燃料燃烧过程中NOx产生的机理

燃烧过程中NOx生成机理
1本文介绍燃料燃烧过程中NOx产生的机理和危害，我国电站锅炉还未有Nox排放标准．四角切圆燃烧锅炉有利于降低NOx生成和控制NOx排放，适合我国国情，电站锅炉采用低NOx燃烧是一投入少，见效快的发展道路。

关键词：四角切圆燃烧降低NOx生成控制NOx排放
0前言
当今世界对电站锅炉产生的有害排放物作为一个重要控制指标，世界发达国家均已制定了电站锅炉NOx排放标准，美国已建电站锅炉NOx排放规定：
气体燃料： 86g／GJ
油： 129g／GJ
煤：切圆燃烧 193g／GJ
墙式燃烧 215 g／GJ
新建电站锅炉NOx排放在某些地区必须达到50g／GJ。

对达不到标准的要受到严厉的处罚，直至关闭。

我国现在还没有电站锅炉NOx排放标准和连续测量NOx排放的装置。

现按引进技术制造设置顶部风(即OFA)的1025t／h控制循环锅炉在性能考核期内，NOx排放值：吴径热电厂为152g ／GJ，石横发电厂为225g/GJ，其他较多锅炉还未得到控制。

氮氧化物主要以NO、N02、N2O、N203、N204、N205等形式出现，统称为NOx。

在空气中，NO浓度越大，毒性越强，N02的毒性更大。

它很易与人体和动物血液中的血色素混合夺取氧分，使血液缺氧，引起中枢神经麻痹症，N02还强烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病。

还对入体的心、肝、肾脏及造血组织有损害，严重时会导致死亡。

NO和N02会破坏同温层中的臭氧层，使其失去对紫外光辐射的屏蔽作用，危害地面生物。

大气中有NOx与Sox、粉尘共存，生成硫酸或硫酸盐溶液和硝酸或硝酸盐溶液，形成酸雨。

由于NOx对人类和自然界存在危害，必须控制NOx的生成和排放。

我国也应参照先进国家的经验，尽早制定出符合国情的火电站锅炉NOx排放标准。

1 NOx的生成及控制
NOx大多在各种燃料的燃烧过程中产生的，其中NO约占NOx总量的90％-95％，在大气中会迅速氧化成毒性更大的NO2
燃料燃烧中生成的NOx有“热力型”和“燃料型”两种：
“热力型NOx”----由空气中的氮气在高温下与氧化合而成。

“燃料型NOx”——由燃料中的化学氮在挥发分析出中成离子状态与高浓度氧化合而成。

“热力型NOx”产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增本化学活性，其次是高的氧浓度，要减少“热力型NOx”的生成，可采取以下措施：
(1)减少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。

“燃料型NOx”是燃料内含氮在燃烧过程中成离子析出与含氧物质反应形成NOx，或与含氮物质反应又成氮分子。

燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，可采取以下措施降低此转换率，控制NOx排放总量。

(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。

热力型和燃料型NOx在燃烧时会同时存在，当燃用挥发分较高的煤时，燃料型NOx含量较多，排烟中NOx的含量多少还与燃烧方式有关，四角切圆燃烧能控制较低的NOx排放。

2四角切圆低NOx燃烧的措施
不同的燃烧方式，产生的NOx量不同，从美国的电站锅炉NOx排放标准得知，四角切圆燃烧产生的NOx较其他燃烧方式低，因此是一种先天性降低NOx生成的有效措施。

我国现有大多电站锅炉为四角切圆燃烧方式。

这种燃烧器性能设计是按设计导则进行，根据煤种布置一、二次风喷嘴，一般成间隔布置如图1所示。

它的横截面尺寸与水冷壁间的关系如图2所示。

图中尺寸系按煤种、燃料量、空气量等参数确定。

燃烧过程中，控制NOx生成量的主要方法是采取分级燃烧，降低氧浓度和燃烧温度以及将燃烧器喷嘴出口燃料分为浓稀两相。

在主燃烧区实行低氧、低温燃烧降低NOx生成。

在燃烧器顶部设置燃烬风喷嘴(OFA)，
配以不同风量，燃烬在主燃烧区低氧条件下产生的未燃气体和炭分。

为适应不同燃烧工况需要，将OFA又分为三种型式。

与主燃烧器一体的CCOFA；与主燃烧器分开的低S0FA和高SOFA，如图3所示。

对燃油锅炉，可采用低过量空气系数和CCOFA，及较低的二次风温度。

对燃煤锅炉，按煤种分类，取用试验得出的OFA配风率和NOx生成量间的关系，配以合适的OFA风量，使NOx排放达到保证
OFA的风率分配如表1所示。

沿炉膛高度送入的位置如图5所示的分级燃烧系统。

0F、A设置型式
1A 1B 2A 2B 2C 3A 3B 3C
FA占空气量％
CCOFA
低一SOFA％
高一SOFA％
12 20 25 30 35 37 42 47
12 20 7 7 7 7 7 7
—— 18 23 28 15 17.5 20
————— 15 17.5 20
分级燃烧，主要是使燃烧完全和降低NOx排放两者最佳，NOx排放和飞灰含碳量与氧当量比的关系。

为更好提高燃烧效率，还可从以下几方面着手：
（1）煤粉细度，如将中速磨煤机出口改为旋转分离器，使通过200目筛的煤粉从75％提高到85％-90％。

(2) 燃烧器主风箱中设置一定数量的富裕喷嘴，当烟气中末燃物上升到排放标准以上时，分别投入运行，使未燃物和NOx值均控制在保证值以内。

(3) SOFA喷嘴的角度可作水平+15。

调节(YAW)，如图7所示。

以加强燃烧后期与空气的混合，降低末燃烬损失和在炉膛出口处产生反切抵消主燃烧区的旋转动量来减小残余旋转。

应用煤粉中挥发份析出燃烧，燃料中氮化合成NOx的特性，用PM燃烧器提高出口煤粉浓度使燃料型NOx下降，如图8所示。

从常规燃烧时的(NOx)Co点降至(NOx)PM点。

另外采用分级燃烧降低NOx排放量和末燃烬损失时，必须配以精确的测量控制装置，使送入炉膛的燃料和风量分配均匀，使燃料偏差在5％；风量偏差在10％以内。

四角切圆燃烧采用OFA和浓谈分离技术及相关措施。

可达到如下效果：
CCOFA降低NOx量％CCOFA×3／M
SOFA 降低NOx量％SOFA×4.8／M
氧量降低NOx量％O2×20／M
3烟气脱硝处理方法
燃烧生成的NOx可在炉内进行烟气脱硝处理，有两种主要方式，即非催化还原(3NCR)工艺和选择催化还原工艺(SCR)，两种方式均为在烟气中喷入NH3与烟气中的NOx化合生成N2和H20。

非催化还原工艺(SNCR)是不添加催化剂，在烟气温度约850一1050℃处开一窗口，将NH83或CO(NH2) 2均匀喷入炉内，如图9所示。

在不添加催化剂较理想的NOx还原温度为800-900℃。

当烟温在1050-1200℃时，氨会氧化成NO，且NOx的还原速度很快下降，当烟温低于800℃时，反应速度很慢。

这种方式受锅炉负荷等影响，脱硝率低，约为30一50％，NH3用量大。

选择催化还原工艺(SCR)是在较低温烟气中NOx与喷入的NH3在催化剂作用下产生还原，根据催化剂的不同种类，反应温度在250-420℃之间，SCR装置主要由催化剂，供氨部分(存贮和喷射)，反应风道等组成如图10所示，其最高脱硝率可达90%以上，反应后烟气中NH3含量必须小于百分之5，SCR工艺初投资大，运行成本高，更换催化剂资金大，这种工艺NOx排放可控制在25-50g／GJ以内。

4降低NOx排放的经济性与效果
控制火电站NOx排放现有两种基本方法，一为低NOx燃烧，二为炉内外还原处理。

低NOx燃烧由前所述其系统包括磨煤机、风道、燃烧设备，NOx排放值可控制在百万分之200以下。

投资约10-35USD／kW，运行、维护费小。

非催化还原工艺(SNCR)，脱硝率在30-50％，投资约为10-30HSD／kW，运行费用较高。

选择催化还原工艺(SCR)，具有高的脱硝率，NOx排放最低可控制在百万分之50左右，投资约75-130USD／kW，运行、维修费用很高。

为了提高经济性，又能得到低的NOx排放，国外通常采取低NOx燃烧与炉内脱硝相结合。

如一台500MW锅炉图11所示，采用低NOx燃烧和SNCR把NOx排放控制在百万分之200，然后应用SCR，脱硝率50-60％，使锅炉最后烟气中NOx含量减少到百万分之80-100达到严格的NOx排放标准要求。

之后的运行维修费用有所降低，系统投资约为40-50USD／kW，此系统投资比安装全套炉外脱硝装置降低30-50％。

5结束语
为了控制NOx排放，我国应尽早立法，处理好发展和环境保护的关系。

我国现有电站锅炉多数为四角切圆燃烧，对降低NOx生成较有利，也适合我国现状，再加适当措施，可达到控制NOx排放的目的。

现应创造条件对重要地区新建的300MW以上机组，采用低NOx燃烧和炉内外脱硝相结合，控制NOx排放的示范，取得适合国情的经验，再逐步推广。