火电厂氮氧化物的生成和控制

火电厂氮氧化物的生成和控制

任建兴1，翟晓敏1，傅坚刚2，陈群华3，吴志忠2

（1．上海电力学院，上海 200090；2．浙江省台州发电厂，浙江台州 318016；

3．东南发电股份有限公司，浙江杭州 310000）

摘 要：当前我国燃煤发电厂运行过程中产生的NOx是大气污染的主要因素之一．从火电厂燃料燃烧的基本特性出发，阐述了氮氧化物的生成机理，据此分析影响氮氧化物排放浓度的因素，并探讨了控制其排放量的措施以及分级燃烧的可行性．

关键词：火电厂；NOx；控制排放；分级燃烧

引 言

煤炭是当今世界主要能源之一，随着全球经济的高速发展，煤的开发利用已经给环境带来了严重污染，特别是燃煤电厂锅炉排放大量的硫氧化物和氮氧化物更进一步加剧了环境恶化［1］．一方面NOx在一定条件下可以和碳氢化合物一起形成光化学烟雾破坏大气环境，严重危害人类健康，恶化人类赖以生存的环境；另一方面，硫氧化物和氮氧化物又是形成酸雨的主要因素．目前，世界各地都有大片酸雨地带．我国酸雨的发展也异常迅速，严重的酸性降雨和脆弱的生态系统使我国经济遭受严重损失［2］．2000年电站锅炉燃料燃烧排入大气中的NOx达到5×106t．因此，文明、合理、高效、低污染地利用有限的煤炭资源，开发低污染燃烧技术，降低NOx的排放量是当前亟待解决的首要问题之一．降低NOx生成的方法目前已有多种．如果对NOx采用烟气脱除方法，势必会大幅度地增加电厂运行成本，影响企业经济效益．因此，研究开发一种高效、低成本的NOx脱除技术来改善大气环境就成为当务之急．本文探讨的分级燃烧法是一种高效、低成本、低污染的燃烧技术，该技术具有良好的实际应用与设备改造前景．

1 NOx生成机理

在煤炭燃烧过程中产生的氮氧化物NOx主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），以及少量N2O等．目前燃煤电厂按常规燃烧方式所生成的NOx中，NO占90％，NO2占5％～10％，N2 O仅占1％左右．因此，NOx的生成与排放量主要取决于NO．根据NOx生成机理，煤炭燃烧过程中所产生的氮氧化物量与煤炭燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数和烟气在炉内停留时间等因素密切相关．煤炭燃烧产生NOx的机理主要有以下3个方面．

1 热力型NOx 热力型NOx的生成是由空气中氮在高温条件下氧化而成．生成量主要取决于温度，图1说明热力NOx生成量与温度的相互关系．由图1可知，在相同条件下NOx生成量随温度增高而增大．当温度低于1 350℃时，几乎不生

成热力NOx，且与介质在炉膛内停留时间和氧浓度平方根成正比． 热力型NOx的生成是一种缓慢的反应过程，温度是影响NOx生成最重要和最显著的因素，其作用超过了O2浓度和反应时间．随着温度的升高，NOx达到峰值，然后由于发生高温分解反应而有所降低，并且随着O2浓度和空气预热温度的增高，NOx生成量存在一个最大值．当O2浓度过高时，由于存在过量氧对火焰的冷却作用，NOx值有所降低．因此，尽量避免出现氧浓度、温度峰值是降低热力型NOx的有效措施之一．

2 燃烧型NOx 燃烧型NOx是燃料中氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而生成的，燃料型NOx的形成包括挥发性NO与焦炭性NO两种途径，其与温度的关系如图1所示．

燃料氮生成NO可以用转化率r表示：

式中：（NO）R—燃料N转化为NO的值； Nar—燃料收到基氮含量．

对于电厂动力燃料煤炭而言，燃料氮向NOx转化的过程可分为3个阶段：首先是有机氮化合物随挥发分析出一部分；其次是挥发分中氮化物燃烧；最后是焦碳中有机氮燃烧，挥发有机氮生成NO的转化率随燃烧温度上升而增大．当燃烧温度水平较低时，燃料氮的挥发分份额明显下降． 燃料型NOx的生成量与火焰附近氧浓度密切相关．通常在过剩空气系数小于1．4条件下，转化率Γ随着O2浓度上升而呈二次方曲线增大，这与热力型NOx不同，燃料型NOx生成过程的温度水平较低，且在初始阶段，温度影响明显，而在高于1 400℃之后，即趋于稳定，如图1所示．燃料型NOx生成转化率还与燃料品种和燃烧方式有关．

3 快速型NOx 由空气总氮和燃料中碳氢离子团如CH等反应生成NOx，其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平．由图1可知，快速型NOx生成强度在通常炉温水平下是微不足道的，尤其是对于大型锅炉燃料的燃烧更是如此．所谓快速型NOx是与燃料型NOx缓慢反应速度相 比较而言的，快速型NOx生成量受温度影响不大，而与压力关系比较显著且成0．5次方比例关系．

对于大型电厂锅炉，在此3种类型的NOx中，燃料型NOx是最主要的，占总生成量的60％以上；热力型NOx生成量与燃料温度的关系很大，在温度足够高

时，热力型NOx生成量可占总量的20％；快速型NOx在煤燃烧过程中的生成量很少．

为了确定NOx生成浓度，理论计算通常可用泽利多维奇公式

R—气体常数； TT—温度 K；

K—系数，在0．023～0．069范围内．

根据理论与锅炉炉膛的实际状况分析可得，NOx浓度随着炉膛温度和氧浓度的增高而增加，影响NOx生成量的主要因素是温度．由于氮氧化物生成的温度条件较难确定，理论计算也就相对较困难，为此，西加尔提出了在锅炉炉膛设备中氮氧化物浓度的半经验公式［3］

式中：Qu—锅炉容积热强度 NW/m; Da—炉膛当量直径 m； αT—过量空气系数．

3

2 影响NOx生成的因素

2．1 燃料特性影响

由于NOx主要来自燃料中的氮，从总体上看燃料氮含量越高，则NOx的排放量也就越大．因此，燃料中氮的存在形式不同，NOx生成量也就随之改变．此外，以胺形态（褐煤，页岩劣质燃料）存在于煤中的燃料氮在燃烧过程中主要生成NO；而以芳香环形态（烟煤，无烟煤）存在的燃料氮在挥发燃烧过程中主要生成N2 O．

煤挥发成分中的各种元素比也会影响NOx生成量，煤中O／N比值越大，NOx排放量越高，即使在相同O／N比值条件下，转化率还与过量空气系数有关，过量空气系数大，转化率高，使NOx排放量增加，见图2．此外，煤中S／N比值也会影响到各自的排放水平，S和N氧化时会相互竞争．因此，SO2排放量越高，则NOx排放量会相应降低． 2．2 过量空气系数影响 当空气不分级时，降低过量空气系数，在一定程度上会起到限制反应区内氧浓度的目的，因而对热力型NOx和燃料型NOx的生成都有明显的控制作用（如图2所示），采用这种方法可使NOx生成量降低15％～20％．但是CO浓度随之增加，燃烧效率下降．当空气分级时，可有效降低NOx排放量，随着一次风量减少，二次风量增加，N被氧化的速度降低，NOx排放量也相应下降．

2．3 燃烧温度影响

燃烧温度对NOx排放量的影响已取得共识，即随着炉内燃烧温度的提高，NOx排放量上升．

含氮量越高，燃料中氮向气相释放的量越低．过量空气越大、火焰温度越高时，这种负效应越明显． 2．4 一次风率影响

为了有效控制NOx排放，削弱NOx生成环境，二次风送入点上部应维持富氧区，下部应维持富燃料区．当一次风率提高时，二次风送入点的下部还原性气氛减弱，CO浓度下降，NOx被还原分解的速率降低，使NOx生成量增加． 2．5 负荷率影响

增大负荷率，增加给煤量，燃烧室及尾部受热面处的烟温随之增高，挥发分N生成的NOx随之增加．

3 降低NOx生成措施

控制与降低NOx生成技术措施有很多种：如使用低N含量的煤；降低过量空

气系数和燃烧用热空气温度；烟气再循环；浓淡偏差燃烧；空气分级燃烧等方法． 根据降低NOx生成的技术措施，如果锅炉煤种可选，则可以在适量范围内考虑低含氮量煤种，以控制NOx的生成；如果炉型可选，采用IGCC是一种有效的降低污染的方法；如果是新机组投运或老机组改造，则在低氧燃烧基础上采取各种低NOx燃烧设计方案将是切实可行的有效措施．目前低NOx燃烧技术主要包括低氧燃烧、分级燃烧、浓淡分离等．这些低NOx燃烧技术都是力求在挥发分析出和燃烧初期，促进煤粉气流与热烟气尽快混合，以创造局部低氧环境．在局部低氧环境中，使前期生成的NO在焦炭燃烧阶段被还原成N2．

根据现阶段国内燃煤锅炉的实际运行状况及条件，从经济性而言，实施低NOx燃烧切实有效的方法是炉内空气分级燃烧技术［4］．炉内空气分级燃烧技术，即煤炭分别在欠氧和富氧条件下进行燃烧，可以有效防止NOx瞬间增大现象的产生，有利于NOx还原和阻滞中间反应基团的进一步氧化，最终起到控制和降低NOx生成的目的．该技术只需对锅炉燃烧器喷口位置稍作改造就能满足低NOx燃烧要求，达到低污染排放的目的．因此，炉内空气分级燃烧技术是比较经济的． 实施空气分级燃烧的具体做法是：将80％燃烧所需的空气量从燃料器下部喷口送入，使炉膛下部区域风量小于完全燃烧所需风量（即富燃料燃烧），目的

在于控制燃烧区域温度，降低过量空气系数，阻止氮的氧化，使NOx的转化率下降，从而减少NOx生成量［5］；剩余20％燃烧所需的空气量从燃烧器上部喷口送入，使炉膛上部区域风量大于燃烧所需风量（即富空气燃烧），以达到风煤燃烧平衡、燃料完全燃烧的目的．在空气分级燃烧时，炉内形成的NOx量与炉内温度、过量空气系数等因素有关，相互之间的影响关系如图3所示．

从图3可以清楚地看出，在过量空气系数相同的情况下，火焰温度越高，则NOx的生成量越大，而在相同的温度下，过量空气系数越大，则NOx的生成量越大，当分级燃烧下部送风空气过量系数降为0．8时，NOx的生成量明显减少．由此可见，火焰温度与过量空气系数对于NOx的生成量都具有显著的影响．为此，降低NOx生成量就必须控制其温度与过量空气系数，在理论上使其尽可能的小，但实际运行状况表明，过小的过量空气系数将造成燃料不完全燃烧损失，以及结渣和腐蚀等．因此，在实施空气分级燃烧技术时，过量空气系数应控制在某一范

［6］

围内．

在分级燃烧时，炉膛内会形成富燃区和燃尽区两个区域．在缺氧富燃料条件下燃烧（一次燃烧区），燃料中N分解生成大量活性中间产物HN，HCN，CN和NH3等含氮产物，它们相互复合或将已有NOx还原分解成N2，从而抑制了燃料NOx的生成．同时，由于燃烧速度和温度峰值的降低也减少了热力NOx的生成，燃烧所需的其余空气以二次风（或三次风）形式送入，使燃料进入空气过剩 区域（二次燃烧区）燃尽．虽然这时空气量多，但由于火焰温度较低，在二次燃烧区内不会生成较多的NOx，因而总的NOx生成量得以控制．因此，分级燃烧有利于降低NOx的生成．

对于实际燃煤锅炉，空气分级燃烧分为上层分级、中层分级及下层分级，分级风的喷入位置对NOx排放浓度有明显影响，随着分级风喷入位置的降低，NOx排放浓度逐步降低．在不同的分级风位置下，调整炉内送风量的配比与一次风空气系数，以降低燃煤锅炉NOx排放浓度．因此，分级燃烧技术用于大型燃煤锅炉，不但能抑制燃料型NOx的生成，而且也能抑制热力型NOx和快速型NOx的生成，总转化率能减少30％以上．

4 结束语

目前国内的脱硫技术已经发展得较为成熟，但脱氮技术仍处于研究开发阶段．从环保要求而言，燃煤锅炉只进行脱硫是远远不能达到环境质量要求的．由于我国环境污染比较突出，NOx继SO2之后已成为大气酸雨污染的主要因素．因此，在对燃煤锅炉进行脱硫的同时，应注重脱氮技术的开发与应用．

对于NOx采用何种控制技术主要取决于一个国家NOx的排放标准（国内NOx排放标准的最低限值为650mg／m3）、锅炉燃烧方式、炉膛结构、燃料特性和投资运行费用等多种因素．

就我国的现状而言，经济实力有限，对于锅炉烟气的处理，不应片面追求高脱除率，而应采用投资低、占地少、不造成二次污染，并且容易实施的脱除设备或技术．

分级燃烧技术不乏为一种行之有效的控制NOx生成的方法而被应用于国内燃煤电厂锅炉．

4 结束语

目前国内的脱硫技术已经发展得较为成熟，但脱氮技术仍处于研究开发阶段．从环保要求而言，燃煤锅炉只进行脱硫是远远不能达到环境质量要求的．由于我国环境污染比较突出，NOx继SO2之后已成为大气酸雨污染的主要因素．因此，在对燃煤锅炉进行脱硫的同时，应注重脱氮技术的开发与应用．

对于NOx采用何种控制技术主要取决于一个国家NOx的排放标准（国内NOx排放标准的最低限值为650mg／m3）、锅炉燃烧方式、炉膛结构、燃料特性和投资运行费用等多种因素．

就我国的现状而言，经济实力有限，对于锅炉烟气的处理，不应片面追求高脱除率，而应采用投资低、占地少、不造成二次污染，并且容易实施的脱除设备或技术．

分级燃烧技术不乏为一种行之有效的控制NOx生成的方法而被应用于国内燃煤电厂锅炉．

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5b3r.html