燃燒型氮氧化物生成控制途徑及技術(shù)淺談

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【摘要】燃料燃燒的過(guò)程會(huì)生成NO和NO2兩種氮的氧化物稱為氮氧化物，氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一，NOx產(chǎn)活力理有熱力型、快速型及燃料型三種方式，熱力型和快速型在兩種氮氧化物所占比重較小，燃燒型氮氧化物才是產(chǎn)生氮氧化物的主要來(lái)源，通過(guò)分析燃料型產(chǎn)活力理，來(lái)降低和操縱NOx產(chǎn)生，通過(guò)低氮燃燒技術(shù)組合研發(fā)各種不同的低氮燃燒方式已達(dá)成操縱降低氮氧化物的排放。

【關(guān)鍵詞】氮氧化物;低NOx燃燒技術(shù);機(jī)理

氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說(shuō)的氮氧化物NOx有多種不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是主要的大氣污染物。我國(guó)氮氧化物的排放量中70％來(lái)自于煤炭的直接燃燒。

研究說(shuō)明，氮氧化物的生成途徑[2]有三種：（1）熱力型NOx，指空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸蒒Ox；（2）快速型NOx，指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等回響生成NOx；（3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過(guò)程中舉行熱分解，繼而進(jìn)一步氧化而生成NOx；在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在溫度低于1300℃時(shí)，幾乎沒(méi)有熱力型NOx。對(duì)常規(guī)燃煤鍋爐而言，NOx主要通過(guò)燃料型生成途徑而產(chǎn)生。操縱NOx排放的技術(shù)指標(biāo)可分為一次措施和二次措施兩類，一次措施是通過(guò)各種技術(shù)手段降低燃燒過(guò)程中的NOx生成量；二次措施是將已經(jīng)生成的NOx通過(guò)技術(shù)手段從煙氣中脫除。

１．熱力型

熱力NOx的生成和溫度關(guān)系很大，在溫度足夠高時(shí)，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的30%，隨著回響溫度T的升高，其回響速率按指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)T1300℃時(shí)T每增加100℃，回響速率增大6～7倍。

熱力型NOx的生成是一種緩慢的回響過(guò)程，是由燃燒空氣中的N2與回響物如O和OH以及分子O2回響而成的。所以，降低熱力型NOx的生成主要措施如下：

①降低燃燒溫度，制止局部高溫。

②降低氧氣濃度。

③縮短在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。

2.快速型

快速型NOx是在碳?xì)浠衔锶剂显谌剂线^(guò)濃時(shí)燃燒，燃料揮發(fā)物中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基和空氣中氮?dú)饣仨懮蒆CN和N，再進(jìn)一步與氧氣作用以極快的速度生成?？焖貼Ox在燃燒過(guò)程中的生成量很小，影響快速NOx生成的主要因素有空氣過(guò)量條件和燃燒溫度。

3.燃料型

燃料型NOx是由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃時(shí)就會(huì)生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產(chǎn)物中占60～80%。由于煤的燃燒過(guò)程由揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒兩個(gè)階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化（揮發(fā)分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩片面組成，其中揮發(fā)分NOx占燃料型NOx大片面。

影響燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的揮發(fā)分含量、燃燒過(guò)程溫度、著火階段氧濃度等。燃料的揮發(fā)分增加NOx轉(zhuǎn)換量就增大，揮發(fā)分NOx轉(zhuǎn)化率隨氧濃度的平方增加?；鹧鏈囟仍礁逳Ox轉(zhuǎn)換量就越大。

根據(jù)其影響因素，操縱燃料NOx生成的途徑主要是：

①含N量低的燃料。

②過(guò)濃燃料。

③燃料與空氣的混合。

通過(guò)以上的機(jī)理可知，在日常生活中燃料（煤）燃燒是氮氧化物產(chǎn)生的主要方式，因此要降低NOx排放就要從操縱燃燒型NOx方面入手。目前，氮氧化物操縱技術(shù)可分為兩大類，一類是燃燒中操縱技術(shù)；另一類是燃燒后操縱技術(shù)。其中燃燒中操縱技術(shù)是根據(jù)氮氧化物的形成機(jī)理而開(kāi)發(fā)的，主要有低氧燃燒法，分級(jí)燃燒法，煙氣再循環(huán)法，低NOx燃燒器法等；燃燒后操縱技術(shù)可分為干法，濕法和干一濕結(jié)合法三大類。下面分別簡(jiǎn)要介紹燃燒中低NOx燃燒技術(shù)。

低NOx燃燒技術(shù)主要有：分級(jí)燃燒、燃料再燃、低過(guò)?？諝馊紵蜔煔庠傺h(huán)等幾種方式。

3.1空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒的根本原理為[3]：將燃燒所需的空氣量分成兩級(jí)送入，使第一級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NOx的生成。同時(shí)，燃燒生成的CO與NO舉行恢復(fù)回響，以及燃料N分解成中間產(chǎn)物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或與NO恢復(fù)分解，抑制了燃料型NOx的生成。

在二級(jí)燃燒區(qū)內(nèi)，將燃燒用的空氣的剩余片面以二次空氣輸入，成為富氧燃燒區(qū)。此時(shí)空氣量雖多，一些中間產(chǎn)物被氧化生成NO，但因火焰溫度低，生成量不大，因而總的NOx生成量是降低的，最終空氣分級(jí)燃燒可使NOx生成量降低30％～40%。當(dāng)采用空氣分級(jí)燃燒后，火焰溫度峰值明顯比不采用空氣分級(jí)燃燒時(shí)降低，故熱力型NOx降低。

分級(jí)燃燒可以分成兩類：一類是燃燒室（爐內(nèi)）中的分級(jí)燃燒；另一類是單個(gè)燃燒器的分級(jí)燃燒。燃燒室中的分級(jí)燃燒方法是，通常在主燃燒器上部裝設(shè)空氣噴口，形成所謂的火上風(fēng)（overfireair，也稱為燃盡風(fēng)）。[4.5]

3.2燃料分級(jí)燃燒

在主燃燒器形成的初始燃燒區(qū)的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區(qū)，NOx進(jìn)入本區(qū)將被恢復(fù)成N2。為了保證再燃區(qū)不完全燃燒產(chǎn)物的燃盡，在再燃區(qū)的上面還需布置燃盡風(fēng)噴口。變更再燃燒區(qū)的燃料與空氣之比是操縱NOx排放量的關(guān)鍵因素。存在問(wèn)題是為了裁減不完全燃燒損失，需加空氣對(duì)再燃區(qū)煙氣舉行三級(jí)燃燒，配風(fēng)系統(tǒng)對(duì)比繁雜。

3.3煙氣再循環(huán)

除了空氣和燃料分級(jí)降低NOx的排放量之外，目前使用較多的還有煙氣再循環(huán)法。它是在鍋爐的空氣預(yù)熱器前抽取一片面低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或者是與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，這樣不但可以降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，因而可以降低NOx的排放濃度。

煙氣再循環(huán)技術(shù)，其核心在于利用煙氣所具有的低氧以及溫度較低的特點(diǎn)，將片面煙氣再循環(huán)噴人爐膛適合的位置，降低局部溫度及形成局部恢復(fù)性氣氛，從而抑制NOx的生成。煙氣再循環(huán)技術(shù)在好多處境下是被用來(lái)防止鍋爐運(yùn)行中的結(jié)焦問(wèn)題。對(duì)于燃燒無(wú)煙煤等難燃煤種以及煤質(zhì)不是很穩(wěn)定的電站鍋爐，那么不宜采用煙氣再循環(huán)技術(shù)。其原理為從空氣預(yù)熱器前抽取溫度較低的煙氣，通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣混合后一起送去爐內(nèi)。

3.4低過(guò)量空氣燃燒

低過(guò)量