降低煤粉燃烧过程中NOX生成的研究
摘要：分析了煤粉燃烧生成NOX的3种机理，总结了降低NOX生成的措施，运用循环流化床(CFB)燃烧技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、催化燃烧技术、烟气再循环燃烧技术，在综合各项降低NOX生成措施的基础上，提出了降低NOX生成较为理想的燃烧方法：在燃料分级的基础上加入催化剂。
关键词：煤粉燃烧；降低NOX生成；机理
1 引言
近几年来，我国火电装机容量大幅度提高，燃煤量也随之上升。煤炭作为一种化石燃料，在燃烧过程中形成的氮氧化物，如不及时控制处理，会与碳氢化合物在晴天阳光紫外线的作用下，形成一种浅蓝色的光化学烟雾，数日不散。这既不利于人与自然的和谐发展，也与人类追求高质量的生活环境相违背。脱除燃烧生成的NOX，目前有2种方法，一种就是在燃烧过程中除去NOX，另一种即在排除烟气时脱去其中的NOX。从NOX的生成机理上，主要从燃烧过程中寻找相应的措施，并在总结前人经验的基础上，提出了比较理想的控制NOX燃烧技术。
2 NOX生成机理
煤作为一种化石能源，在数千年的形成过程中，它本身含有氮元素。当煤作为一种燃料燃烧时遇到空气中的氧气，这些氮元素在不同的温度下与氧生成不同的氮氧化物，这些氮氧化物以NO、NO2、N2O、N2O5的形式存在，其中NO和NO2统称为NOX，NOX也是煤燃烧过程中的主要生成物，而NO在NOX中占到90%以上，NO2占5%~10%。煤燃烧过程中，在生成NOX的过程中，同时也有NOX被还原成N2的化学反应生成，这些反应受温度以及燃料浓度的影响。NOX的生成主要有几个方面。
2.1 热力型NOX的生成
热力型NOX的生成是指助燃空气中的氮在1500℃以上的高温环境下遇到氧生成的氮氧化物，也称为温度型的NOX。反应如下：
N2+ONO+N，
N+O2NO+O，
N+OHNO+H.
高温环境下总的反应方程式为：
N2+O22NO,
NO+12O2NO2.
热力型NOX生成预测式：
=λ+1/2t
式中，，，分别为相应组分NO，N2，O2的浓度；λ为反应速度常数，与温度成指数函数关系，随着温度的上升而急剧增大；t为时间。从以上NOX生成关系中可以看出，NOX的生成量主要与温度有关，所以降低火焰温度以及燃料在高温区的停留时间来抑制热力型的NOX生成是很有效的。
2.2 快速反应型NOX的生成
快速型NOX是Fenimore在1971年发现的，指的是在燃料过浓的情况下,即过剩空气系大于1的情况下，燃烧时，产生的活性碳化氢(CHi)等撞击空气中的N2分子，然后再经过一系列的反应，最后氧化成NO。煤燃烧时，在煤的挥发物燃烧阶段，煤粒周围的扩散火焰中会有快速型NOX产生，在a<071时，几乎全是快速型的NOX。但也有人认为燃煤设备中NOX的生成量占总NOX生成量的5%以下，通常不予考虑。以上2种NOX生成方式都不是主要的，最重要的，也是占比重最大的就是燃料型的NOX。
2.3 燃料型NOX的生成
由燃料中的氮燃烧形成的NOX称为燃料型的NOX。在煤粉炉中，燃料型的NOX占总的NOX的70%~80%。这种由于煤本身的分子结构中存在的氮元素，这在煤分子结构的Wise模型中可以看出,见图1。
这种含在煤分子结构本身的氮元素，除了煤种的选择之外，无法事先除去氮。但是如果对燃料脱氮，将燃料转化为低氮燃料是比较困难的，成本会很高，鉴于公司追求利益的最大化的目的，该项技术的推广就比较困难。只能在煤燃烧的时候想办法把生成的NOX除去。国内外许多研究者提出了很多方法。本文结合电力系统运行的实际经验：NOX的生成量与燃烧环境中的氧气浓度，燃料在高温区的停留时间，火焰温度及温度分布不均匀等特性有关。
图1 煤分子的Wise模型
3 降低NOX生成的措施
3.1 循环流化床(CFB)燃烧技术
CFB燃烧技术具有分级燃烧特点，炉膛下部处于缺氧区域形成较强的还原性气氛抑制了NO的生成。而且由于循环流化床锅炉燃烧室内的热负荷比较低，这对热力型的NOX的形成来说是很不利的，因为热力型的NOX受温度的影响相当大，当温度低于1 500℃时,热力型的NOX生成量很小，当温度大于1 500℃时，空气中的氮气间的N≡N键将被破坏，此时热力型NOX的生成量与温度小于1 500℃时的生成量相比，生成量大大增加，且随着温度的升高，由热力型NOX生成预测式可知其生成量成指数增加。因此循环流化床锅炉烟气的排放中NOX的浓度都保持在很低的水平,一般在80~100mg/Nm3之间。
3.2 空气分级燃烧技术
该技术是将空气分成二或三级分别送入炉内，形成一、二次燃烧区。这是目前国内外用得最多的一种技术，在技术上也比较成熟。其方法有整体空气分级直流燃烧、空气分级旋流燃烧。其中整体空气分级直流燃烧又分为垂直方向的空气分级和水平方向的空气分级。垂直方向的空气分级的技术的优点为主燃烧区氧量不足，火焰温度比较低，有燃料氮生成的NHi等中间产物有一部分因缺氧不能转化为NOX，反而会使已生成的NOX还原，从而达到降低NOX生成的目的。其缺点包括如果一次燃烧区过量空气系数的控制不好，NOX的生成不但不会减少，反而会增加，而且还可能出现炉膛结焦、腐蚀及燃烧效率下降等；在一次燃烧区的停留时间越长，NOX的分解效果越好，但是这会影响到二次燃烧区内的完全燃烧成度和炉膛出口烟气温度；燃尽风要有足够高的流速，否则燃烧效率有可能降低，炉膛出口烟温及过热器管壁温升高；一次燃烧区的还原性气氛可能造成炉膛结渣和腐蚀。水平方向的空气分级技术如表1所示。
表1 水平方向空气分级技术
水平方向的空气分级技术方法水平方向的空气分级技术特点水平方向的空气分级技术原理
同轴同向双切圆燃烧技术二次风射流线向水冷壁方向偏转一定角度，形成一次风煤粉气流在内，二次风在外的同轴同向双切圆燃烧方式二次风射流向外偏转后，推迟了它与一次风的混合，减少了燃烧初期的供氧量，从而抑制了NOX的生成
同轴反向双切圆燃烧技术一次风煤粉气流与二次风射流向相反的方向偏置，仍形成二次风包围一次风的局面，但一、二次风切圆的旋转方向相反，减轻炉内的结渣与积灰提高了煤粉气流在炉内的穿透能力，加强煤粉与空气的混合，降低过量空气系数，从而达到降低NOX的目的
低NOX同轴燃烧技术一、二次风的切圆旋转方向相反，但是燃尽风的假想切圆直径介于一、二次风假象切圆直径之间，作为消旋风，其旋转方向相反
一次风，二次风相间布置，二次风轴线对一次风轴线偏转，形成大小不同，方向相反的2个切圆
综合了燃尽风和同轴同向双切圆燃烧技术的原理
综合了燃尽风和同轴反向双切圆燃烧技术的原理
TFS2000TM燃烧技术与低NOX同轴燃烧技术相比，增加了与主燃烧器分开的燃尽风喷口通过延长燃料在还原区的停留时间来增加分级燃烧的深度，从而达到降低NOX排放的目的
空气分级旋流燃烧是在传统的旋流燃烧的基础上，用空气分级的方法上推迟二次风混合和控制燃烧，在一次燃烧区进送入维持稳定着火和挥发份燃烧所需要的空气量，形成浓向核心火焰降低火焰温度峰值。由于推迟二次风的混入，就形成了还原区，使部分NOX还原。
3.3 燃料分级燃烧技术
燃料分级燃烧技术是在燃烧中已生成的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。故此将燃料通过不同的燃烧器喷口送入到不同的燃烧区域，设置不同燃烧区域的燃烧条件，形成主燃烧区、还原性燃烧区域，以及燃尽区，再通过不同区域燃烧的混合，使主燃烧区的NOX被还原，同时保证燃料的完全燃烧。目前，日本、美国、德国、荷兰等国家都在积极开发三级燃烧技术。在三级燃烧开发的过程中，在一定的燃料种类下，要考虑以下因素，二次燃料的比例及喷射速度，还原区的过量空气系数和长度和煤粉细度。
3.4 催化燃烧技术
1996年在美国召开的第11届国际催化会议上有报告指出，在发达国家中，催化技术对于国民生产总值的直接或间接贡献高达20%~30%。煤中包含有大量具有催化活性或潜在催化活性的物质，催化剂的加入对激发或抑制煤的某些化学反应活性有很大的帮助，因为燃煤中氮在热解时分解为HCN和NH3，通过助催化剂使煤中分解出的金属离子（Cu2+,Ca2+,Zn2+）的活性增加，使它们与NH3形成配合离子，在高温下配合离子迅速被氧化，生成N2，被还原的金属又被氧化，在高温下形成离子，这样，煤中的含氮化合物就会不断朝着NH3向N2的方向分解而大大减少NOX的生成。
3.5 烟气再循环燃烧技术
烟气再循环燃烧技术是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气，既可以直接送入燃烧室内，也可以与一次风或者二次风混合后送入燃烧室内，温度较低的烟气进入燃烧室内，燃烧温度降低。由热力型NOX生成量的预测式可知，NOX的生成量会因此降低。同时由于烟气的再循环，氧气浓度也被降低，容易形成还原区，使已生成的NOX发生还原反应，这样也减少了NOX的排放。装置见图2。
图2 烟气再循环装置
3.6 在燃料分级燃烧的基础上加入催化剂
综合燃料分级燃烧技术和催化剂的优点，把大量的燃料通过燃烧器送入第一燃烧区，作为一次燃料燃烧，在二次燃料送入再燃区时加入催化剂，此时催化剂能迅速和一些活性离子反应，是生成的NOX还原。这是燃料脱销的效果更明显。有助于减少NOX的生成，而且可以在原有燃料分级设备的基础上做一些改进，就可以大幅度减少NOX的生成。造价也不会很高，可行性比较高，这也是目前正在开发的一种技术。
4 结语
NOX的生成机理有3种类型,热力型、快速反应型、燃料型。控制NOX生成的措施有循环流化床(CFB)燃烧技术、空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、催化燃烧技术、烟气再循环燃烧技术、在燃料分级燃烧的基础上加入催化剂。降低NOX方法中比较有前途的是在燃料分级的基础上加入催化剂。
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Study on Lowering NOX Discharge during Pulverized Coal Combusting
Pu Jiang,Liu Qingxi
（Luyang Power Generation Branch of Henan Power Co. Ltd.,China Power
Investment Corporation,Henan Pingding Shan 467000,China）
Abstract:This paper analyzes three generating mechanisms of NOX and discusses the methods of lowering NOX discharge: circulating fluidized bed (CFB) technology,air staged combustion technology,fuel staged combustion technology,catalytic combustion technology,and gas recirculation combustion technology. Besides,the paper proposes anew combustion method of reducing NOX discharge,i.e. adding catalyst while using the fuel staged combustion technology.
Key words: pulverized coal combustion;reducing NOXdischarge;mechanism
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