锅炉燃烧过程中氮氧化物的生成原因及其治理方法

1、锅炉燃烧迓程由蠹霸化物髓 生成原因及其治理方法上海市机电设备研究院何晓平摘要本文根据笔者在国外学习、工作之心得，阐述燃油燃气锅炉燃烧造成的 污染氮氧化物(NOx)的生成机理及其低NOx(抑制NOx生成)技术，同时介绍 我国与世界发达国家治理NOx物污染的现状，以期引起大家对NOx物污染的重视。关键词氮氧化物NOx低氪燃烧随着改革开放的发展及人民生活水平的提高，环境保护正日益受到重视。国家环保总局 通过划定酸雨控制区和二氧化硫污染控制区，对各地区的污染物排放提出了具体控制要求。 近年来，通过在燃煤锅炉上推广烟气脱硫技术，通过采用清洁能源、推广使用燃油燃气锅炉，通过限制开采高硫分高灰分的煤矿，烟气

2、台尘量及二氧化硫对大气的污染将会有较大的 改观。随着燃油燃气锅炉的广泛使用，一个以前没被注重的污染源氮氧化物的污染将会变得越来越严重，对此不能不引起足够的重视。一、氮氧化物(NOx)的生成原因分析在大气中存在的氮氧化物有NO、N02、N20、N203、N204、Os等；在煤、石油、天然 气等燃料的燃烧时产生的氮氧化物有NO、N02等，通常把这二者统称为氮氧化物(NOx)。在燃烧过程中生成的NOx，通常是通过如下两种途径生成的： 1)燃烧时空气中所含氮气与氧气在高温状态下反应生成NO，称为温度NOx。2)燃料中所含各种氮化合物的一部分在燃烧时氧化生成NO，称为燃料NOx。 温度NOx的生成化学反

3、应为吼+M：20+M(M是第三种物质) O+N2No+NN+02：N0+O N+OHNO+H影响温度NOx生成的原因主要有三个： 1燃烧温度2在燃烧区域的氧化浓度3燃烧气体在高温区域的滞留时间·149·上述三个因素对Nth生成量的影响详见图一、图二、图三。 由图一知随着燃烧温度的上升，NOx的生成量呈数量级上升； 由圈二知，随着过量空气系数增大亦即氧气浓度增加时，Nox的生成量急剧上升：由图三知，随着燃烧4t体在高温区域的滞留时间增加，N0x的生成量随之增加。卞，÷。糁了，金姑、j 7柽，o、岁溏。，彳岁。| 卜，lr、 ?f滞杵ul-q圉1o生成量与滞留时问的关

4、系(温度的影响)l 川。醇103 | |f|基呈 | 叫蓑如2挝量辛气最数3】O一2 f0I图3理论燃烧温度下滞龆时间与N0x生成量滞衙“j问sF=2二K囝2 N0生成量与滞留时闻的关系(过量空气的影响)燃料NOx的生成量与燃料中所含氮化合物的多少有直接关系。同时，与燃烧时的火焰温度、氧气浓魔等因素有黄。Nm抑制技术_f：主：三一耋蓁蓁薹翥纂磊囊置，融治理技术一k改善f纛蠢篓款理旧脱硝技护嚆慧篙麓乒法等率的同时也增加了NOx的生成量。 因此如何在保证热效率的同时抑制NOx的生成，就成 为治理Nox技术研究的主要方向通过对NOx生成原因的分析， 采用下列对应措施可抑制NOx的生成生成啄凼 气体滞

5、留时间火·毓温度 氧气浓睦燃料中氨含量近年来，抑制NOx生成的技术在欧美、日本等发达国家取得了很大的进展，其方法主 要如下：(一)改变锅炉的运行工况 1选择合适的过量空气系数为保证燃料完全燃烧，通常在保证燃烧所需的理论空气量外，还需供给一定比例的过量 空气。当过量空气系数取得过小时，可能导致不完全燃烧；过量空气系数取过大，则将增加 排炽热损失。经对目前使用的锅炉调查发现，许多锅炉的过量空气系数均取得较大。在高温 燃烧过程中，如过量空气系数大则燃气中氧气浓度高；将大量生成NOx。因此，选择合适的 过量空气系数，即在保证燃烧热效率的前提下取较小的过量空气系数，以尽量降低烟气中氧 气浓度，

6、将能有效抑制NOx的生成。2确定合适的锅炉负荷 由于用户热负荷经常波动，当要求锅炉高负荷运行时，通常增加鼓引风机风量使炉温升高，此时过量空气系数往往较大，炉温很高，生成的NOx量很多。如使锅炉在非满负荷状 态下平稳运行，降低炉膛温度，则可有效抑制NOx的生成。在热力系统中，通过设置蒸汽 蓄热器，可收到节能和减少NOx污染的双重效 2果。聃3确定合适的空气预热温度当在水管锅炉中，为提高热效率，常设置空气禽 预热器以提高燃烧用空气的温度。该预热温度的i 提高，导致炉膛温度上升，促进r NO的生成，垂1其相应关系详见图四。所以适当降低空气预热温、r 度可抑制No的生成。哩(二)改变锅炉的燃烧装置兰

7、1低NOx燃烧器 目前，日本、欧美国家锅炉上配置的低NOx燃烧器，大致为如下三种：颤热审气温度(。c)1)自身再循环低NOx燃烧器图4预热空气温度与NOx浓度关系这种形式的燃烧器，是在燃烧过程巾吸入炉15l-降低火焰温度，达到2)二次(或多次)燃烧型低NOx燃烧器 这种形式的燃烧器将燃烧所必需的空气量分为一次、二次(或更多次)空气(详见图六、七)。当一次空气参与燃烧时，其不完全燃烧生成物与二次(或更多次)空气混合再予 燃烧，以达到完全燃烧的结果。在燃烧过程中由于最初氧气不足造成燃烧缓慢，阻碍了急 速高温区的形成，从而引起了抑制NOx生成的作用。勺一÷t 幅司I如瓢犁刮l l【0203

8、0二次守气量()图6二次燃烧的燃烧器原理图7二次空气量与NOx低减率的关系3)浓淡燃烧形低NOx燃烧器 这种形式的燃烧器将二：种喷嘴交错布置(见图八)。燃烧时燃料过剩的火焰域与空气过饧ta)tb)圈8浓淡燃烧器的原理·152·剩的火焰域相邻排列，延缓了燃烧过程，降低了火焰温度，抑制了NOx的生成。 2排烟再循环 在锅炉尾部设旁通烟道将部分烟气混入燃烧用空气中(见图九、十)。通过减少燃烧用空气中氧气浓度以降低火焰温度，可达到抑制NOx生成的作用。国外生产的低NOx锅炉， 对于中小型锅炉大都是设置旁通烟道。与设置低NOx燃烧器相比，这种方法的成本要低许，多。对于已有锅炉的改造，

9、设置旁通烟道不失为一种简单易行的方法。20，、芝肆40 蹙耳占6【)z80o5Io5 20排娴再掂环率()图9排烟再循环原理图图10排烟再循环率与NOx低减率的关系3喷水或蒸汽 将水或蒸汽通过燃烧器喷人炉膛，水吸收潜热蒸发而导致火焰温度下降，起到抑制NOx生成的作用。这种方法简单易行，但须注意，过度喷蒸汽将会导致火焰不稳定，降低燃烧热 效率。三、国内外锅炉污染物现状及低NOx化技术应用情况(一)锅炉污染物现状在日本、欧美等发达国家，目前使用的锅炉绝大部分是燃油燃气锅炉。由于推广清洁能 源，在80年代基本解决了大气中尘埃、二氧化硫的污染。现在除大型电厂外，已很少使用 燃煤锅炉。日本从90年代初至

10、今，通过制定严格的排放标准，推广低NOx化技术，建立相应奖励融资制度，在减少NOx物排放、控制酸雨等方面取得了很大的进展。 在我国，多年来燃料政策是以煤为主。由于煤的灰熔点低，所以通常燃煤锅炉的炉膛温度在950。C左右。在此温度范围，NOx的生成量不大。因此，我国在环保方面致力于减少锅 炉排烟含尘量和进行烟气脱硫。前者的技术成熟，已收到良好的效果。后者因技术及成本原 因，目前尚在起步阶段。近年来，随着改革开放的发展和对环保的重视，燃油燃气锅炉数量 迅速增加。燃油燃气锅炉的炉膛温度在1400左右，其排烟污染物中氮氧化物占了很大的 比饲。目前，这些锅炉产生的氮氧化物处于自然排放阶段，对NOx的治理

11、尚未引起重视。(二)低NOx化技术应用情况 在日本由于严格执行大气污染物排放法规，现在薪设置的燃油燃气锅炉大都具有低NOx化装置，而原有普通锅炉，则正在逐步改造中。在我国，因燃油燃气锅炉近年来才大量使用，相应的NOx治理法规及排烟检测手段等·153·尚不严格。在现行的环保准中，对火电厂锅炉的NOx排放制定了标准都选用了普通燃烧 器。而国南锅炉厂在!产燃油燃油锅炉时，其燃烧器大都采用进口的普通燃烧器，对低化技 术的研究尚未引起重视。四、规阶段治理氮氧化物的措施随着我国对环境保护的闩益重视，清洁能源正在被迅速而广泛地得到使用。通过努力， 我国大中城市的空气指标中含尘量及s02浓度将会