燃煤锅炉NOx生成及控制措施

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) 影响
1.0 闻到臭味
5.0 闻到很强烈的臭味
10-15 眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激
50 1分钟内人体呼吸异常，鼻受到刺激
80 3－5分钟内引起胸痛
100-150 人在30－60分钟就会因肺水肿死亡
200以上人瞬间死亡
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，
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：
2
222
2NO O NO NO O N 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
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（CH m）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
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
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
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
“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
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°
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。

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
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。