燃燒型氮氧化物（NOX）生成、控制途徑及技術淺談

　　氮氧化物是造成大氣污染的主要污染源之一。通常所說的氮氧化物NOx有多種不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和 N2O5，其中NO和NO2是主要的大氣污染物。我國氮氧化物的排放量中70％來自于煤炭的直接燃燒。
　　研究表明，氮氧化物的生成途徑[2]有三種：（1）熱力型NOx，指空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成NOx；（2）快速型NOx，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成NOx；（3）燃料型NOx，指燃料中含氮化合物在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化而生成NOx；在這三種形式中，快速型NOx所占比例不到5％；在溫度低于1300℃時，幾乎沒有熱力型NOx。對常規燃煤鍋爐而言，NOx主要通過燃料型生成途徑而產生。控制NOx排放的技術指標可分為一次措施和二次措施兩類，一次措施是通過各種技術手段降低燃燒過程中的NOx生成量；二次措施是將已經生成的NOx通過技術手段從煙氣中脫除。
　　１．熱力型
　　熱力NOx的生成和溫度關系很大，在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到NOx總量的30% ，隨著反應溫度T的升高，其反應速率按指數規律增加。當T1300℃時T每增加100℃，反應速率增大6～7倍。
　　熱力型NOx的生成是一種緩慢的反應過程，是由燃燒空氣中的N2與反應物如O和OH以及分子O2反應而成的。所以，降低熱力型NOx的生成主要措施如下：
　　①降低燃燒溫度，避免局部高溫。
　　②降低氧氣濃度。
　　③縮短在高溫區內的停留時間。
　　2.快速型
　　快速型NOx是在碳氫化合物燃料在燃料過濃時燃燒，燃料揮發物中碳氫化合物高溫分解生成的CH自由基和空氣中氮氣反應生成HCN和N，再進一步與氧氣作用以極快的速度生成。快速NOx在燃燒過程中的生成量很小，影響快速NOx生成的主要因素有空氣過量條件和燃燒溫度。
　　3.燃料型
　　燃料型NOx是由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成，由于燃料中氮的熱分解溫度低于煤粉燃燒溫度，在600～800℃時就會生成燃料型NOx，它在煤粉燃燒NOx產物中占60～80%。由于煤的燃燒過程由揮發分燃燒和焦炭燃燒兩個階段組成，故燃料型NOx的形成也由氣相氮的氧化（揮發分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）兩部分組成，其中揮發分NOx占燃料型NOx大部分。
　　影響燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的揮發分含量、燃燒過程溫度、著火階段氧濃度等。燃料的揮發分增加NOx轉換量就增大，揮發分NOx轉化率隨氧濃度的平方增加。火焰溫度越高NOx轉換量就越大。
　　根據其影響因素，控制燃料NOx生成的途徑主要是：
　　①含N量低的燃料。
　　②過濃燃料。
　　③燃料與空氣的混合。
　　通過以上的機理可知，在日常生活中燃料（煤）燃燒是氮氧化物產生的主要方式，因此要降低NOx排放就要從控制燃燒型NOx方面入手。目前，氮氧化物控制技術可分為兩大類，一類是燃燒中控制技術；另一類是燃燒后控制技術。其中燃燒中控制技術是根據氮氧化物的形成機理而開發的，主要有低氧燃燒法，分級燃燒法，煙氣再循環法，低NOx燃燒器法等；燃燒后控制技術可分為干法，濕法和干一濕結合法三大類。下面分別簡要介紹燃燒中低NOx燃燒技術。
　　低NOx燃燒技術主要有：分級燃燒、燃料再燃、低過剩空氣燃燒和煙氣再循環等幾種方式。
　　3.1空氣分級燃燒
　　空氣分級燃燒的基本原理為[3]：將燃燒所需的空氣量分成兩級送入，使第一級燃燒區內過量空氣系數在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，因而抑制了熱力型NOx的生成。同時，燃燒生成的CO與NO進行還原反應，以及燃料N分解成中間產物(如NH、CN、HCN和NH3等)相互作用或與NO還原分解，抑制了燃料型NOx的生成。
　　在二級燃燒區內，將燃燒用的空氣的剩余部分以二次空氣輸入，成為富氧燃燒區。此時空氣量雖多，一些中間產物被氧化生成NO，但因火焰溫度低，生成量不大，因而總的NOx生成量是降低的，最終空氣分級燃燒可使NOx生成量降低30％～40%。當采用空氣分級燃燒后，火焰溫度峰值明顯比不采用空氣分級燃燒時降低，故熱力型NOx降低。
　　分級燃燒可以分成兩類：一類是燃燒室（爐內）中的分級燃燒；另一類是單個燃燒器的分級燃燒。燃燒室中的分級燃燒方法是，通常在主燃燒器上部裝設空氣噴口，形成所謂的火上風 （over fire air，也稱為燃盡風）。[4.5]
　　3.2燃料分級燃燒
　　在主燃燒器形成的初始燃燒區的上方噴入二次燃料，形成富燃料燃燒的再燃區，NOx進入本區將被還原成N2。為了保證再燃區不完全燃燒產物的燃盡，在再燃區的上面還需布置燃盡風噴口。改變再燃燒區的燃料與空氣之比是控制NOx排放量的關鍵因素。存在問題是為了減少不完全燃燒損失，需加空氣對再燃區煙氣進行三級燃燒，配風系統比較復雜。
　　3.3煙氣再循環
　　除了空氣和燃料分級降低NOx的排放量之外，目前使用較多的還有煙氣再循環法。它是在鍋爐的空氣預熱器前抽取一部分低溫煙氣直接送入爐內，或者是與一次風或二次風混合后送入爐內，這樣不但可以降低燃燒溫度，而且也降低了氧氣濃度，因而可以降低NOx的排放濃度。
　　煙氣再循環技術，其核心在于利用煙氣所具有的低氧以及溫度較低的特點，將部分煙氣再循環噴人爐膛合適的位置，降低局部溫度及形成局部還原性氣氛，從而抑制NOx的生成。煙氣再循環技術在很多情況下是被用來防止鍋爐運行中的結焦問題。對于燃燒無煙煤等難燃煤種以及煤質不是很穩定的電站鍋爐，則不宜采用煙氣再循環技術。其原理為從空氣預熱器前抽取溫度較低的煙氣，通過再循環風機將抽取的煙氣送入空氣煙氣混合器，和空氣混合后一起送去爐內。