燃煤 NOx 产生机理及控制

赵文帅 赵艳斌

华能沁北发电有限责任公司 459012

摘要：简要介绍了燃煤电厂NOx产生机理及相应控制措施。

关键词：NOx产生机理

1. NOx产生机理

NOx 主要指 NO 和 NO₂,其次是 N₂O₃ , N₂O , N₂O₄和 N₂O₅。发电厂锅炉的煤粉燃烧程中NOx的形成途径主要有两条:一是有机地结合在煤中的氮化物在高温火焰中发生热分解,并进一步氧化而生成 NOx ；二是供燃烧用的空气中的氮在高温状态与燃烧空气中的氧发生化合反应而生成 NOx 。在煤粉锅炉生成的 NOx 中,主要是NO, 约占95%,而 NO₂仅占5%左右, N₂O₃ , N₂O₃, N₂O₄和 N₂ O₅的量很少。 NOx 的生成量与锅炉的容量、结构 、燃烧设备，煤种、炉内温度水平和氧量、运行方式等有关。煤燃烧过程中所生成的 NOx 分为三种类型,即热力型 NOx 、燃料型 NOx 和快速型 NOx^[1]。按生成比例为，燃料型NOx是最主要的，占NOx总量60%~80%，热力型NOx次之，快速型NOx量最少^[2]。

1.1 热力型NOx

热力型NOx，也称温度型NOx，是指在高温环境中，燃烧用空气中的氮被氧化生成的NOx。热力型NOx的产生机理是由前苏联科学家Zeldovich提出的，按照这一机理，其产生过程可由链锁反应原理来说明，主要的反应方程式如下^[1]：

O₂+M→2O+M （2-1）

O+N₂→NO+N （2-2）

N+O₂→NO+O （2-3）

N+OH→NO+H （2-4）

其总反应式为：

N₂+O₂=2NO （2-5）

2NO+O₂=2NO₂ （2-6）

燃烧系统中共存着以上两个反应，主要是反应式2-5，所以，烟气中同时存在NO、NO₂，主要是NO，大约占总 NOx的95%，其余是NO₂^[13]。

Arrhenius定律适用于热力型NOx的产生速率，以下速率表达式用于计算其产生速率^[1]：

_（2-7）

式中 [NO]、[O₂]、[N₂]——相应组分NO、O₂、N₂的摩尔浓度，mol/cm³；

t——反应时间，s；

T——反应温度，K；

根据速率表达式可以看出,温度与热力型NOx产生速率为指数函数关系，温度为影响热力型NOx产生的主要因素。其实，当温度低于1350℃时，热力型NOx的产生量是很少的,可是随着温度升高，NOx的产生量急剧增加，当温度达到1600℃时，热力型NOx的产生量可以占到炉膛内NOx产生总量的25%-30%^[1]。

根据速率表达式可以看出，NOx产生速率与O₂浓度的平方根成正比，反应环境中的O₂浓度为影响热力型NOx产生的又一个主要因素。也就是说，热力型NOx的产生与过量空气系数也有非常大的关联,过量空气系数增加，会增加NOx的产生量。

所以，为减少热力型NOx的形成，需要控制燃烧过程中的过量空气系数和温度，同时减少燃料在高温区域的停留时间。

1.2 燃料型NOx

燃料型 NOx 占煤粉锅炉 NOx 生成总量的 60 % ~ 80 %。一般认为,燃料型 NOx 是燃料中的氮化合物在燃烧过程中发生热分解,并进一步氧化而生成的, 同时还存在NO的还原反应.燃料型 NOx 的生成和还原机理相当复杂,至今仍无法解析清楚。燃料型 NOx 的生成可用下式表示^[1] :

燃料中的氮化合物→HCN→NH₃+O₂,OH→NO, （2-8）

燃料中的氮化合物→HCN→NH₃+NH_i，NO→N₂ （2-9）

燃料型 NOx 的生成和还原不仅与煤种的特性、煤中氮化合物存在的状态 、煤中的氮热分解时在挥发分和焦碳中分配的比例和各自的成分有关，还与氧的浓度 、燃烧温度相关^[13]。上述反应式生成的NOx在燃烧过程中如遇到烃或碳时，NO将会被还原为N₂，这一过程被称为NO的再燃烧或燃料分级燃烧。按照这一反应原理，想要有效的减少NOx的产生，可以通过合理控制炉膛内每层煤粉的投放用量、燃烧时间和燃烧温度来控制燃料型NOx的产生。煤的挥发份和过量空气系数会对燃烧过程中煤中的氮转化为NOx的量有影响，如果过量空气系数高于1，则燃煤的挥发份愈高，NOx 的产生量愈多；如果过量空气系数低于1，因为高挥发份燃料快速燃烧，使燃烧区域O

₂减少，所以，高挥发份燃煤的NOx产生量反而比较低^[1]。

1.3 快速型NOx

快速型 NOx 的生成是通过燃料产生的CH原子团撞击N₂分子,生成 HCN 类化合物,再进一步氧化而生成的,这个反应很快,所以称为快速型 NOx。快速型 NOx 的生成可由以下式子表示 ：

CH+N₂→HCN+N, (2-10)

HCN+O(O2，OH)→NO+H₂[H]+CO. (2-11)

温度对快速型 NOx 的生成影响很小,与热力 型和燃料型 NOx 的生成量相

比,快速型 NOx 的生成量要少得多^[1]。

1.4 NOx生成量与火焰温度的关系

一般来说，热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx的生成量随火焰温度变化的规律，可以由图2-1定性描述^[1]。

图2-1 NOx生成量与火焰温度的关系

2. 结束语

NOx减排一直是环保管控的重点，而燃煤电厂一直是氮氧化物排大户。研究燃煤过程中NOx产生机理才能从理论上分析降低NOx排放的控制措施，指导燃煤电厂相关环保工作。

参考文献

1. 温志勇，宋景慧.锅炉燃烧调整对氮氧化物排放的影响[J].广东电力，2004(4):25-30

2. 王鹏刚，董婷婷等.燃煤电厂NOx生成机理及NOx的燃烧调整[J].中国科技博览，2015(17)：203-204

3. 迟洪滨.火电厂烟气脱硝工艺方案技术经济比较研究[D]：[硕士学位论文].北京：华北电力大学经济与管理学院，2013

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5. 何华庆，朱跃等.低NOx燃烧技术综述[J].锅炉制造，2000(4):34-38

6. 陈彦广,王志等.燃煤过程NOx抑制与脱除技术的现状与进展[J].过程工程学报，2007，7(3)：632-638