NOx的生成機(jī)理

1、隨著我國實(shí)行可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要 內(nèi)容，因此環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)前和今后一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作。在燃煤電廠排放的大氣污染 物中，氮氧化物(NOx)因?yàn)閷ι鷳B(tài)環(huán)境和人體健康的危害極大，且難以處理，所以成為重 點(diǎn)控制排放的污染物之一。由于環(huán)保滯后，特別是治理資金的匱乏，我國對NOx的治理還 很有限，因此通過燃燒調(diào)整來減少燃煤電廠污染物的排放，特別是NOx的排放，具有積極 的意義?？?NOx的生成機(jī)理NOx主要指NO和NO2，其次是N2O3, N2O, N2O4和N2O5。在發(fā)電廠鍋爐的煤粉燃燒 過程中，NOx的形成途徑主要有兩條：一是有機(jī)地結(jié)合在煤中的氮化

2、物在高溫火焰中發(fā)生 熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成NOx；二是供燃燒用的空氣中的氮在高溫狀態(tài)與燃燒空氣中 的氧發(fā)生化合反應(yīng)而生成NOx。在煤粉鍋爐生成的NOx中，主要是NO,約占95%，而NO2 僅占5%左右，N2O3，N2O, N2O4和N2O5的量很少。NOx的生成量與鍋爐的容量、結(jié)構(gòu)、 燃燒設(shè)備、煤種、爐內(nèi)溫度水平和氧量、運(yùn)行方式等有關(guān)。煤燃燒過程中所生成的NOx有三種類型，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。1.1熱力型NOx的生成熱力型NOx是燃燒空氣中的氮在高溫下氧化而成的。其生成機(jī)理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家捷 里道維其(Zeldovich)提出的，按這一機(jī)理，熱力型NOx的生成主要由

3、以下鏈鎖反應(yīng)來描 述：N + O.一*N0 9熱力型MO,的生成速率滿足Arrhenius定律. 可采用以下衣達(dá)式表示：1 mini式中：t反應(yīng)時間；T反應(yīng)溫度；c(NO)NO的濃度；C(O2)。2的濃度；c(N2)N2的濃度。由上式可以看出，影響熱力型NOx生成量的主要因素有燃燒反應(yīng)的溫度、氧氣濃度和 反應(yīng)時間，而且溫度對熱力型NOx的生成影響最大。實(shí)際上在1 350 c以下，熱力型NOx 生成量很少，但隨著溫度的上升，熱力型NOx生成量迅速增加，溫度達(dá)1 600 以上時， 熱力型NOx占NOx生成總量的25%30%。1.2 燃料型NOx的生成燃料型NOx占煤粉鍋爐NOx生成總量的70%80

4、%。一般認(rèn)為，燃料型NOx是燃料 中的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成的，同時還存在NO的還原反 應(yīng)。燃料型NOx的生成和還原機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，至今仍無法解析清楚。燃料型NOx的生成可 用下式表示：燃料中的氮化合物HCN燃料型NOx的生成和還原不僅與煤種的特性、煤中氮化合物存在的狀態(tài)、煤中的氮熱 分解時在揮發(fā)分和焦碳中分配的比例和各自的成分有關(guān)，還與氧的濃度、燃燒溫度相關(guān)。 1.3快速型NOx的生成快速型NOx的生成是通過燃料產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成HCN類化合物， 再進(jìn)一步氧化而生成的，這個反應(yīng)很快，所以稱為快速型NOx?？焖傩蚇Ox的生成可由以 下式子表示：CH+

5、T1CN+ N.“N 。，。.。2 Z口溫度對快速型NOx的生成影響很小，與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型 NOx的生成量要少得多。1.4 NOx生成量與火焰溫度的關(guān)系一般來說，熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx的生成量隨火焰溫度變化的規(guī)律， 可以由圖1定性描述?？趫D1 NO*生成,與火焰溫度的關(guān)系2鍋爐燃燒調(diào)整對NOx排放量的影響試驗(yàn)2.1 鍋爐的概況為分析鍋爐燃燒調(diào)整對NOx排放的影響，以某臺680 t/h鍋爐為對象,進(jìn)行了試驗(yàn)研究。 該鍋爐為東方鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、煤粉固態(tài)排 渣汽包爐，型號為DG680/13.7-20，燃用煤種為煙煤

6、，設(shè)計(jì)燃煤成分和試驗(yàn)時的燃煤成分如 表1所示。鍋爐配用中速磨冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共有5臺北京電力設(shè)備總廠制造 的ZGM80G型中速輻式磨煤機(jī)，其中4臺運(yùn)行1臺備用。煤粉燃燒器布置在爐膛四角，切 圓燃燒，四角燃燒器中心線與爐膛中心形成兩個相切的假想切圓，假想切圓直徑分別為736 mm和391 mm。采用水平濃淡分離燃燒器，燃燒器噴口布置見圖2,燃燒器的這種結(jié)構(gòu)和 布置應(yīng)用了低NOx燃燒技術(shù)，可以保證NOx的排放量比較低。2.2 試驗(yàn)方法按GB 10184-1988電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)。燃燒調(diào)整每個 工況鍋爐負(fù)荷基本上保持在滿負(fù)荷。采用網(wǎng)格法在空氣預(yù)熱器的進(jìn)、出口分別進(jìn)

7、行煙氣取樣， 經(jīng)混合器混合后送到煙氣分析小車進(jìn)行分析。空氣預(yù)熱器進(jìn)口溫度和排煙溫度用網(wǎng)格法進(jìn)行 測量，采用網(wǎng)格法等速取樣空氣預(yù)熱器出口的飛灰，爐渣在撈渣機(jī)出口取樣。鍋爐的效率用 反平衡法進(jìn)行計(jì)算。NOx的濃度換算為q（O2）=6%條件下的濃度。3試驗(yàn)分析3.1 風(fēng)箱與爐膛壓差對NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、氧量、磨煤機(jī)組合方式均不變，通過改變一次風(fēng)箱與爐膛 壓力的差壓Ap來進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。費(fèi)1設(shè)計(jì)燃娛成分和試騏時蛔埋成分分析對比通口證LI俎神必聆蛻料H心卜%兄立一如%工受I,*斯4vi 0., iS.h7K.I.V 5閣fN.P T上也明Il 7S國巴L %II Mi1

8、3, .UpIl MwHdjj %Ur*加iWMn? %KJNSIf.Q卯51IK1 INIM3 %江閭yA 出M Jr.Qfj, ( MJ ” 制2li. M5M 54Q)311 71M可尉件為粒粕1cl*7k«2| J 1 一自城1我質(zhì)I I | 一次 W, I L 1 I O I疝w戊同 !啾必 i _氏風(fēng) i i依阿 LQ 裾凰 T 1 一次樣 I i I一哨以 悶；"皿二空示利口從表2可以看出，Ap約1.0 kPa時，鍋爐的NOx排放量相對于其它情況都要低。這是因?yàn)?Ap比較高時，二次風(fēng)的風(fēng)速比較高，動量也大，一次風(fēng)從噴口出來后不久即被二次風(fēng)所卷 吸，射流軌跡變彎

9、，形成一轉(zhuǎn)彎的扇形面，對卷吸周圍的高溫?zé)煔飧佑欣捎跍囟雀撸?熱力型NOx的生成量比較大，從而使總的NOx的排放量大；Ap比較低時，二次風(fēng)速比較 低，剛性也比較弱，二次風(fēng)很快就與一次風(fēng)混合，在煤燃燒初始階段，大部分的揮發(fā)分氮（氣 相氮化合物）隨煤中其它揮發(fā)物一起釋放出來，形成中間產(chǎn)物，女NHi，CH和HCN，在氧 氣存在條件下，這些中間產(chǎn)物會進(jìn)一步氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，從而使 總的NOx排放量增大。3.2 氧量對NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、風(fēng)箱與爐膛壓差、磨煤機(jī)組合方式均不變，通過調(diào)節(jié)送風(fēng) 量來改變鍋爐的氧量，從而進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表2

10、3P變化時的試瞋nAp -： It 必 KPa 時二F -112 RPa 時3p- 1 17 kPjEl-f1. Ml liPalif52+ IK52J 6，吐2J飛氏可枇持為中%瓠J ui2 172 Mm沾譏盤構(gòu)才用 %.m32卬第,37. 1«用玷隹福火電3%r IH的5, IIK機(jī)捶本K拿姍山1丈q.*2 w-1252輻?的護(hù)過率%tM表三讀恬中變色酎的試造括果聞fl罕0 一工用，射討口-1 iLFMi上"，時07)- 1 *E|?- A ILI，,叫MH攜旗M Cfflg m-HA.加生也“通SH.M57*1 tA士欣明例物ati：，1，杼土一1 gkJ第，普M熱中

11、方tt -II Xk12押PJ 4HII* KI加佛煙塢用Xs %4 ,H4葉% 1%工將5. 1*叫情小完全燃燒熱期及知J:牙1IF.1國.鼻護(hù)蛻率%,必.M«陽9114,J1, vs表鍋爐采用不同配閱方式時的試驗(yàn)姑果曜目恂為配 胤方式止二角配倒：例M懦度配風(fēng)方式風(fēng)方式風(fēng)方式加沙J627.卻5龍】.依飛熊E燃物含括治1 %2 11小以2. 23爐清河將物臺策%12q19 «ni推舉熱帆收史%三(K,% nt，啪機(jī)械不完全燃燃 熱相大G %1 541 422. U2. ii7箱爐致率%用】92. H1歸112嘮14從表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)q(O2)的增加，鍋爐的

12、NOx排放量也在增加，在p(O2) 增加到一定程度以后，NOx排放量的增加漸趨平緩。這是因?yàn)殡S著q(O2)的增加，爐內(nèi)燃燒 區(qū)域的供氧量加強(qiáng)，燃燒強(qiáng)度加強(qiáng)，爐膛火焰溫度升高，熱力Ox的生成量增大。另外， 燃燒區(qū)域氧濃度增加，為燃料中的氮化合物燃燒時的熱分解產(chǎn)物進(jìn)一步氧化成NOx提供了 條件，從而使燃料型NOx的生成量也增加，因此總的NOx排放量增加。然而，隨著q(O2) 的進(jìn)一步增大，送入鍋爐的風(fēng)量已經(jīng)過大，造成燃燒區(qū)域的火焰溫度降低，從而使熱力型 NOx的生成量減少，因此總的NOx排放量的增加趨勢平緩，若q(O2)進(jìn)一步增大，NOx的 生成量還會有降低的趨勢。3.3 鍋爐的配風(fēng)方式對NOx排

13、放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、氧量、風(fēng)箱與爐膛的壓差、磨煤機(jī)組合方式等不變，通過不同的配風(fēng) 方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，倒三角配風(fēng)方式鍋爐NOx排放量最低，而正三角配風(fēng)方式NOx排放 量最高，其它兩種配風(fēng)方式NOx的排放量居中。這種現(xiàn)象可以這樣解釋：采用倒三角配風(fēng) 方式，在主燃燒區(qū)域，鍋爐氧量相對較低，因此燃燒的火焰溫度也要相對低一些，熱力型 NOx和燃料型NOx的生成量都減少；在燃燒器區(qū)域上部送入過量的空氣，有助于燃料燃盡， 從表4可看出這種配風(fēng)方式飛灰可燃物是最低的，而且該區(qū)域不是主燃燒區(qū)域，火焰溫度比 較低，即使該區(qū)域氧量比較大，NOx的生成量也不會增大，因此，總的NOx排

14、放量比較低， 這也說明頂部二次風(fēng)（OFA）的投入確實(shí)能減少NOx的生成量；由于燃燒區(qū)域下部送入風(fēng) 量比較少，對進(jìn)入爐膛的煤粉頂托能力不夠，致使?fàn)t渣可燃物含量比較大。采用正三角配風(fēng) 方式，鍋爐的主要風(fēng)量都從爐膛燃燒區(qū)域下部送入，使得主燃燒區(qū)域氧量比較大，燃燒的火 焰溫度也相對較高，從而使熱力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，總的NOx排放量也 就增大。但是該配風(fēng)方式下的爐渣可燃物含量會大大降低。3.4 磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式對NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、風(fēng)箱與爐膛壓差、氧量和配風(fēng)方式不變，通過不同的磨煤機(jī)組合運(yùn)行 方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。賽5席爆根不同蝸各運(yùn)行方式下的試驗(yàn)給果琪口ARM

15、電筑公NO.搏電跳525. 13.E加可瓣物占垃%L必爐活回機(jī)符堆%.認(rèn)引口12. SH推蛹幅毗* * %4.機(jī)植4；完全感燒熱相戈不、2 5754鍋爐灶率路I, 5K93.9從表5可以看出，ABDE磨組合運(yùn)行方式的NOx排放量要比ABCE磨組合運(yùn)行方式的NOx 排放量高。其主要原因是：對于ABDE磨組合運(yùn)行方式，高溫區(qū)域沿爐膛高度方向比較長; 而對于ABCE磨組合運(yùn)行方式，高溫區(qū)域主要集中在下部，沿爐膛高度方向就比較短，所 以其熱力型NOx的生成量就比ABDE磨組合運(yùn)行方式的少，從而使ABCE磨組合運(yùn)行方 式總的NOx排放量要比ABDE磨組合方式的少一些?？?結(jié)論通過以上試驗(yàn)與分析，得出如下結(jié)論：a）采用水平濃淡燃燒技術(shù)和在燃燒器頂部布置二次風(fēng)（OFA）的方法，可以使鍋爐的 NOx排放量比較少，本臺鍋爐采用該項(xiàng)技術(shù)，在滿負(fù)荷時，NOx的排放量沒有超過國家標(biāo) 準(zhǔn)（650mg/m3）。b）通過對鍋爐的燃燒調(diào)整優(yōu)化，可以在保證鍋爐熱效率比較高的情況下，減少NOx的 排放量。c