二次风管道上设置手动调节门，根据锅炉燃烧情况，调整调节门开度，达到二次风的最佳合理分配。

为了更好的进行分级配风，减少NOx的生成，将原有三层入风口的中间一层进行封堵，在炉膛卫燃带上边沿下部约500mm处，增设二次风管。

除了考虑高度方向的分级，还要求对水平方向进行分级，以达到炉膛氧量分配均匀的目标。

水平方向的二次风分级主要通过适当调整两侧和中间风管管径的办法来实现。

对于目前设计的传统二次风母管前后联络风箱，这部分风箱一般都需要适当扩大，以满足二次风特殊送风比例关系的要求，否则会影响静压风箱或者等压风箱二次风分配原理，不利于二次风取风点的均匀性。

3）二次风入口端直管段的确定
为了形成良好的二次风进入炉内的射流喷射效果，保持基本射程而不被扩散，要求二次风入口端的直管段至少为二次风管内径的6～8倍以上，原来不足的要设法予以延长，可以在直
管段前设置大弯曲半径的弯管，达到基本直管段要求。

4）二次风喷口、射流水平角度和调节阀门的选择
为了不妨碍二次风形成直线型非扩散射流，采用直管段直接插入炉墙上的二次风喷口中。

在选材时，与高温物料接触的这一小段金属管件，必须选用耐磨抗高温金属材质。

每个二次风分风道，选用手动调节风门。

为了增加二次风在炉膛内的穿透性，提高燃烧效率，适当减少二次风入炉射流的水平夹角。

5）尾气再循环
煤进入炽热燃烧的料层之后受热分解，在热分解过程中，煤中含的氮也作为挥发分而气化。

但是温度不同，气化的氮氧化合物占总氮的化合物比例也不同。

温度为800～900℃时，只占总氮的30%，在1000℃时才占50%～60%。

在热分解气化的氮化合物中，主要成分是NH3、HCN和N2，这些中间产物再与含氧化合物反应生成NO。

随着床温不同，他们所占比例也不同。

在通常的床温条件下NH3占相当大的比例。

当温度升高时，NH3含量减少，这是因为在高温条件下NH3分解成N2和H2的结果。

通常NO浓度是指流化床锅炉出口处NO的浓度，没有涉及流化床锅炉内部各处NO的变化情况。

实际上，在布风板附近（约300mm高度),NO浓度因为燃料挥发分的析出氧化急剧达到最大值，然后随高度方向逐渐下降。

在沸腾层表面一定距离后，逐渐稳定在一定的浓度。

这是由于在床层底部给煤集中，空气与燃料分配的比例不均和底部燃烧还不够强烈，底部的气流具有较高的氧浓度，致使NO大量生成。

随着床层增高，一方面流化床顺苏处于强烈的流化燃烧状态，需要大量氧气，而气泡的分割使床层密相区处于空气不足状态，NO生成量减少。

另一方面流化床内含有大量的NH3、CO、H2等，使已经生成的NO与C、NH3等发生还原反应，NO浓度沿着流化床锅炉高度降低到一个稳定的数值。

因此，尽可能的减少一次风，使床层下部处于缺氧状态，可以减少NO的生成。

但是，由于维持良好流化与控制料层温度的需要，一次风的供入量有最低数值的要求，引入含氧量比较低的尾气混入一次风中，可以在不减少总一次风量的同时减少供入的氧气，料层底部处于缺氧状态，而依然可以维持正常流化，从而显著降低NO的排放。

在控制燃煤颗粒度的条件下，降低锅炉一次风的风量。

同时为了有效减小锅炉一次风含氧量，又满足锅炉一次风流化风量需求，从引风机出口挡板门后增设一台离心风机，将引风机出口净烟气通过加压后，送入锅炉一次风机入口，充当锅炉一次风。

以有效降低一次风含氧量，增加风量分配调节裕度。

四、恒涛公司性能保证
通过锅炉低氮燃烧改造，投标方保证：
1）低氮燃烧改造后，锅炉燃烧效率不小于现有水平，锅炉飞灰、渣的残碳含量不大于现运行值；
2）不降低现有锅炉运行出力；
3）在锅炉满负荷运行时，在不投入炉内喷钙脱硫的情况下，氮氧化物排放浓度不高于220mg/m3（标态，干基，6%O2）。