低NOx燃烧技术

燃煤锅炉的低N O x燃烧技术

NO x是对N

2O、NO

2

、NO、N

2

O

5

以及PAN等氮氧化物的统称。在煤的燃烧过程中，NO x生

成物主要是NO和NO

2

，其中尤以NO是最为重要。实验表明，常规燃煤锅炉中NO生成量

占NO x总量的90%以上，NO

2只是在高温烟气在急速冷却时由部分NO转化生成的。N

2

O之所

以引起关注，是由于其在低温燃烧的流化床锅炉中有较高的排放量，同是与地球变暖现

象有关，对于N

2

O的生成和抑制的内容我们将结合流化床燃烧技术进行介绍。

因此在本章的讨论中，NO x即可以理解为NO和NO

2

。

一、燃煤锅炉NO x的生成机理

根据NO x中氮的来源及生成途径，燃煤锅炉中NO x的生成机理可以分为三类：即热力型、燃料型和快速型，在这三者中，又以燃料型为主。它们各自的生成量和炉膛温度的

关系如图3-1所示。试验表明，燃煤过程生成的NO x中NO占总量的90%，NO

2

只占5%～10%。

1、热力型NO x

热力型NO x是参与燃烧的空气中的氮在高温下氧化产生的，其生成过程是一个不分支的链式反应，又称为捷里多维奇（Zeldovich）机理

O

O2

2

→(3-1)

N

NO

N

O+

→

+

2

(3-2)

O

NO

O

N+

→

+

2

(3-3)

如考虑下列反应

H

NO

OH

N+

→

+(3-4)

则称为扩大的捷里多维奇机理。由于N≡N三键键能很高，因此空气中的氮非常稳定，在室温下，几乎没有NO x生成。但随着温度的升高，根据阿仑尼乌斯（Arrhenius）定律，化学反应速率按指数规律迅速增加。实验表明，当温度超过1200℃时，已经有少量的NO x 生成，在超过1500℃后，温度每增加100℃，反应速率将增加6～7倍，NO x的生成量也有明显的增加，如图3-1所示。

但总体上来说，热力型NO x的反应速度要比燃烧反应慢，而且温度对其生成起着决定性的影响。对于煤的燃烧过程，通常热力型NO x不是主要的，可以不予考虑。一般来说通过降低火焰温度、控制氧浓度以及缩短煤在高温区的停留时间可以抑制热力型NO x的生

成。

2、快速型NO x

快速型NO x中的氮的来源也是空气中的氮，但它是遵循一条不同于捷里多维奇机理的途径而快速生成的。其生成机理十分复杂，如图3-2所示。

与空气中的氮反应形通常认为快速型NO x是由燃烧过程中的形成活跃的中间产物CH

i

成HCN、NH和N等，再进一步氧化而形成的。在煤的燃烧过程中，煤炭挥发分中的碳氢

· ），这些活化合物在高温条件下发生热分解，生成活性很强的碳化氢自由基（CH· ，CH

2

化的CH i和空气中的氮反应生成中间产物HCN、NH和N，随后又进一步被氧化成NO，实验表明这个过程只需60ms，故称为快速型NO x，这一机理是由费尼莫（Fenimore）发现的，所以又称为费尼莫机理。

+

CH+

→

N

N

HCN

(3-5)

2

→

C+

+

CN

N

N

(3-6)

2

由图3-1可以看出，在煤粉燃烧过程中快速型NO x生成量很小，大致在（10～100）×10-6，且和温度关系不大。但随着NO x排放标准的日益严格，对于某些碳氢化合物气体燃料的燃烧，快速型NO x的生成也应该得到重视。

3、燃料型NO x

由燃料中的N生成的NO x称为燃料型NO x，由图3-1可知，燃料型NO x是煤粉燃烧过程中NO x的主要来源，占总量60%～80%。同时由于煤的热解温度低于其燃烧温度，因此在600～800℃时就会生成燃料型NO x，而且其生成量受温度不大。

煤的氮含量在%～%之间，且随其产地的不同有较大差异。煤中绝大多数的氮都是以有机氮的形式存在。在燃烧过程中，一部分含氮的有机化合物挥发并受热裂解生成N、CN、HCN和NH i等中间产物，随后再氧化生成NO x；另一部分焦炭中的剩余氮在焦炭燃烧过程中被氧化成NO x，因此燃料型NO x又分为挥发分NO x和焦炭NO x。该过程如图3-3所示。

实验表明，在通常的燃烧条件下，燃煤锅炉中大约只有20%～25%的燃料氮转化为NO x，而且受燃烧过程空气量影响很大，常用过量空气系数（α）来表示燃烧过程空气量的多少，一般定义在化学当量比下的过量空气系数为1，大于1表示空气过量，小于1表示空气量不足。如图3-4所示，当过量空气系数α=时，燃料型NO x的生成量接近于零，然后随过量空气系数的增加而增加。同时进一步研究表明，焦炭氮向NO x的转化率很低，大多数燃料型NO x属于挥发分NO x，以上知识对于研究和开发燃料型NO x的控制技术是相当重要的。

煤燃烧的氮氧化物形成实际上是一个非常复杂的过程，与煤种、燃烧方式及燃烧过程的控制密切相关。对于各种不同的煤种的原始NO x排放情况，一般来说无烟煤燃烧时的NO x排放量最大，褐煤燃烧时为最小，这不但与煤种有关，更重要的是与煤的燃烧方式有关，煤中的挥发分越低，燃烧时为了燃烧的要求，组织的燃烧温度越高，同时风量一般也最大，就形成了原始的NO x排放也越高。图3-5所示的是不同的燃煤锅炉炉型所产生的原始NO x排放量的状况，从图中可以看来，对于循环流化床锅炉具有最好的低NO x排放性能，原始排放量最大的是液态排渣煤粉炉，这也是为什么目前液态炉用得不多的原因之一。

图3-6进一步给出了都是煤粉炉不同燃烧方式的条件下的NO x排放量，从图中可以看出，从NO x原始排放量来看，最佳的是固态排渣的切向燃烧锅炉，这类锅炉也是煤粉炉中应用最广的一种炉型。在图3-6中同时还给出了为了满足环保要求，不同炉型的NO x排放控制要求的简单线算方法，因此通过这张图就可以初步判断用什么方法可以达到排放的要求。