低氧燃烧降低NOX排放技术分析

[摘 要]近年来氮氧化物的危害已越来越受到人们的关注。氮氧化物是一种危害人体健康、破坏大气环境的有毒污染物。目前国际上降低锅炉燃烧产生NO x的措施可以分为两类，即低NO x燃烧技术和烟气净化技术。本文分析了低氧燃烧降低NOX排放技术。

[关键词]低氧燃烧 降低NOX排放 技术分析

中图分类号：TK227.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0101-01

一、NOX的危害及预防措施

氮氧化物是燃煤电站锅炉排放的大气污染物之一。氮氧化物是一种危害人体健康、破坏大气环境的有毒污染物，它主要是由煤中含氮化合物和燃烧空气中的氧气在高温燃烧过程中生成的。它不但与燃烧技术有关，而且与炉内温度和氧浓度有关，而炉温与氧浓度又与锅炉容量、锅炉结构及运行工况等因素有关。

污染物NOx的排放日益严重地影响着环境、气候和人类的健康，成为一个迫切需要解决的问题。随着人们环保意识的增强，控制NOx的排放和研究低NOx煤粉燃烧理论及技术已成为煤粉燃烧领域的重要课题。

目前国际上降低锅炉燃烧产生NO x的措施可以分为两类，即低NO x燃烧技术和烟气净化技术。在我国，烟气净化技术的投资相对较高，而低NO x燃烧技术能在不显著增加设备投资甚至不投资的情况下降低NO x排放量，是值得现阶段在我国大力推广应用的技术。高温燃烧生成大量的氮氧化物。为了解决这个问题，人们采用了诸如分级燃烧、控制过剩空气量等各种方法降低燃烧区的氧含量，达到降低氮氧化物（NOx）排放水平的目的。但因此却可能对燃烧稳定性造成一定的损害。对于现役锅炉充分利用现有设备，通过调整运行方式同样可以实现低NO x燃烧，减少NO x排放量。

二、低氧燃烧降低NOX排放技术

（一）低氧燃烧降低NOX排放的原理

高温低氧燃烧原理是高温空气燃烧技术赖以发展的基础，使得高温燃烧条件下的氮氧化物的生成与排放受到大大抑制。为了掌握这种非常规燃烧现象及污染物生成的基本规律，采用扩散燃烧模型、热力NO生成模拟与湍流N-S方程，数值研究了燃烧空间中空气氧浓度对燃烧特性和氮氧化物排放浓度的影响，再现了高温与低氧两种条件相结合，形成的稳定的低氮氧化物排放的燃烧特性。

（二） 煤燃烧过程NOx生成机理和控制技术

煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮（No）和二氧化氮（N02），这两者统称为NO。此外还有少量的氧化二氮（N20）产生。在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。以煤粉燃烧为例，在不加控制时，液态排渣炉的NO。排放值要比固态排渣炉的高得多。即使是固态排渣炉，燃烧器布置方式不同时、不加控制时的NO。排放值也很不相同氮氧化物是矿物燃料（如石油，煤，天然气等）和空气在高温燃烧时产生的。氮氧化物形成的途径主要有两条：一是有机的结合在矿物燃料中的杂环氮化物在火焰中分解，接着氧化：二是供燃烧用的空气中的氮在高温状态与氧进行化合反应生成NO、。生成的NO，中主要是NO，约占95%，而N02仅占5%。煤在燃烧过程中生成的NO。有三个来源：热力NO。、燃料NO。和快速NO；。它们有各自的生成的规律。

热力NO是空气中的氮气在高温下氧化而生成的NO。热力型NOx的生成速度和温度的关系是按照阿累尼乌斯定律，随着温度的升高，NOx的生成速度按指数规律迅速增加。试验表明，当温度达到15009C时，温度每提高100。C，反应速度将增加6。7倍。由此可见，温度对热力型NOx的生成浓度具有决定性影响，这就是为什么将这种高温下空气中的氮氧化而生成的氮氧化物称为热力型NOx的原因。除了反应温度对热力型NOx的生成浓度具有决定性的影响外，NOx的生成浓度还和N2的浓度和02浓度的平方根以及停留时间有关。也就是说，燃烧设备的过量空气系数和烟气的停留时间对NOx的生成浓度也有很大的影响。因此要控制热力型NOx的生成，就需要降低燃烧温度：避免产生局部高温区；缩短烟气在炉内高温区的停留时间；降低烟气中氧的浓度和使燃烧在偏离理论空气量（仅=1）的条件下进行。

（三） 煤燃烧过程中NO。的生成

煤粉燃烧过程中生成的NO大部分是燃料Nox。一些基础燃烧试验数据表明，在一级反应器内当空燃比为O.4l，温度小于1350”C时，燃料NO。几乎占100%。当温度为1600℃，热力NO。占25―30%，因此对煤的生成的研究主要着眼与燃料NO。煤中的氮生成NO是通过挥发分氮的气相氧化和碳中的氮多相氧化两个途径。煤中的氮在挥发分中和在碳中的比例与热解速度有关。温度低时，绝大部分氮留在碳中：温度高时70～90%的氮在挥发分中，此时燃料NO。主要来自挥发分中的氮。一些研究数据表明，在贫燃料燃烧时挥发氮生成NO中的57～61%，而在富燃料时，这个比例迅速降低，使碳中氮的多相氧化成为NO的主要来源。挥发分氮向NO的转化对于当地的空燃比很敏感。通过合理调节燃烧过程形成富燃烧区，可以大大减少这种转化。此外碳中氮对燃烧参数的依赖性弱，因此，存在着一个不能用控制燃烧来加以消除NO生成的下限。’基于以上特点，减少燃煤生成的NO。，主要是设法建立富燃料区，使燃料氮在其中尽可能多挥发，在贫氧富燃料条件下使易被氧化的燃料氮转化为稳定无害的N2。

（四） 燃料NOx的破坏机理

在煤粉燃烧过程中，影响燃料NOx生成的因素很多，因此其生成机理和破坏机理都是很复杂的过程，燃料中N得以氧化成氮氧化物的中间产物，及继续氧化和被还原是两个并存的过程。因此最终NOx生成量取决于这两个过程竞争的结果。一般说来在氧化气氛中，供燃烧用的空气中的氮以及化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解后生成NOx，而在还原气氛（缺氧状态）中则还原成氮分子N2。

四、 排放燃烧技术

（一） 降低燃烧温度，防止局部高温区

炉温不仅与燃料有关，而且还与锅炉容量，容积热负荷和过量空气系数a等有关。降低预热空气温度，降低容积热负荷和燃烧器区域截面热负荷以及采用烟气再循环方法等都能达到此目的。炉内燃烧一般为扩散火焰，燃料与空气的混和好坏也影响到炉膛温度和局部高温区，如燃料着火后，燃料和空气很快混合，燃烧温度上升就很快，最高温度值也很高，如果控制燃料和空气的混合速度，控制较低的氧浓度，可拉长火焰，使炉内温度水平降低。

（二） 降低过量空气系数

燃烧过程中低过量空气系数的运行，由于在～定程度上限制了反应区内的氧量，因而对热力NOx和燃料NOx的产生起着一定的控制作用。一般来说，这种方法可降低NOx排放15―20%。但当在很低的过量空气系数下运行，一氧化碳和烟的排放将增加，会导致不完全燃烧损失增大，燃烧效率将降低，并且有可能出现结渣、堵塞和其它的问题。

（三） 降低空气预热温度

空气预热温度提高，炉内温度水平也随之提高，导致热力NOx增加，同时燃烧温度较高，导致挥发分NOx增加。但降低空气预热温度，对燃煤和燃油锅炉的着火和稳然都会带来不利的影响，因此这种方法一般不用于燃煤燃油锅炉，对于燃气锅炉有一定的效果。

参考文献

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[作者简介] 徐立东（1982―），男，吉林省人，毕业于东北电力大学，学士学位，工程师，现从事火力发电厂集控运行管理工作。