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中建中环工程有限公司 210008
摘要：随着对环保要求的不断加强，对NOx的排放越来越严格。NOx是重要的酸性污染气体，煤炭和石油的燃烧是人为产生NOx排放的最主要来源。本文分析了煤炭在燃烧中生成NOx的机理和规律，以及各自的特点，介绍了控制和减少NOx生成的基本技术。
关键词：氮氧化物；机理；控制；分级
一、氮氧化物生成机理
煤燃烧产生的NOx即氮氧化物，NO占有90%以上，NO2占5% - 10%，NOx生成机理一般分为如下三种。
1热力型NOx生成机理
反应式：
N2 + O2 → 2NO （1-1）
NO + 1/2O2 →NO2 （1-2）
热力NOx的生成量和燃烧温度关系很大，在温度足够高时，热力NOx的生成量可占到NOx总量的30%，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T<1300℃时，NOx的生成量不大，而当T>1300℃时，T每增加100℃，反应速率增大6～7倍。T<1300℃时，NOx的生成量不大，而当T>1300℃时，T每增加100℃，反应速率增大6～7倍。
2 快速型NOx生成机理
快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms。快速NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
3 燃料型NOx生成机理
由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800℃时就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx产物中60～80%。在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成，其中挥发份NOx占燃料型NOx大部分。影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加NOx转换量就越大；火焰温度越高NOx转换量就越大；挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。
二、氮氧化物生成的影响因素
根据第一章中的NOx生成机理可知，煤燃烧过程中影响NOx生成的主要因素有：
1.煤种特性，如煤的含氮量、挥发分含量、燃料中固定碳/挥发分之比以及挥发分中含H量/含N量之比等；
2.燃烧区域的温度峰值；
3.反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根等的含量；
4.可燃物在反应区中的停留时间。
由此，对应的低NOx燃烧技术的主要途径如下：
1.减少燃料周围的氧浓度。包括：减少炉内过剩空气系数，以减少炉内空气总量；减少一次风量和减少挥发分燃烬前燃料与二次风的掺混，以减少着火区段的氧浓度。
2.氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的N不易生成NOx，
且使生成的NOx经过均相或多相反应而被还原分解。
3.过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成，如采用降低热风温度和烟气再循环等。
4.入还原剂，使还原剂生成CO、NH3和HCN，它们可将NOx还原分解。
具体方法有：分级燃烧、燃料再燃、浓淡偏差燃烧、低过剩空气燃烧和烟气再循环等。
三、空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术介绍
1 空气分级燃烧
空气分级燃烧的基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NH3等）相互作用或与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成：
NH+NH → N2+H2 （2-1）
NH+N0 → N2+0H （2-2）
在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入，成为富氧燃烧区。此时空气量虽多，一些中间产物被氧化生成NO：
CN+02 → C0+N0 （2-3）
但因火焰温度低，生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的，最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30%～40﹪。当采用空气分级燃烧后，火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低，故热力型NOx降低。
2 燃料分级燃烧
燃料分级燃烧，又称为燃料再燃技术。其原理如下：由于已生成的N0在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物C0、H2、C和CnHm时，会发生NO还原反应，这些反应的总反应方程式为：
4N0+CH4→2N2+C02+2H20 （2-4）
2NO+2CnHm+（2n-1+m/2）02→N2+2nC02+mH20 （2-5）
2NO +2C0→N2+2C02 （2-6）
2N0+2C→N2+2CO （2-7）
2N0+2H→N2+2H20 （2-8）
再燃燃烧技术就是利用这个NO破坏原理来降低排放的。具体来说就是：燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰的上方喷入另外的碳氢燃料，以建立一个富燃料区使生成的NOx转化为HCN，并最终得到无害的N2。比较典型的就是，将80%～85%的燃料（称为一次燃料）送人第一级燃烧区（主燃烧区），在a>1的条件下燃烧生成NOx；其余15%～20%的燃料（称为二次燃料、再燃燃料）则在主燃烧器的上部送人二级燃烧区（再燃区），在a<1的条件下形成很强的还原性气氛，在主燃烧区生成的NO。就会通过以上反应被还原成氮分子（N2）。再燃区中不仅能使已生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。此外，再燃区的上面还需布置啦“火上风” 喷口以形成第三级燃烧区（即燃烬区），以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃烬。所以这种再燃法又叫三级燃烧技术。
四、结束语
通过对NOx生成机理和影响因素的分析，提出了控制低NOx的主要途径，并着重介绍了空气分级燃烧和燃料分级燃烧这两种低NOx燃烧技术，现在大多数的火力发电机组都安装了脱硝技术，希望本文对生产实践有所参考。
参考文献：
[1]任建兴，瞿晓敏，傅坚刚等.火电厂氮氧化物的生成与控制[J].上海电力学院学报.2002，18.
[2]吴碧君.燃烧过程NOx的生成机理[J].电力环境保护.2003，19.
[3]张强，李彦鹏，徐益谦.再燃还原NOx机理及其技术发展[J].工业锅炉.2001.
[4]张成恩.分级燃烧技术的应用[J ].锅炉技术.1998（6）.
[5]郑乔巧生摘译.巴威公司的低成本NOx控制技术.锅炉技术.1995.
摘要：随着对环保要求的不断加强，对NOx的排放越来越严格。NOx是重要的酸性污染气体，煤炭和石油的燃烧是人为产生NOx排放的最主要来源。本文分析了煤炭在燃烧中生成NOx的机理和规律，以及各自的特点，介绍了控制和减少NOx生成的基本技术。
关键词：氮氧化物；机理；控制；分级
一、氮氧化物生成机理
煤燃烧产生的NOx即氮氧化物，NO占有90%以上，NO2占5% - 10%，NOx生成机理一般分为如下三种。
1热力型NOx生成机理
反应式：
N2 + O2 → 2NO （1-1）
NO + 1/2O2 →NO2 （1-2）
热力NOx的生成量和燃烧温度关系很大，在温度足够高时，热力NOx的生成量可占到NOx总量的30%，随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T<1300℃时，NOx的生成量不大，而当T>1300℃时，T每增加100℃，反应速率增大6～7倍。T<1300℃时，NOx的生成量不大，而当T>1300℃时，T每增加100℃，反应速率增大6～7倍。
2 快速型NOx生成机理
快速型NOx是在碳氢化合物燃料在燃料过浓时燃烧，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成，其形成时间只需要60ms。快速NOx在燃烧过程中的生成量很小。影响快速NOx生成的主要因素有空气过量条件和燃烧温度。
3 燃料型NOx生成机理
由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600～800℃时就会生成燃料型NOx，它在煤粉燃烧NOx产物中60～80%。在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型NOx的形成也由气相氮的氧化（挥发分）和焦炭中剩余氮的氧化（焦炭）两部分组成，其中挥发份NOx占燃料型NOx大部分。影响燃料型NOx生成的因素有燃料的含氮量、燃料的挥发分含量、燃烧过程温度、着火阶段氧浓度等。燃料的挥发分增加NOx转换量就越大；火焰温度越高NOx转换量就越大；挥发分NOx转化率随氧浓度的平方增加。
二、氮氧化物生成的影响因素
根据第一章中的NOx生成机理可知，煤燃烧过程中影响NOx生成的主要因素有：
1.煤种特性，如煤的含氮量、挥发分含量、燃料中固定碳/挥发分之比以及挥发分中含H量/含N量之比等；
2.燃烧区域的温度峰值；
3.反应区中氧、氮、一氧化氮和烃根等的含量；
4.可燃物在反应区中的停留时间。
由此，对应的低NOx燃烧技术的主要途径如下：
1.减少燃料周围的氧浓度。包括：减少炉内过剩空气系数，以减少炉内空气总量；减少一次风量和减少挥发分燃烬前燃料与二次风的掺混，以减少着火区段的氧浓度。
2.氧浓度较少的条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的N不易生成NOx，
且使生成的NOx经过均相或多相反应而被还原分解。
3.过剩空气的条件下，降低温度峰值，以减少热力型NOx的生成，如采用降低热风温度和烟气再循环等。
4.入还原剂，使还原剂生成CO、NH3和HCN，它们可将NOx还原分解。
具体方法有：分级燃烧、燃料再燃、浓淡偏差燃烧、低过剩空气燃烧和烟气再循环等。
三、空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术介绍
1 空气分级燃烧
空气分级燃烧的基本原理为：将燃烧所需的空气量分成两级送入，使第一级燃烧区内过量空气系数在0.8左右，燃料先在缺氧的富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，因而抑制了热力型NOx的生成。同时，燃烧生成的CO与NO进行还原反应，以及燃料N分解成中间产物（如NH、CN、HCN和NH3等）相互作用或与NO还原分解，抑制了燃料型NOx的生成：
NH+NH → N2+H2 （2-1）
NH+N0 → N2+0H （2-2）
在二级燃烧区内，将燃烧用的空气的剩余部分以二次空气输入，成为富氧燃烧区。此时空气量虽多，一些中间产物被氧化生成NO：
CN+02 → C0+N0 （2-3）
但因火焰温度低，生成量不大，因而总的NOx生成量是降低的，最终空气分级燃烧可使NOx生成量降低30%～40﹪。当采用空气分级燃烧后，火焰温度峰值明显比不采用空气分级燃烧时降低，故热力型NOx降低。
2 燃料分级燃烧
燃料分级燃烧，又称为燃料再燃技术。其原理如下：由于已生成的N0在遇到烃根CHi和未完全燃烧产物C0、H2、C和CnHm时，会发生NO还原反应，这些反应的总反应方程式为：
4N0+CH4→2N2+C02+2H20 （2-4）
2NO+2CnHm+（2n-1+m/2）02→N2+2nC02+mH20 （2-5）
2NO +2C0→N2+2C02 （2-6）
2N0+2C→N2+2CO （2-7）
2N0+2H→N2+2H20 （2-8）
再燃燃烧技术就是利用这个NO破坏原理来降低排放的。具体来说就是：燃料分级送入炉膛，在燃烧区火焰的上方喷入另外的碳氢燃料，以建立一个富燃料区使生成的NOx转化为HCN，并最终得到无害的N2。比较典型的就是，将80%～85%的燃料（称为一次燃料）送人第一级燃烧区（主燃烧区），在a>1的条件下燃烧生成NOx；其余15%～20%的燃料（称为二次燃料、再燃燃料）则在主燃烧器的上部送人二级燃烧区（再燃区），在a<1的条件下形成很强的还原性气氛，在主燃烧区生成的NO。就会通过以上反应被还原成氮分子（N2）。再燃区中不仅能使已生成的NOx得到还原，同时还抑制了新的NOx生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。此外，再燃区的上面还需布置啦“火上风” 喷口以形成第三级燃烧区（即燃烬区），以保证在再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃烬。所以这种再燃法又叫三级燃烧技术。
四、结束语
通过对NOx生成机理和影响因素的分析，提出了控制低NOx的主要途径，并着重介绍了空气分级燃烧和燃料分级燃烧这两种低NOx燃烧技术，现在大多数的火力发电机组都安装了脱硝技术，希望本文对生产实践有所参考。
参考文献：
[1]任建兴，瞿晓敏，傅坚刚等.火电厂氮氧化物的生成与控制[J].上海电力学院学报.2002，18.
[2]吴碧君.燃烧过程NOx的生成机理[J].电力环境保护.2003，19.
[3]张强，李彦鹏，徐益谦.再燃还原NOx机理及其技术发展[J].工业锅炉.2001.
[4]张成恩.分级燃烧技术的应用[J ].锅炉技术.1998（6）.
[5]郑乔巧生摘译.巴威公司的低成本NOx控制技术.锅炉技术.1995.