燃烧型氮氧化物生成控制途径及技术浅谈

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【摘要】燃料燃烧的过程会生成NO和NO2两种氮的氧化物称为氮氧化物，氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一，NOx产活力理有热力型、快速型及燃料型三种方式，热力型和快速型在两种氮氧化物所占比重较小，燃烧型氮氧化物才是产生氮氧化物的主要来源，通过分析燃料型产活力理，来降低和操纵NOx产生，通过低氮燃烧技术组合研发各种不同的低氮燃烧方式已达成操纵降低氮氧化物的排放。

【关键词】氮氧化物;低NOx燃烧技术;机理

氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的氮氧化物NOx有多种不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是主要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧。

研究说明，氮氧化物的生成途径[2]有三种：（1）热力型NOx，指空气中的氮气在高温下氧化而生成NOx；（2）快速型NOx，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等回响生成NOx；（3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃烧过程中举行热分解，继而进一步氧化而生成NOx；在这三种形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在温度低于1300℃时，几乎没有热力型NOx。对常规燃煤锅炉而言，NOx主要通过燃料型生成途径而产生。操纵NOx排放的技术指标可分为一次措施和二次措施两类，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量；二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除。

１．热力型

热力NOx的生成和温度关系很大，在温度足够高时，热力型NOx的生成量可占到NOx总量的30%，随着回响温度T的升高，其回响速率按指数规律增加。当T1300℃时T每增加100℃，回响速率增大6～7倍。

热力型NOx的生成是一种缓慢的回响过程，是由燃烧空气中的N2与回响物如O和OH以及分子O2回响而成的。所以，降低热力型NOx的生成主要措施如下：

①降低燃烧温度，制止局部高温。

②降低氧气浓度。

③缩短在高温区内的停留时间。

2.快速型

快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气回响生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成。快速NOx在燃烧过程中的生成量很小，影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。

3.燃料型

燃料型NOx是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NOx，它在煤粉燃烧NOx产物中占60～80%。由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两片面组成，其中挥发分NOx占燃料型NOx大片面。

影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加NOx转换量就增大，挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。火焰温度越高NOx转换量就越大。

根据其影响因素，操纵燃料NOx生成的途径主要是：

①含N量低的燃料。

②过浓燃料。

③燃料与空气的混合。

通过以上的机理可知，在日常生活中燃料（煤）燃烧是氮氧化物产生的主要方式，因此要降低NOx排放就要从操纵燃烧型NOx方面入手。目前，氮氧化物操纵技术可分为两大类，一类是燃烧中操纵技术；另一类是燃烧后操纵技术。其中燃烧中操纵技术是根据氮氧化物的形成机理而开发的，主要有低氧燃烧法，分级燃烧法，烟气再循环法，低NOx燃烧器法等；燃烧后操纵技术可分为干法，湿法和干一湿结合法三大类。下面分别简要介绍燃烧中低NOx燃烧技术。

低NOx燃烧技术主要有：分级燃烧、燃料再燃、低过剩空气燃烧和烟气再循环等几种方式。

3.1空气分级燃烧

空气分级燃烧的根本原理为[3]：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NO举行恢复回响，以及燃料N分解成中间产物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或与NO恢复分解，抑制了燃料型NOx的生成。

在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余片面以二次空气输入，成为富氧燃烧区。此时空气量虽多，一些中间产物被氧化生成NO，但因火焰温度低，生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的，最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30％～40%。当采用空气分级燃烧后，火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低，故热力型NOx降低。

分级燃烧可以分成两类：一类是燃烧室（炉内）中的分级燃烧；另一类是单个燃烧器的分级燃烧。燃烧室中的分级燃烧方法是，通常在主燃烧器上部装设空气喷口，形成所谓的火上风（overfireair，也称为燃尽风）。[4.5]

3.2燃料分级燃烧

在主燃烧器形成的初始燃烧区的上方喷入二次燃料，形成富燃料燃烧的再燃区，NOx进入本区将被恢复成N2。为了保证再燃区不完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置燃尽风喷口。变更再燃烧区的燃料与空气之比是操纵NOx排放量的关键因素。存在问题是为了裁减不完全燃烧损失，需加空气对再燃区烟气举行三级燃烧，配风系统对比繁杂。

3.3烟气再循环

除了空气和燃料分级降低NOx的排放量之外，目前使用较多的还有烟气再循环法。它是在锅炉的空气预热器前抽取一片面低温烟气直接送入炉内，或者是与一次风或二次风混合后送入炉内，这样不但可以降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，因而可以降低NOx的排放浓度。

烟气再循环技术，其核心在于利用烟气所具有的低氧以及温度较低的特点，将片面烟气再循环喷人炉膛适合的位置，降低局部温度及形成局部恢复性气氛，从而抑制NOx的生成。烟气再循环技术在好多处境下是被用来防止锅炉运行中的结焦问题。对于燃烧无烟煤等难燃煤种以及煤质不是很稳定的电站锅炉，那么不宜采用烟气再循环技术。其原理为从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送去炉内。

3.4低过量空气燃烧

低过量