氮氧化物產(chǎn)生與控制分析

前言能源與環(huán)境是當(dāng)今社會發(fā)展的兩大問題，如何文明用能、合理用能已經(jīng)成為人們越來越關(guān)注的話題。在能源的利用中，礦物燃料的燃燒要排放出大量污染物。例如，我國每年排入大氣中的87%的SO2、68%的NOx和60%的粉塵均來自于煤的直接燃燒，因此，文明用能、合理用能，發(fā)展高效、低污染的清潔煤燃燒技術(shù)，降低NOx和SO2的排放量是當(dāng)前亟待解決的問題。循環(huán)流化床鍋爐是最近二十年里發(fā)展起來的一種新型燃燒技術(shù)，它的主要特點在于燃料及脫硫劑經(jīng)多次循環(huán)、反復(fù)地進行低溫燃燒和脫硫反應(yīng)，爐內(nèi)湍流運動強烈。它不但能達到90%的脫硫效率和與煤粉爐相近的燃燒效率，而且具有燃料適應(yīng)性廣、負荷調(diào)節(jié)性能好、灰渣易于綜合利用等優(yōu)點。本文對循環(huán)流化床鍋爐中的NOx生成機制進行深入研究，分析影響NOx濃度的因素，探討控制NOx排放量的措施，為循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計、運行提供參考。1

NOx的生成機制煤燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），這兩者統(tǒng)稱為NOx，此外還有少量的氧化二氮（N2O）產(chǎn)生。和SO2的生成機理不同，在煤燃燒過程中氮氧化物的生成量和排放量與煤燃燒方式、特別是燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件關(guān)系密切。在煤燃燒過程中，生成的NOx途徑有三個：（1）熱力型NOx（ThermalNOx），它是空氣中的氮氣在高溫下氧化而生成的。（2）燃料型NOx（FuelNOx），它是燃料中含有的氮化合物在燃燒過程中熱分解而又接著氧化而生成的NOx。（3）快速型NOx（PromptNOx），它是燃燒時空氣中的氮和燃料中的炭氫離子團如CH等反應(yīng)生成的NOx。其中燃料型NOx是最主要的，它占總生成量的60%~80%以上，熱力型NOx的生成和燃燒溫度的關(guān)系很大，在溫度足夠高時，熱力型NOx的生成量可占到總量的20%；快速型NOx在煤燃燒過程中的生成量很小。另外，N2O和NOx燃料型一樣，也是從燃料的氮化合物轉(zhuǎn)化生成的，它的生成過程和燃料型NOx的生成和破壞密切相關(guān)。2

影響因素分析在循環(huán)流化床鍋爐中，一方面，氮在燃燒過程中被不斷氧化生成NOx，另一方面在還原性氣氛中NOx也會被不斷還原生成N2，因此，影響氧化、還原反應(yīng)的所有因素都將影響到NOx的濃度。2．1燃料特性的影響由于NOx主要來自于燃料中的氮，因此，從總體上看，燃料氮含量越高，則NOx的排放量也越高；同時，燃料中氮的存在形態(tài)不同，NOx的排放量也不一樣，以胺的形態(tài)存在于煤中的燃料氮在燃燒過程中主要生成NO，而以芳香環(huán)形式存在的燃料氮在揮發(fā)分燃燒過程中主要生成N2O。一般來說，褐煤、頁巖等劣質(zhì)燃料中燃料氮的主要存在形態(tài)是胺，故NOx

排放量較多，N2O很少；相反，煙煤、無煙煤中燃料氮的主要存在形態(tài)是芳香環(huán)，故NOx

排放量較少，而N2O很高。煤，尤其是其揮發(fā)分中的各種元素比也會影響到NOx的排放量。顯然，O/N比越大，NOx排放量較高。H/C比越高，則NO越難于被還原，故NOx排放量也越高。另外，S/N比會影響到各自的排放水平，因為S和N氧化時會相互競爭，故SO2排放量越高，NOx排放量越低。2．2過量空氣系數(shù)的影響當(dāng)風(fēng)不分級時，降低過量空氣系數(shù)，在一定程度上可限制反應(yīng)區(qū)內(nèi)的氧濃度，因而，對熱力型NOx和燃料型NOx的生成都有一定的控制作用，采用這種方法可使NOx排放量降低15%~20%，但是CO濃度會增加，燃燒效率會下降。當(dāng)風(fēng)分級時，可有效地降低NOx的排放量。一般情況下，二次風(fēng)從床上一定距離送入較好，如果過低則對NOx的排放量影響甚小。隨著一次風(fēng)量的減少、二次風(fēng)量的增加，N被氧化的速度下降，NOx排放量也隨之下降，并在某一風(fēng)量分配下達到最小值。2．3燃燒溫度的影響燃燒溫度對NOx的排放量的影響已取得共識，即隨著爐內(nèi)燃燒溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此，可以通過降低床溫來控制NOx的排放量。但是，床溫的降低會帶來兩個不利的后果，一個是CO爐內(nèi)濃度將增加，不完全燃燒熱損失增大，從而使得燃燒效率下降；另一個是不利于N2O分解，從而使得N2O的排放濃度增加。2．4脫硫劑的影響在循環(huán)流化床鍋爐中，加入的脫硫劑為石灰石，其直接目的是降低SO2的排放量，同時對NOx的排放量也會產(chǎn)生明顯的影響，使NO上升。脫硫劑的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，一個是富余CaO作為強催化劑會強化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加；另一個是富余的CaO和CaS作為催化劑會強化CO還原NO的反應(yīng)過程。一般情況下，CaO對燃料氮氧化物生成NO的貢獻大與其對還原性氣體還原NO的貢獻，從而使得NOx排放量增加。當(dāng)然，富余CaO和CaS的催化作用還與石灰石的品種、粒徑大小等因素有關(guān)，需作進一步的研究。2．5床內(nèi)含炭量對降低NOx排放量的影響

在鍋爐高負荷和高床料含碳量的情況下，由于下列反應(yīng)：NOx的排放量大為降低。3

控制NOx的措施目前，隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴格，降低各種污染氣體的排放量已顯得更為緊迫。針對影響NOx生成的因素，在循環(huán)流化床鍋爐中可采取以下措施控制NOx的排放量。3．1選擇合適的床溫降低床溫不僅可有效地降低NOx的排放水平，而且有利于脫硫，但不利的影響是會使N2O排放量上升，而且CO濃度增加，燃燒效率會下降。綜合考慮各方面的影響，循環(huán)流化床床溫以控制在850~900℃較為適宜。3．2選擇性還原在懸浮段或分離器區(qū)域注入液胺或者尿素等可有效地還原NOx氣體、降低其排放量。例如，對于NH3，其還原反應(yīng)為此項措施的限制條件是還原反應(yīng)溫度，一般地，注胺時反應(yīng)溫度約為810℃，尿素時為890℃，且當(dāng)?shù)匮鯘舛炔灰诉^高。3．3天然氣再燃技術(shù)在密相區(qū)域注入天然氣可使NOx失氧還原為Ｎ2，同時產(chǎn)生CO。為了提高燃燒效率，可在天然氣注入口上方再注入補燃空氣，這樣既可以控制NOx的排放水平，又可以保證較高的燃燒效率。3．4改變鍋爐的結(jié)構(gòu)形式在流化床燃燒中，顆粒停留時間長、混合充分、燃燒為低溫燃燒這種特定的環(huán)境中，催化劑燃燒有一定的發(fā)展前途。5．結(jié)束語目前，