NOx的生成机理

1、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 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。INOx的生成机理NOx主要指NO和NO?,其次是N2O3, NO 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

2、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N02 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

3、反应来描述:o+N »No + N.N 4 C). >NQ O热力型N。.的生成速率满足Arrhenius定律.可采川以下衣达式衣不：dlr (NO)：= 6X11 -小小 丁葭”这""'%式中：t反应时间；T反应温度：c(NO)NO的浓度；c(02)O2的浓度；c(N2)N?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1350。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1600 °C以上时， 热力型N

4、Ox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：燃料中的氯化合物-»-HCNNON，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N?

5、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：CH+N3-HICN+N.HCN+OC。" OH>-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。火馅总堆,C-;LGUE 二 5,5图1 NO,生成量与火焰温度的美系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

6、680 t/ii锅炉为对象，进行了试验研窕。 该锅炉为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台电力设备总厂制造的 ZGM80G型中速掘式磨煤机，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

7、量比较低。2.2 试验方法按GB 101841988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(p (02)=6%条件下的浓度。3试验分析31风箱与炉膛压差对NOx排放量的影响JJ m-：m - nJ- r; I- m 一 - - TI II I O I I O I II保持锅炉的负荷、配风方式、氧量

8、、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Ap来进行试验，结果如表2所示。« I设计逆爆成分和试凿时烛填成分分析对比Mt ni"l也种校情烧肿试费也冲ub%M 2152.M 01M H J%工雪L M3.315, o7N. 7013 .由imQ.WV 75%0. M»II. Kif). M»r< 4 fIKI7. ”723. 7i)ir(Mi) %K IN)9. SOU. -Ml%1 62IMiniivCVau )*21 <KlW M>M 4f*。）却,31 SW2ii Ml可磨性质皎K.KU7M一我风itW一次风一犹区一

9、次根;一次风图2燃烧答黑口布示意图从表2可以看出，Ap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 Ap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，形成一转弯的扇形而，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；Ap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

10、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。我2 n6变化时的试验HI果硬n3P - H M kPelDf、尸-H Xhi Uap-l 1-kPrffl-j1 岛时SJiI M“4 lb5X5 U一黑叩中初KW %t.WJ. 17i.iw.加/11燃四土*'%J<> 7422. 5026. Mi37, Whie搐物失，八%S «H4. 835.IIK4JW机情系比个您CMYW太/. %2 w.

11、2 252. W2. Ml92 !-/VI,"-I.66S3修炉中H变北时的试联络果4 H平Q73，时30一wo -；用'时.0。7 叫/。NQ.ffftfcr«nig m475 624195 加lUi m4,，四$70 65t痰叫力将岔总%工”5;2.加1,的B沿叫E与含I4 %II *117119 <1111 M14 40情热揖相大s %4J>2135. M5.5s5. 45虬微小完全燃绕储期为k "2 ”I &2 "1 76帙炉也事，知Mn.M,>2. H叼汽“南表4锅炉采用不同配风方式时的试验结票哽日坳为配 风方

12、式正三角配制三角加除腰府M方式风方式凤方式NO.HI Wfi (mg m ')542.6J7.21“昌八2加心飞灰可惮物含量飞1. WX 11If2.23炉清可要物含虽%12 2* 2K一惘谿损失"44.745 <Ki5 UI£06机械不完全燃烧 热因欠以 %1.M1.422.(17炳炉效率"1'：,>2.«U92. 8192 0292. U从表3数据可以看出，随着氧的体积分数(p(02)的增力口,锅炉的NOx排放量也在增加,在p(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3(0”的增加，炉燃烧区 域

13、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p(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3(02)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 方式进行试验，结果如表4所示。从表4

14、可以看出，倒三角配风方式锅炉NOx排放量最低，而正三角配风方式NOx排放 量最高，其它两种配风方式NOx的排放量居中。这种现象可以这样解释：采用倒三角配风 方式，在主燃烧区域，锅炉氧量相对较低，因此燃烧的火焰温度也要相对低一些，热力型 NOx和燃料型NOx的生成量都减少；在燃烧器区域上部送入过量的空气，有助于燃料燃尽, 从表4可看出这种配风方式飞灰可燃物是最低的，而且该区域不是主燃烧区域，火焰温度比 较低，即使该区域氧量比较大，NOx的生成量也不会增大，因此，总的NOx排放量比较低, 这也说明顶部二次风（OFA）的投入确实能减少NOx的生成量；由于燃烧区域下部送入风 量比较少，对进入炉膛的煤粉

15、顶托能力不够，致使炉渣可燃物含量比较大。采用正三角配风 方式，锅炉的主要风量都从炉膛燃烧区域下部送入，使得主燃烧区域氧量比较大，燃烧的火 焰温度也相对较高，从而使热力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，总的NOx排放量也 就增大。但是该配风方式下的炉渣可燃物含量会大大降低。3.4 磨煤机组合运行方式对NOx排放量的影响保持锅炉的负荷、风箱与炉膛压差、氧量和配风方式不变，通过不同的磨煤机组合运行 方式进行试验，结果如表5所示。衰5磨煤机不同组含运行方式下的试裳结果ABCE於纲合ABDE危烟针N工搏故秋525.13543 0()K乐"燃物台俄%2. 171,r炉沧叫燃小含生戈.26 51

16、11-2. 5H描塌得撷头钮%”战4.-J4肌依4,完中卷烧蛆损大如°。1.54优炉收率%Ml从表5可以看出，ABDE磨组合运行方式的NOx排放量要比ABCE磨组合运行方式的NOx 排放量高。其主要原因是：对于ABDE磨组合运行方式，高温区域沿炉膛高度方向比较长: 而对于ABCE磨组合运行方式，高温区域主要集中在下部，沿炉膛高度方向就比较短，所 以其热力型NOx的生成量就比ABDE磨组合运行方式的少，从而使ABCE磨组合运行方 式总的NOx排放量要比ABDE磨组合方式的少一些。4结论通过以上试验与分析，得出如下结论：a）采用水平浓淡燃烧技术和在燃烧器顶部布置二次风（OFA）的方法，可以使锅炉的 NOx排放量比较少，本台锅炉采用该项技术，在满负荷时，NOx的排放量没有超过国家标 准（650mg/m3）ob）通过对锅炉的燃烧调整优化，可以在保证锅