燃煤电站锅炉氮氧化物形成机理及防治措施

[摘 要]氮氧化物（NOx）是火电厂排放的主气体污染物之一，对环境和人体危害很大。煤燃烧的污染排放是我国主要大气污染源之一。着国民经济的发展，电力需求快速增加，燃煤锅炉不断扩建，用煤量显著增加，氮氧化物（NOx）将会对大气环境造成严重危害。前排放标准要求控制在450mg/m3，因此控制燃煤锅炉的氮氧化物（NOx）的排放意义重大。

[关键词]燃煤电站锅炉氮氧化物 形成机理 防治措施

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0063-01

氮氧化物NOX是燃煤燃煤电厂烟气排放三大有害物之一从污染角度考虑的氮氧化物主要是NO和NO2，统称为NOX。在绝大多数燃烧方式下，主要成分是NO，约占NOX的90%多。NO是无色、无刺激气味的不活泼气体，在大气中的NO会迅速被氧化成NO2。NO2是棕红色有刺激性臭味的气体。NOX可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者，较易受二氧化氮影响。

一、关于燃煤电站锅炉氮氧化物及其形成机理

煤燃烧生成的氮氧化物主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等几种， 统称为NOx。在通常的燃烧温度下，煤粉燃烧生成的NOx中，NO占90%以上，NO2占5%～10 %。其中污染大气的主要是NO和NO2。NOx生成的途径主要有三个，即燃料型NOx（Fuel N Ox）、热力型NOx（thermal NOx）、快速型NOx（Prompt NOx）。

NOX的生成主要由热力NOX和燃料NOX两部分组成，前者由参与燃烧的空气中所含的N2生成，后者由燃料本身的氮元素生成。

（一）热力型NOx的生成

热力型NOx是空气中的氧（O2）和氮（N2）在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+O22NO

NO+O2NO2

当燃烧区域的温度低于1000K时，NO的生成量很小，而温度在1300～1500℃时，NO的浓度大 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。因此，温度对 热力型NOx的生成具有决定作用。根据热力型NOx的生成过程，要控制其生成，就需要降低锅 炉炉膛中燃烧温度，并避免产生局部高温区，以降低热力型NOx的生成。

（二）燃料型NOx的生成

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。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（HC N）、氨（NH3）和CN等中间产物，它们随挥发份一起从燃料中析出，它们被称为挥发份N。挥 发份N析出后仍残留在燃料中的氮化合物，被称为焦炭N。随着炉膛温度的升高及煤粉细度的 减小（煤粉变细），挥发份N的比例增大，焦炭N的比例减小。挥发份N中的主要氮化合物是HCN 和NH3，它们遇到氧后，HCN首先氧化成NCO，NCO在氧化性环境中会进一步氧化成NO，如在 还原性环境中，NCO则会生成NH，NH在氧化性环境中进一步氧化成NO，同时又能与生成的NO 进行还原反应，使NO还原成N2，成为NO的还原剂。

（三）快速型NOx的生成

快速型NOx主要是指燃料中的碳氢化合物在燃料浓度较高区域燃烧时所产生的烃与燃烧空气 中的N2分子发生反应，形成的CN、HCN，继续氧化而生成的NOx。因此，快速型NOx主要产 生于碳氢化合物含量较高、氧浓度较低的富燃料区，多发生在内燃机的燃烧过程。而在燃煤 锅炉中，其生成量很小。根据以上三种NOx的生成机理可知，NOx的生成主要与火焰中的最高温度、氧和氮的浓度以及 气体在高温下停留时间等因素有关。在实际工作中，可采用降低火焰最高温度区域的温度、 减少过量空气等措施，降低NOx的生成量。

二、 燃煤电站锅炉氮氧化物的防治措施

国家在倡导建设节能型社会的同时也越来越注意到能源消耗对环境带 来的污染问题。根据目前能源的供应情况来看，我 国将在未来相当长的一段时间内继续维持目前“以煤为主”的能源结构。煤的燃烧是目前我国大气污染的主要来源，而燃煤电站锅炉污染所占比重又最大，因此降低燃煤电站锅炉污染物排放的研究具有重要的意义。

根据我国现状，对现有机组适宜采用而且切实可行的降低NOX的方法是：改进运行方式和提高控制燃烧技术。一般认为，通过燃烧调整，可使NOX的排放降低15%～25%以上。同时更为重要的要有具体的落实措施措施：如实现送风和送粉均匀的监控装置。近期实际可行的降低NOX的方法是：粉管道间的燃料平衡；燃烧器间的送风平衡；一次风煤比；调整煤粉细度；尽可能提高OFA的风箱压力；减少过剩空气；炉膛吹灰的控制。

对于没有脱硝设备和脱硝燃烧器的燃煤锅炉来说，一般采用低氮燃烧技术来减少NOx的生成机会。热力型NOx是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NOx，产生的主要条件是高的燃烧温度使氮分子游离增本化学活性；然后是高的氧浓度，要减少热力型NOx的生成。

一般情况下在保证锅炉燃烧安全的前提下，采取以下措施来减少氮氧化物的生成：低过量空气燃烧；空气分级燃烧；燃料分级燃烧（也称再燃法）；烟气再循环；浓淡燃烧；低NOx燃烧器。从NOx的生成机理看，占NOx绝大部分的燃料型NOx在煤粉着火阶段生成。因此，通过特殊设计结构的燃烧器以及通过改变燃烧器的风煤比例，在燃烧器着火区的燃烧过程达到空气分级、燃料分级或烟气再循环法的效果，以降低着火区氧的浓度，从而降低着火区的温度达到抑制NOx生成的目的。对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，不但煤粉是通过燃烧器送入炉膛的，而且煤粉燃烧所需要的空气也是通过燃烧器送入炉膛的，煤粉气流的着火过程炉膛中的空气动力和燃烧工况主要是通过燃烧器的结构及其在炉膛上的布置来组织的。因此从燃烧的角度看燃烧器的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着主要的作用。由于低NOX燃烧器能在煤粉的着火阶段就拟制NOx的生成，可以达到更低的NOx排放值，因此低NOx燃烧器得到了广泛的开发和应用，世界各国的大锅炉公司为使其锅炉产品能满足日益严格的NOX排放标准的要求分别发展了不同类型的低NOx燃烧器，根据所采取的措施的不同各种不同类型的低NOx，燃烧器可以达到的NOx，降低率一般在30%60%。尽管低NOx燃烧技术具有系统简单、操作便易、投资少的优点，但在一般情况下其最多只能降低NOx排放量的50%。锅炉燃烧调整方法控制和降低NOx：1.采取空气分级燃烧降低NOX的含量；2.在保证气温的同时降低火焰中心；3.二次风配风调整为倒梯形，开大上部辅助风门，开大顶部反切风门OFA1/2，F磨辅助风门大于30%（F磨运行时，辅助风门大于50%、反切风门开度在60%以上）；4.在保证锅炉氧量和锅炉飞灰不增加的同时，减小送风风量；5.加大下层煤粉浓度，局部形成低氧燃烧；6.采取低过量空气燃烧降低NOX的含量。当NOX含量上升较快或超标时，可采取适当降低总风量的措施延缓NOx的生成在确保燃烧安全的情况下同时采用上面方法来控制氮氧化物，既兼顾了锅炉运行的经济性，又在在降低NOx方面取得了比较明显的效果。同负荷和同种煤种的前提下，调整后燃烧比前NOx降低了20%左右。

参考文献

[1]杨国诗.火电燃煤锅炉NOx生成机理与燃烧优化技术的研究[J]. 淮南师范学院学报.2011.03期

[2]沙亚红.单元机组低NOX排放研究[J].中国期刊网.2007.10.

[3]阎维平.洁净煤燃烧技术[M].中国电力出版社.2004.11.

[作者简介]韩海军，（1977―），男，内蒙古人，毕业于内蒙古工业大学，工程师，现从事火力发电厂集控运行管理工作。