NOx生成及其控制措施

NOx生成及控制措施

一 概述

中国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤在一次能源中占75％，其中84％以上是通过燃烧方法利用的。煤燃烧所释放出废气中的氮氧化物(NOx)，是造成大气污染的主要污染源之一。氮氧化物(NOx)引起的环境问题和人体健康的危害主要有以下几方面：氮氧化物(NOx)的主要危害：

(1)NOx对人体的致毒作用，危害最大的是NO2，主要影响呼吸系统，可引起支气管炎和肺气肿等疾病；(2)NOx对植物的损害；(3)NOx是形成酸雨、酸雾的主要污染物；(4)NOx与碳氢化合物可形成光化学烟雾；(5)NOx参与臭氧层的破坏。 (2)不同浓度的NO2对人体健康的影响

浓度(ppm) 1.0 5.0 10-15 50 80 100-150 200以上 影 响 闻到臭味 闻到很强烈的臭味 眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激 1分钟内人体呼吸异常，鼻受到刺激 3－5分钟内引起胸痛 人在30－60分钟就会因肺水肿死亡 人瞬间死亡

二、燃煤锅炉NOx生成机理

氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的NOx有多种不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是重要的大气污染物，另外还有少量N2O。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，

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因此火力发电厂是NOx排放的主要来源之一。

煤的燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx）主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤的燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等密切相关。燃烧形成的NOx生成途径主要由以下三个：为燃料型、热力型和快速型3种。其中快速型NOx生成量很少,可以忽略不计。

1. 热力型NOx

指空气中的氮气（N2）和氧(O2)燃料燃烧时所形成的高温环境下生成的NO和NO2的总和，其总反应式为：

N2O22NO

NOO2NO2当燃烧区域温度低于1000℃时，NO的生成量较少，而温度在1300℃—1500℃时，NO的浓度约为500—1000ppm，而且随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律增加，当温度足够高时热力型NOx可达20%。因此，温度对热力型NOx的生成具有绝对性的作用，过量空气系数和烟气停留时间对热力型NOx的生成有很大影响。

根据热力型NOX的生成过程，要控制其生成，就需要降低锅炉炉膛燃烧温度，并避免产生局部高温区，以降低热力型NOX的生成。

2. 燃料型NOx

燃料型NOx的生成是燃料中的氮化合物在燃烧过程中氧化反应而生成的NOx，称为燃料型NOx。燃煤电厂锅炉中产生的NOx中大约75%～90%是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤电厂锅炉产生NOx的主要途径。研究燃料型NOx的生成和破坏机理，对于控制燃烧过程中

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NOx的生成和排放，具有重要的意义。在燃料燃烧生成NOx的过程中，如遇到烃（CHm）或碳（C）时，NO将会被还原成氮分子N2,，这一过程中被称为NO的再燃烧或燃料分级燃烧。根据这一原理，将进入锅炉炉膛的煤粉分层分级引入燃烧，可以有效地控制NOx的生成与排放。

燃料型NOx的生成和破坏过程不仅与煤种特性、燃料中的氮化合物受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且其反应过程还和燃烧条件（如温度和氧）及各种成分的浓度密切相关。在燃料进入炉膛被加热后，燃料中的氮有机化合物首先被热分解成氰（HCN），氨（NH4）和CN等中间产物，它们随挥发份一起从燃料中析出，被称为挥发分N。挥发分N析出后仍残留在燃料中的氮化合物，称为焦炭N。

在一般情况下，燃料型NOx的主要来源是挥发N，其占总量的60%～80%，其余为焦炭N所形成。在氧化性环境中生成的NOx，遇到还原性气氛时，会还原成N2。因此锅炉燃烧最初形成的NOx，并不等于其排放浓度，而随着锅炉燃烧条件的改变，生成的NOx可能被还原，或被破坏。煤中的N在燃烧过程中转化为NOx的量与煤的挥发份及燃烧过量空气系数有关，在过量空气系数大于1的氧化性气氛中，煤的挥发分越高，NOx的生成量就越多，过剩空气系数小于1，高挥发份燃煤的NOx生成量较低，其主要原因是高挥发份的燃料迅速燃烧，使燃烧区域氧量降低，不利于NOx的生成。

综合的说，燃料型NOx指燃料中含氮化合物在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化而生成NOx。其生成量主要取决于空气燃料的

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混合比。燃料型NOx约占NOx总生成量的75%～90%。过量空气系数越高, NOx的生成和转化率也越高。

3. 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等反应生成NOx。主要是指燃料中碳氢化合物在燃料浓度较高的区域燃烧时所产生的烃,与燃烧空气中的N2发生反应，形成的CN和HCN继续氧化而生成的NOx。在燃煤锅炉中，其生成量很小，一般在燃用不含氮的碳氢燃料时才予以考虑。

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。控制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。

三、燃煤锅炉NOx生成因素

1.炉温对NOX生成的影响:炉温主要影响热力NOX的生成量从而影响总的NOX生成量。炉温越高,所占比例越大。

2.过剩空气系数对NOX生成的影响：过剩空气系数对燃料NOX 、热力NOX及快速NOX均有影响，但影响的趋势不同，当α开始增加时，热力NOX和燃料NOX都增加，当超过1.1时热力NOX减少，燃料NOX继续增加，总的NOX随α的增加而增加。

3.预热空气温度对NOX生成的影响：如果提高预热空气温度，则煤粉着火提前，这样可提高炉内温度水平，使热力NOX增加，同时燃

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烧初始区的温度水平，使挥发分大量析出，因而挥发分NOX大量增加。所以预热空气温度越高，NOX生成量越多。 4.煤质对NOX生成的影响：

（1）挥发分的影响：当挥发分增加时，着火提前，温度峰值和平均温度均会有所提高，热力NOX增加；同时挥发分含量增多，使得燃料型NOX也会提高；

（2）水分的影响：水分增加，着火延迟，则燃料与空气之间的混合良好，即着火区氧浓度增加，燃料中的氮在着火阶段停留时间增加，反应充分，故燃料型NOX增加。另外，水分增加，发热量降低，温度水平降低，热力型NOX降低，但总NOX的生成量增加。 （3）含氮量的影响：随含氮量的增加，NOX增加。

5.煤粉细度对NOX生成的影响：在不考虑低氮燃烧时，煤粉细度越细，则燃烧越快，温度越高，热力NOX越多；同时，煤粉加热快，温度峰值高，则析出的挥发分多。而且此时与空气混合程度高，燃料NOX多。

6.负荷对NOX的影响：随着负荷的降低，炉膛温度降低，热力型NOX生产量降低，但负荷降低，过量空气系数增加，总的燃烧区过量空气量增加，燃料型NOX增加，因此，在负荷降低过程中，NOX含量先降低后升高。

四、降低燃料型NOx排放的主要技术措施

低NOx燃烧技术：NOx的形成起决定作用的是燃烧区域的温度和过量空气系数，因此，通过控制燃烧区域的温度和空气量，已达到阻

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止NOx的生成及降低其排放的目的，我们称该技术为低氮燃烧技术。对低氮燃烧技术的要求是，在降低NOx的同时，使锅炉燃烧稳定，且飞灰含碳量不能超标。为了控制燃烧过程中NOx的生成量所采取的措施原则为：(1)降低过量空气系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧；(2)降低燃烧温度，防止产生局部高温区；(3)缩短烟气在高温区的停留时间等。低NOx燃烧技术主要包括：低过量空气系数、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器。 1、低过量空气燃烧

使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行,随着烟气中过量氧的减少,可以抑制NOX的生成。这是一种最简单的降低NOX排放的方法。一般可降低NOX排放15~20%。但如炉内氧浓度过低(3%以下),会增加化学不完全燃烧热损失,引起飞灰含碳量增加,使锅炉燃烧效率下降。因此,在锅炉运行时,应选取最合理的过量空气系数。 2、空气分级燃烧

基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成,采用倒三角的配风方式。在第一阶段预燃阶段,将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少(相当于理论空气量的80%),使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。此时第一级燃烧区内过量空气系数α<1,因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此,不但延迟了燃烧过程,而且在还原性气氛中降低了生成NOX的反应率,抑制了NOX在这一燃烧中的生成量。第二阶段燃烬阶段,为了完成全部燃烧过程,完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门二次风喷口送入炉膛,与第一级燃烧区在

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“贫氧燃烧”条件下所产生的烟气混合,在α>1的条件下完成全部燃烧过程。这一方法弥补了简单的低过量空气燃烧的缺点。在第一级燃烧区内的过量空气系数越小,抑制NOX的生成效果越好,但不完全燃烧产物越多,导致燃烧效率降低、引起结渣和腐蚀的可能性越大。因此,为保证既能减少NOX的排放,又保证锅炉燃烧的经济性和可靠性,必须正确组织空气分级燃烧过程。 3、燃料分级燃烧

在燃烧中已生成的NO遇到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时,会发生NO的还原反应,重新还原为N2。利用这一原理,将主要燃料送入第一级燃烧区,在α>1条件下,燃烧并生成NOX。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料,其余15~20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区,在α<1的条件下形成很强的还原性气氛,使得在一级燃烧区中生成的NOX在二级燃烧区(再燃区)内被还原成氮分子,送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料,或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的NOX得到还原,还抑制了新的NOX的生成,可使NOX的排放浓度进一步降低。在采用燃料分级燃烧时,为了有效地降低NOX排放,再燃区是关键。因此,需要研究在再燃区中影响NOx浓度值的因素。

4、烟气再循环

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部分低温烟气直接送入炉内,或与一次风或二次风混合后送入炉内,这样不但可降低燃烧温度,而且也降低了氧气浓度,进而降低了

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NOX的排放浓度。但是,在现有设备没再循环就得进行设备改造,还是进行经济性和安全性比较后才能实施。 四、我厂燃烧器布置

我厂燃烧方式采用四角切圆燃烧。一、二次风喷口均可上下摆动，摆动角度能达到设计值，最大摆角为 30º。喷口的摆动由能反馈电信号的（4～20mA）的进口气动智能型执行机构来实现，执行机构有足够的扭矩，能使燃烧器摆动灵活，四角同步，每个执行机构要求有一个4~20mA位置反馈并送至DCS，燃烧器上设有摆动角度指示标志。 主风箱设有五层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。在每相邻两层煤粉喷嘴之间布置有一层辅助风喷嘴，在主风箱上部设有三层紧凑燃烬风喷嘴，在主风箱下部设有一层二次风喷嘴。在主风箱上部布置有高位燃烬风燃烧器，包括三层可水平摆动的分离燃尽风（高位燃烬风）喷嘴。SOFA风喷嘴可上下和左右水

既可自动上下摆动30°的，又可手动左右摆动15°

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平摆动，来控制炉膛出口烟温偏差。

一次风喷口应采用防止烧坏或磨损的新型合金材料制造，当燃烧器检修时，可以从外部进行拆装。燃烧器的设计和布置应保证NOx排放浓度不超过250mg/Nm3(干基O2=6%)。每台磨煤机出口由四根煤粉管道接至同一层四角布置的煤粉燃烧器，煤粉管道直径Φ530×10mm。在入口弯头和燃烧器之间布置有手动煤闸门，在检修时可以起到隔断的作用。

一次风煤粉燃烧器采用水平浓淡形式并设置偏置周界风，形成浓淡两股气流喷入炉膛，浓相煤粉在向火侧首先着火，然后点燃位于背火侧的淡相使燃烧稳定持续。在煤粉喷嘴内装设波形钝体结构，一次风粉混合物射流通过钝体时，下游产生一个稳定的回流区，使着火点稳定；钝体前端阻挡块，有利于稳定回流区；波形结构可增加一次风与炉内热烟气接触面积。淡相煤粉配以偏置周界风提高了水冷壁附近的氧量，增加其氧化性气氛，更好地防止结焦、防止高温腐蚀。 五、燃烧调整措施

1.各班组要注意监视脱硝DCS画面各参数是否正常，保证脱硝入口烟气NOx浓度在300 mg/Nm3以下，脱硝出口烟气NOx浓度在100 mg/Nm3以下，如NOx浓度超标，应及时调整。

2.锅炉燃烧氧量必须满足设计要求，依据机组负荷（当机组负荷大于180MW时）及时开启燃尽风挡板，满负荷运行时必须保证燃尽风挡板开度大于70%，氧量高时通过降低各层燃烧器二次风量进行调整，从而实现燃烧区高温低氧、燃烬区低温高氧的燃烧方式。

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3.保持水冷壁受热面清洁，在机组负荷大于240MW时，必须投炉吹进行水冷壁吹灰，防止水冷壁结焦造成炉膛温度升高。

4.由于煤粉细度较细时炉内的火焰峰值温度较高，燃烧强度较大，可使NOx排放有一定增加，在不影响飞灰含碳量的前提下，适当的调整煤粉细度。

5.由于降低热二次风温度可以降低炉内温度水平，从而达到降低NOx排放量，在冬季适当控制暖风器出口风温，但必须确保排烟温度满足要求。适当降低一次风量也可以引起Nox排放量的降低。 6.由于负荷对NOx影响是很大的，在低负荷期间由于氧量偏大，致使NOx含量增大，要求在低负荷时加强燃烧的调整，确保低负荷氧量不超过当时负荷所对应的设定值，以减少NOx排放量。

7.在满足磨煤机干燥、通风、磨煤出力的前提下，尽量降低一次风率（保证磨煤机出口风速不低于25m/s），适当提高二次风率，以实现燃烧器分级燃烧的目的。

8.采用调节二次风分风门的方法，合理控制二次风与炉膛差压不低于0.3KPa，但应保证运行燃烧器二次风分门不低于20%，备用不低于5%以保护燃烧器喷咀，最下层不允许低于70%。

9.合理使用SOFA（降低NOx生成最有效方法），锅炉在40-60%BMCR负荷时，A层SOFA对应开度为0-100%；60-80%BMCR负荷时，A层SOFA全开，B层SOFA对应开度0-100%；同样在80-100%BMCR负荷时，C层SOFA对应开度0-100%。

10.开大SOFA对锅炉排烟温度及主再热蒸汽温度等参数可能产生

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负面影响，即降低NOx生成与提高锅炉燃烧效率在某个负荷点之前是相矛盾的，应在运行调节过程中摸索规律，寻找平衡点。