在实践操作中如何更好地控制NOx氮氧化物，nox

北极星环保网讯:【摘要】本文从循环流化床锅炉中燃料燃烧过程的基本特性出发，阐述了氮氧化物的生成机理，据此分析了影响NOX排放浓度的因素，基于工作实践，针对当前锅炉工作的现状，提出了几种主要降低锅炉烟气氮氧化物的方法，希望给相关人员一些启迪和思考，改善锅炉烟气排放的空气质量，保证人类的健康。

【关键词】氮氧化物；控制；锅炉烟气再循环；过剩空气系数

循环流化床锅炉是最近二十年里发展起来的一种新型燃烧技术，它的主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它不但能达到90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。本文对循环流化床锅炉中的NOX生成机制进行深入研究，分析影响NOX浓度的因素，通过实践探讨运行控制NOX排放量的方法，为循环流化床锅炉的运行提供参考。

一、NOX的生成机制

煤燃烧过程中产生的氮氧化物[1-3]主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），这两者统称为NOX，此外还有少量的氧化二氮（NO2）产生。和SO2的生成机理不同，在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。

在煤燃烧过程中，生成的NNOX途径有三个：

（1）热力型NOX（ThermalNOX），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的。NOX中绝大部分是NO，因此可采用Zeldovich提出的NO生成机理来描述[4]，其主要反应式为：

当燃烧时间较短时，[NO]的0阶近似关系式为

式中，t为平均燃烧时间，T为绝热燃烧温度，A0、a0为常数，由实验确定。

循环流化床锅炉内燃料燃烧时间较长且变动较大，此时，0阶近似不再成立，而应采用1阶近似来处理，其关系式为

式中，n>0，A0*、a0*为常数，由实验确定。

由式（1）、（2）和大量的实验数据可知[1]，热力型NOX的生成速率与燃烧温度密切相关，燃烧温度越低，热力型NOX的浓度越低。在循环流化床锅炉中，床温较低，一般在900oC~950oC，因此，热力型NOx的生成量很少，一般只占循环流化床锅炉总NOX的5%左右。

（2）燃料型NOX（FuelNOX），它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的NOX。燃料型NOX的转化机制及转化率的高低主要取决于炉内温度，当燃烧温度较低时，绝大部分氮残留在焦炭中，而当温度较高时，氮则主要以挥发分的形式析出。研究表明，当燃烧温度为850oC时，燃料型NOX的70%以上来自于焦炭燃烧，而在1150oC时，则仅为50%。在循环流化床锅炉中，燃料型NOX的生成速度在低温时主要受温度控制，而在高温时则主要受分子质扩散过程控制，因此，当温度超过900oC以后，燃料氮的转化率仅有少许增加。

（3）快速型NOX（PromptNOX），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的炭氢离子团如CH等反应生成的NOX。其中燃料型NOX是最主要的，它占总生成量的60%~80%以上，热力型NOX的生成和燃烧温度的关系很大，在温度足够高时，热力型NOX的生成量可占到总量的20%；快速型NOX在煤燃烧过程中的生成量很小。另外，N2O和NOX燃料型一样，也是从燃料的氮化合物转化生成的，它的生成过程和燃料型NOX的生成和破坏密切相关。

二、影响因素分析

在循环流化床锅炉中，一方面，氮在燃烧过程中被不断氧化生成NOX，另一方面在还原性气氛中NOX也会被不断还原生成N2，因此，影响氧化、还原反应的所有因素都将影响到NOX的浓度[5-6]。

（1）燃料特性的影响

由于NOX主要来自于燃料中的氮，因此，从总体上看，燃料氮含量越高，则NOX的排放量也越高；

北极星环保网讯:【摘要】本文从循环流化床锅炉中燃料燃烧过程的基本特性出发，阐述了氮氧化物的生成机理，据此分析了影响NOX排放浓度的因素，基于工作实践，针对当前锅炉工作的现状，提出了几种主要降低锅炉烟气氮氧化物的方法，希望给相关人员一些启迪和思考，改善锅炉烟气排放的空气质量，保证人类的健康。

【关键词】氮氧化物；控制；锅炉烟气再循环；过剩空气系数

循环流化床锅炉是最近二十年里发展起来的一种新型燃烧技术，它的主要特点在于燃料及脱硫剂经多次循环、反复地进行低温燃烧和脱硫反应，炉内湍流运动强烈。它不但能达到90%的脱硫效率和与煤粉炉相近的燃烧效率，而且具有燃料适应性广、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点。本文对循环流化床锅炉中的NOX生成机制进行深入研究，分析影响NOX浓度的因素，通过实践探讨运行控制NOX排放量的方法，为循环流化床锅炉的运行提供参考。

一、NOX的生成机制

煤燃烧过程中产生的氮氧化物[1-3]主要是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2），这两者统称为NOX，此外还有少量的氧化二氮（NO2）产生。和SO2的生成机理不同，在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式、特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。

在煤燃烧过程中，生成的NNOX途径有三个：

（1）热力型NOX（ThermalNOX），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的。NOX中绝大部分是NO，因此可采用Zeldovich提出的NO生成机理来描述[4]，其主要反应式为：

当燃烧时间较短时，[NO]的0阶近似关系式为

式中，t为平均燃烧时间，T为绝热燃烧温度，A0、a0为常数，由实验确定。

循环流化床锅炉内燃料燃烧时间较长且变动较大，此时，0阶近似不再成立，而应采用1阶近似来处理，其关系式为

式中，n>0，A0*、a0*为常数，由实验确定。

由式（1）、（2）和大量的实验数据可知[1]，热力型NOX的生成速率与燃烧温度密切相关，燃烧温度越低，热力型NOX的浓度越低。在循环流化床锅炉中，床温较低，一般在900oC~950oC，因此，热力型NOx的生成量很少，一般只占循环流化床锅炉总NOX的5%左右。

（2）燃料型NOX（FuelNOX），它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的NOX。燃料型NOX的转化机制及转化率的高低主要取决于炉内温度，当燃烧温度较低时，绝大部分氮残留在焦炭中，而当温度较高时，氮则主要以挥发分的形式析出。研究表明，当燃烧温度为850oC时，燃料型NOX的70%以上来自于焦炭燃烧，而在1150oC时，则仅为50%。在循环流化床锅炉中，燃料型NOX的生成速度在低温时主要受温度控制，而在高温时则主要受分子质扩散过程控制，因此，当温度超过900oC以后，燃料氮的转化率仅有少许增加。

（3）快速型NOX（PromptNOX），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的炭氢离子团如CH等反应生成的NOX。其中燃料型NOX是最主要的，它占总生成量的60%~80%以上，热力型NOX的生成和燃烧温度的关系很大，在温度足够高时，热力型NOX的生成量可占到总量的20%；快速型NOX在煤燃烧过程中的生成量很小。另外，N2O和NOX燃料型一样，也是从燃料的氮化合物转化生成的，它的生成过程和燃料型NOX的生成和破坏密切相关。

二、影响因素分析

在循环流化床锅炉中，一方面，氮在燃烧过程中被不断氧化生成NOX，另一方面在还原性气氛中NOX也会被不断还原生成N2，因此，影响氧化、还原反应的所有因素都将影响到NOX的浓度[5-6]。

（1）燃料特性的影响

由于NOX主要来自于燃料中的氮，因此，从总体上看，燃料氮含量越高，则NOX的排放量也越高；

（2）过量空气系数的影响

当风不分级时，降低过量空气系数，在一定程度上可限制反应区内的氧浓度，因而，对热力型NOX和燃料型NOX的生成都有一定的控制作用，采用这种方法可使NOX排放量降低15%~20%，但是CO浓度会增加，燃烧效率会下降。

研究表明，当采用分级送风时，将约1/3左右的燃烧空气作为二次风送入密相区上方一定距离处，NOX排放量可望达到最低水平。当然，不同的锅炉结构有可能会使最佳的一、二次风配比在此范围内有所变化。

（3）燃烧温度的影响

燃烧温度对NOX的排放量的影响已取得共识，即随着炉内燃烧温度的提高，NOX的排放量将升高，因此，可以通过降低床温来控制NOX的排放量。但是，床温的降低会带来两个不利的后果，一个是CO炉内浓度将增加，不完全燃烧热损失增大，从而使得燃烧效率下降；另一个是不利于N2O分解，从而使得N2O的排放浓度增加。

（4）脱硫剂的影响

在循环流化床锅炉中，加入的脱硫剂为石灰石，其直接目的是降低SO2的排放量，同时对NOX的排放量也会产生明显的影响，使NO上升。脱硫剂的影响主要体现在两个方面，一个是富余CaO作为强催化剂会强化燃料氮的氧化速度，使NO的生成速度增加；

另一个是富余的CaO和CaS作为催化剂会强化CO还原NO的反应过程。一般情况下，CaO对燃料氮氧化物生成NO的贡献大与其对还原性气体还原NO的贡献，从而使得NOX排放量增加。当然，富余CaO和CaS的催化作用还与石灰石的品种、粒径大小等因素有关，需作进一步的研究。

三、控制NOX的措施

目前，随着环保排放标准的日趋严格，降低各种污染气体的排放量已显得更为紧迫。针对影响NOX生成的因素，在天保热电空港热电厂循环流化床锅炉运行中采取以下措施控制NOX的排放量。

（1）选择合适的床温

降低床温不仅可有效地降低NOX的排放水平，而且有利于脱硫，但不利的影响是会使N2O排放量上升，而且CO浓度增加，燃烧效率会下降。综合考虑各方面的影响，循环流化床床温以控制在900~950℃较为适宜。

（2）烟气再循环

烟气再循环这项技术现在已被广泛采用，它通过提取一部分引风机后的烟气，使其在炉内被第二次利用，利用惰性气体能够带走一部分热量并降低炉内氧浓度，从而达到控制火焰温度，使燃烧不至于太快，这样NOX的产生也会变少【7-8】。

现在烟气再循环的效率很高，回收五分之一左右的烟气，NOX的排放量可以减少四分之一左右。但是在日常操作中，回收烟气量超过四分之一时会造成排放烟气量减少，实际烟气中NOX排放量并不超标，但在环保检测中由于折标烟气量减少造成单位浓度上升，NOX检测值上升。

（3）选择性催化还原法

现在使用还原剂是20%浓度氨水在改造的SCR系统中对NOX（主要是一氧化氮）发生还原反应，而不与其他气体发生反应的的还原剂来生成氮气。日常控制时着重保证雾化风量、氨水蒸发器温度、氨逃逸在要求范围内，通过控制氨水泵频率来调整NOX排放数值达标。

（4）燃料分级燃烧

流化床分级燃烧的许多技术可借鉴煤分炉分级燃烧中许多成熟的技术，寻找在流化床燃烧特殊环境下的特征，是降低NOX排放和提高燃烧效率的有效手段。燃料分级燃烧的原理来自于氮氧化物的化学特征，NOX与烃基加上一氧化碳、氢气、碳等在一定条件下，发生反应变回氮气。

根据空港厂差速流化床结构特点，主床做为一级燃烧区导入大部分的燃料，在充分燃烧的情况下产生NOX，由于这种炉型烟气流速低炉膛截面积大，有大量内循环物料将剩下少量的燃料导入前后副床即二级燃烧区，在不充分燃烧的情况下生成上述还原能力很强的气体，然后再将这两股气体混合使其反应产生氮气。

这种方法的优点是效率非常高，一次反应可以使排放量降低一半左右，并且通过反应还可以起反馈作用，抑制氮氧化物的再生。当然这种二级燃烧是建立在烟气再循环改造基础上，未改造前由于设计风机出力影响及锅炉主要换热面在前后副床造成过剩空气系数偏高达1.4左右。

通过控制进入一次风（主床流化风）的烟气量，降低密相床中O2的浓度来降低氮氧化合物的排放，但O2降低量太多会降低脱硫和燃烧效率。由于二次风是前后副床流化风（前后副床运行状态基于鼓泡床运行形式相同）为保证足够风量又要控制进入氧量不宜过多降低运行温度和过量氧率通过烟气再循环控制二次风中氧量更行之有效。

通过上边形式的燃料分级燃烧现获得较好的的清除效果，但这是建立在更难操作的前提下，烟气再循环充分利用到燃烧过程中，对于空港厂燃料分级燃烧起到是至关重要的作用。

四、结束语

目前，由于地区环境上及国家环保要求对锅炉排放NOx和N2O的问题越来越重视，都在积极开展相关研究。我国电力行业也要跟上当前世界的研究步伐，在发展和应用流化床锅炉技术的同时，开展对NOx和N2O排放的基础研究，探索其生成规律研究相应的控制措施，达到减少污染、保护环境和造福人类的目的。