NOx的生成机理

随着我国实行可持续发展的战略，经济建设和环境的协调发展已成为可持续发展的一项重要内容，因此环境保护已成为当前和今后一项任重而道远的工作。在燃煤电厂排放的大气污染物中，氮氧化物（NOx）因为对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，所以成为重点控制排放的污染物之一。由于环保滞后，特别是治理资金的匮乏，我国对NOx的治理还很有限，因此通过燃烧调整来减少燃煤电厂污染物的排放，特别是NOx的排放，具有积极的意义。

1NOx的生成机理

NOx主要指NO和NO2，其次是N2O3，N2O，N2O4和N2O5。在发电厂锅炉的煤粉燃烧过程中，NOx的形成途径主要有两条：一是有机地结合在煤中的氮化物在高温火焰中发生热分解，并进一步氧化而生成NOx；二是供燃烧用的空气中的氮在高温状态与燃烧空气中的氧发生化合反应而生成NOx。在煤粉锅炉生成的NOx中，主要是NO，约占95%，而NO2仅占5%左右，N2O3，N2O，N2O4和N2O5的量很少。NOx的生成量与锅炉的容量、结构、燃烧设备、煤种、炉内温度水平和氧量、运行方式等有关。

煤燃烧过程中所生成的NOx有三种类型，即热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

1.1热力型NOx的生成

热力型NOx是燃烧空气中的氮在高温下氧化而成的。其生成机理是由前苏联科学家捷里道维其（Zeldovich）提出的，按这一机理，热力型NOx的生成主要由以下链锁反应来描述：

式中：t——反应时间；

T——反应温度；

c(NO)——NO的浓度；

c(O2)——O2的浓度；

c(N2)——N2的浓度。

由上式可以看出，影响热力型NOx生成量的主要因素有燃烧反应的温度、氧气浓度和反应时间，而且温度对热力型NOx的生成影响最大。实际上在1 350 ℃以下，热力型NOx 生成量很少，但随着温度的上升，热力型NOx生成量迅速增加，温度达1 600 ℃以上时，热力型NOx占NOx生成总量的25%～30%。

1.2燃料型NOx的生成

燃料型NOx占煤粉锅炉NOx生成总量的70%～80%。一般认为，燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化而生成的，同时还存在NO的还原反应。燃料型NOx的生成和还原机理相当复杂，至今仍无法解析清楚。燃料型NOx的生成可用下式表示：

燃料型NOx的生成和还原不仅与煤种的特性、煤中氮化合物存在的状态、煤中的氮热分解时在挥发分和焦碳中分配的比例和各自的成分有关，还与氧的浓度、燃烧温度相关。1.3快速型NOx的生成

快速型NOx的生成是通过燃料产生的CH原子团撞击N2分子，生成HCN类化合物，再进一步氧化而生成的，这个反应很快，所以称为快速型NOx。快速型NOx的生成可由以下式子表示：

温度对快速型NOx的生成影响很小，与热力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型NOx的生成量要少得多。

1.4NOx生成量与火焰温度的关系

一般来说，热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx的生成量随火焰温度变化的规律，可以由图1定性描述。

2锅炉燃烧调整对NOx排放量的影响试验

2.1锅炉的概况

为分析锅炉燃烧调整对NOx排放的影响，以某台680 t/h锅炉为对象，进行了试验研究。该锅炉为东方锅炉厂设计制造的超高压、一次中间再热、自然循环、平衡通风、煤粉固态排渣汽包炉，型号为DG680/13.7-20，燃用煤种为烟煤，设计燃煤成分和试验时的燃煤成分如表1所示。锅炉配用中速磨冷一次风正压直吹式制粉系统，共有5台北京电力设备总厂制造的ZGM80G型中速辊式磨煤机，其中4台运行1台备用。煤粉燃烧器布置在炉膛四角，切圆燃烧，四角燃烧器中心线与炉膛中心形成两个相切的假想切圆，假想切圆直径分别为736 mm和391 mm。采用水平浓淡分离燃烧器，燃烧器喷口布置见图2，燃烧器的这种结构和布置应用了低NOx燃烧技术，可以保证NOx的排放量比较低。

2.2试验方法

按GB 10184—1988《电站锅炉性能试验规程》进行锅炉燃烧调整试验。燃烧调整每个工况锅炉负荷基本上保持在满负荷。采用网格法在空气预热器的进、出口分别进行烟气取样，经混合器混合后送到烟气分析小车进行分析。空气预热器进口温度和排烟温度用网格法进行测量，采用网格法等速取样空气预热器出口的飞灰，炉渣在捞渣机出口取样。锅炉的效率用反平衡法进行计算。NOx的浓度换算为φ（O2)=6%条件下的浓度。

3试验分析

3.1风箱与炉膛压差对NOx排放量的影响

保持锅炉的负荷、配风方式、氧量、磨煤机组合方式均不变，通过改变二次风箱与炉膛压力的差压Δp来进行试验，结果如表2所示。

从表2可以看出，Δp约1.0 kPa时，锅炉的NOx排放量相对于其它情况都要低。这是因为Δp比较高时，二次风的风速比较高，动量也大，一次风从喷口出来后不久即被二次风所卷吸，射流轨迹变弯，形成一转弯的扇形面，对卷吸周围的高温烟气更加有利，由于温度高，热力型NOx的生成量比较大，从而使总的NOx的排放量大；Δp比较低时，二次风速比较低，刚性也比较弱，二次风很快就与一次风混合，在煤燃烧初始阶段，大部分的挥发分氮（气相氮化合物）随煤中其它挥发物一起释放出来，形成中间产物，如NHi，CH和HCN，在氧气存在条件下，这些中间产物会进一步氧化成NOx，使燃料型NOx的生成量增大，从而使总的NOx排放量增大。

3.2氧量对NOx排放量的影响

保持锅炉的负荷、配风方式、风箱与炉膛压差、磨煤机组合方式均不变，通过调节送风量来改变锅炉的氧量，从而进行试验分析，试验结果如表3所示。

从表3数据可以看出，随着氧的体积分数φ(O2)的增加，锅炉的NOx排放量也在增加，在φ(O2)增加到一定程度以后，NOx排放量的增加渐趋平缓。这是因为随着φ(O2)的增加，炉内燃烧区域的供氧量加强，燃烧强度加强，炉膛火焰温度升高，热力型NOx的生成量增大。另外，燃烧区域氧浓度增加，为燃料中的氮化合物燃烧时的热分解产物进一步氧化成NOx提供了条件，从而使燃料型NOx的生成量也增加，因此总的NOx排放量增加。然而，随着φ(O2)的进一步增大，送入锅炉的风量已经过大，造成燃烧区域的火焰温度降低，从而使热力型NOx的生成量减少，因此总的NOx排放量的增加趋势平缓，若φ(O2)进一步增大，NOx的生成量还会有降低的趋势。

3.3锅炉的配风方式对NOx排放量的影响

保持锅炉的负荷、氧量、风箱与炉膛的压差、磨煤机组合方式等不变，通过不同的配风