NOx的生成機(jī)理

1、隨著我國(guó)實(shí)行可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展已成為可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要 容，因此環(huán)境保護(hù)已成為當(dāng)前和今后一項(xiàng)任重而道遠(yuǎn)的工作。在燃煤電廠排放的大氣污染物 中，氮氧化物(NOx)因?yàn)閷?duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康的危害極大，且難以處理，所以成為重點(diǎn) 控制排放的污染物之一。由于環(huán)保滯后，特別是治理資金的匱乏，我國(guó)對(duì)NOx的治理還很 有限，因此通過燃燒調(diào)整來減少燃煤電廠污染物的排放，特別是NOx的排放，具有積極的 意義。INOx的生成機(jī)理NOx主要指NO和NO?,其次是N2O3, NO N2O4和N2O5。在發(fā)電廠鍋爐的煤粉燃燒 過程中，NOx的形成途徑主要有兩條：一是有機(jī)地結(jié)合在煤中的氮化物在高溫

2、火焰中發(fā)生 熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成NOx；二是供燃燒用的空氣中的氮在高溫狀態(tài)與燃燒空氣中 的氧發(fā)生化合反應(yīng)而生成NOx。在煤粉鍋爐生成的NOx中，主要是NO,約占95%,而N02 僅占5%左右，N2O3, N2O, N2O4和N2O5的量很少。NOx的生成量與鍋爐的容量、結(jié)構(gòu)、 燃燒設(shè)備、煤種、爐溫度水平和氧量、運(yùn)行方式等有關(guān)。煤燃燒過程中所生成的NOx有三種類型，即熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。 1.1熱力型NOx的生成熱力型NOx是燃燒空氣中的氮在高溫下氧化而成的。其生成機(jī)理是由前聯(lián)科學(xué)家捷里 道維其(Zeldovich)提出的，按這一機(jī)理，熱力型NOx的生成主要由以下鏈鎖

3、反應(yīng)來描述:o+N »No + N.N 4 C). >NQ O熱力型N。.的生成速率滿足Arrhenius定律.可采川以下衣達(dá)式衣不：dlr (NO)：= 6X11 -小小 丁葭”這""'%式中：t反應(yīng)時(shí)間；T反應(yīng)溫度：c(NO)NO的濃度；c(02)O2的濃度；c(N2)N?的濃度。由上式可以看出，影響熱力型NOx生成量的主要因素有燃燒反應(yīng)的溫度、氧氣濃度和 反應(yīng)時(shí)間，而且溫度對(duì)熱力型NOx的生成影響最大。實(shí)際上在1350。以下，熱力型NOx 生成量很少，但隨著溫度的上升，熱力型NOx生成量迅速增加，溫度達(dá)1600 °C以上時(shí)， 熱力型N

4、Ox占NOx生成總量的25%30%。1.2燃料型NOx的生成燃料型NOx占煤粉鍋爐NOx生成總量的70%80%。一般認(rèn)為，燃料型NOx是燃料 中的氮化合物在燃燒過程中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化而生成的，同時(shí)還存在NO的還原反 應(yīng)。燃料型NOx的生成和還原機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，至今仍無法解析清楚。燃料型NOx的生成可 用下式表示：燃料中的氯化合物-»-HCNNON，燃料型NOx的生成和還原不僅與煤種的特性、煤中氮化合物存在的狀態(tài)、煤中的氮熱 分解時(shí)在揮發(fā)分和焦碳中分配的比例和各自的成分有關(guān)，還與氧的濃度、燃燒溫度相關(guān)。 1.3快速型NOx的生成快速型NOx的生成是通過燃料產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N?

5、分子，生成HCN類化合物， 再進(jìn)一步氧化而生成的，這個(gè)反應(yīng)很快，所以稱為快速型NOx?？焖傩蚇Ox的生成可由以 下式子表示：CH+N3-HICN+N.HCN+OC。" OH>-溫度對(duì)快速型NOx的生成影響很小，與熱力型和燃料型NOx的生成量相比，快速型 NOx的生成量要少得多。1.4NOX生成量與火焰溫度的關(guān)系一般來說，熱力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx的生成量隨火焰溫度變化的規(guī)律, 可以由圖1定性描述?；痧W總堆,C-;LGUE 二 5,5圖1 NO,生成量與火焰溫度的美系2鍋爐燃燒調(diào)整對(duì)NOx排放量的影響試驗(yàn)2.1 鍋爐的概況為分析鍋爐燃燒調(diào)整對(duì)NOx排放的影響，以某臺(tái)

6、680 t/ii鍋爐為對(duì)象，進(jìn)行了試驗(yàn)研窕。 該鍋爐為鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的超高壓、一次中間再熱、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、煤粉固態(tài)排渣汽 包爐，型號(hào)為DG680/13.7-20,燃用煤種為煙煤，設(shè)計(jì)燃煤成分和試驗(yàn)時(shí)的燃煤成分如表1 所示。鍋爐配用中速磨冷一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共有5臺(tái)電力設(shè)備總廠制造的 ZGM80G型中速掘式磨煤機(jī)，其中4臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。煤粉燃燒器布置在爐膛四角，切圓 燃燒，四角燃燒器中心線與爐膛中心形成兩個(gè)相切的假想切圓,假想切圓直徑分別為736 mm 和391 mm。采用水平濃淡分離燃燒器，燃燒器噴口布置見圖2,燃燒器的這種結(jié)構(gòu)和布置 應(yīng)用了低NOx燃燒技術(shù)，可以保證NOx的排放

7、量比較低。2.2 試驗(yàn)方法按GB 101841988電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行鍋爐燃燒調(diào)整試驗(yàn)。燃燒調(diào)整每個(gè) 工況鍋爐負(fù)荷基本上保持在滿負(fù)荷。采用網(wǎng)格法在空氣預(yù)熱器的進(jìn)、出口分別進(jìn)行煙氣取樣, 經(jīng)混合器混合后送到煙氣分析小車進(jìn)行分析?？諝忸A(yù)熱器進(jìn)口溫度和排煙溫度用網(wǎng)格法進(jìn)行 測(cè)量，采用網(wǎng)格法等速取樣空氣預(yù)熱器出口的飛灰，爐渣在撈渣機(jī)出口取樣。鍋爐的效率用 反平衡法進(jìn)行計(jì)算。NOx的濃度換算為(p (02)=6%條件下的濃度。3試驗(yàn)分析31風(fēng)箱與爐膛壓差對(duì)NOx排放量的影響JJ m-：m - nJ- r; I- m 一 - - TI II I O I I O I II保持鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、氧量

8、、磨煤機(jī)組合方式均不變，通過改變二次風(fēng)箱與爐膛壓力的差壓Ap來進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。« I設(shè)計(jì)逆爆成分和試鑿時(shí)燭填成分分析對(duì)比Mt ni"l也種校情燒腫試費(fèi)也沖ub%M 2152.M 01M H J%工雪L M3.315, o7N. 7013 .由imQ.WV 75%0. M»II. Kif). M»r< 4 fIKI7. ”723. 7i)ir(Mi) %K IN)9. SOU. -Ml%1 62IMiniivCVau )*21 <KlW M>M 4f*。）卻,31 SW2ii Ml可磨性質(zhì)皎K.KU7M一我風(fēng)itW一次風(fēng)一猶區(qū)一

9、次根;一次風(fēng)圖2燃燒答黑口布示意圖從表2可以看出，Ap約1.0 kPa時(shí)，鍋爐的NOx排放量相對(duì)于其它情況都要低。這是因?yàn)?Ap比較高時(shí)，二次風(fēng)的風(fēng)速比較高，動(dòng)量也大，一次風(fēng)從噴口出來后不久即被二次風(fēng)所卷 吸，射流軌跡變彎，形成一轉(zhuǎn)彎的扇形而，對(duì)卷吸周圍的高溫?zé)煔飧佑欣捎跍囟雀? 熱力型NOx的生成量比較大，從而使總的NOx的排放量大；Ap比較低時(shí)，二次風(fēng)速比較 低，剛性也比較弱，二次風(fēng)很快就與一次風(fēng)混合，在煤燃燒初始階段，大部分的揮發(fā)分氮（氣 相氮化合物）隨煤中其它揮發(fā)物一起釋放出來，形成中間產(chǎn)物，如NHi, CH和HCN,在氧 氣存在條件下，這些中間產(chǎn)物會(huì)進(jìn)一步氧化成NOx,使燃料型

10、NOx的生成量增大，從而使 總的NOx排放量增大。3.2 氧量對(duì)NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、配風(fēng)方式、風(fēng)箱與爐膛壓差、磨煤機(jī)組合方式均不變，通過調(diào)節(jié)送風(fēng) 量來改變鍋爐的氧量，從而進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。我2 n6變化時(shí)的試驗(yàn)HI果硬n3P - H M kPelDf、尸-H Xhi Uap-l 1-kPrffl-j1 島時(shí)SJiI M“4 lb5X5 U一黑叩中初KW %t.WJ. 17i.iw.加/11燃四土*'%J<> 7422. 5026. Mi37, Whie搐物失，八%S «H4. 835.IIK4JW機(jī)情系比個(gè)您CMYW太/. %2 w.

11、2 252. W2. Ml92 !-/VI,"-I.66S3修爐中H變北時(shí)的試聯(lián)絡(luò)果4 H平Q73，時(shí)30一wo -；用'時(shí).0。7 叫/。NQ.ffftfcr«nig m475 624195 加lUi m4,，四$70 65t痰叫力將岔總%工”5;2.加1,的B沿叫E與含I4 %II *117119 <1111 M14 40情熱揖相大s %4J>2135. M5.5s5. 45虬微小完全燃繞儲(chǔ)期為k "2 ”I &2 "1 76帙爐也事，知Mn.M,>2. H叼汽“南表4鍋爐采用不同配風(fēng)方式時(shí)的試驗(yàn)結(jié)票哽日坳為配 風(fēng)方

12、式正三角配制三角加除腰府M方式風(fēng)方式鳳方式NO.HI Wfi (mg m ')542.6J7.21“昌八2加心飛灰可憚物含量飛1. WX 11If2.23爐清可要物含雖%12 2* 2K一惘谿損失"44.745 <Ki5 UI£06機(jī)械不完全燃燒 熱因欠以 %1.M1.422.(17炳爐效率"1'：,>2.«U92. 8192 0292. U從表3數(shù)據(jù)可以看出，隨著氧的體積分?jǐn)?shù)(p(02)的增力口,鍋爐的NOx排放量也在增加,在p(O2) 增加到一定程度以后，NOx排放量的增加漸趨平緩。這是因?yàn)殡S著3(0”的增加，爐燃燒區(qū) 域

13、的供氧量加強(qiáng)，燃燒強(qiáng)度加強(qiáng)，爐膛火焰溫度升高，熱力型NOx的生成量增大。另外， 燃燒區(qū)域氧濃度增加，為燃料中的氮化合物燃燒時(shí)的熱分解產(chǎn)物進(jìn)一步氧化成NOx提供了 條件，從而使燃料型NOx的生成量也增加，因此總的NOx排放量增加。然而，隨著p(O2) 的進(jìn)一步增大，送入鍋爐的風(fēng)量已經(jīng)過大，造成燃燒區(qū)域的火焰溫度降低，從而使熱力型 NOx的生成量減少，因此總的NOx排放量的增加趨勢(shì)平緩，若3(02)進(jìn)一步增大，NOx的 生成量還會(huì)有降低的趨勢(shì)。3.3 鍋爐的配風(fēng)方式對(duì)NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、氧量、風(fēng)箱與爐膛的壓差、磨煤機(jī)組合方式等不變，通過不同的配風(fēng) 方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。從表4

14、可以看出，倒三角配風(fēng)方式鍋爐NOx排放量最低，而正三角配風(fēng)方式NOx排放 量最高，其它兩種配風(fēng)方式NOx的排放量居中。這種現(xiàn)象可以這樣解釋：采用倒三角配風(fēng) 方式，在主燃燒區(qū)域，鍋爐氧量相對(duì)較低，因此燃燒的火焰溫度也要相對(duì)低一些，熱力型 NOx和燃料型NOx的生成量都減少；在燃燒器區(qū)域上部送入過量的空氣，有助于燃料燃盡, 從表4可看出這種配風(fēng)方式飛灰可燃物是最低的，而且該區(qū)域不是主燃燒區(qū)域，火焰溫度比 較低，即使該區(qū)域氧量比較大，NOx的生成量也不會(huì)增大，因此，總的NOx排放量比較低, 這也說明頂部二次風(fēng)（OFA）的投入確實(shí)能減少NOx的生成量；由于燃燒區(qū)域下部送入風(fēng) 量比較少，對(duì)進(jìn)入爐膛的煤粉

15、頂托能力不夠，致使?fàn)t渣可燃物含量比較大。采用正三角配風(fēng) 方式，鍋爐的主要風(fēng)量都從爐膛燃燒區(qū)域下部送入，使得主燃燒區(qū)域氧量比較大，燃燒的火 焰溫度也相對(duì)較高，從而使熱力型NOx和燃料型NOx的生成量增加，總的NOx排放量也 就增大。但是該配風(fēng)方式下的爐渣可燃物含量會(huì)大大降低。3.4 磨煤機(jī)組合運(yùn)行方式對(duì)NOx排放量的影響保持鍋爐的負(fù)荷、風(fēng)箱與爐膛壓差、氧量和配風(fēng)方式不變，通過不同的磨煤機(jī)組合運(yùn)行 方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。衰5磨煤機(jī)不同組含運(yùn)行方式下的試裳結(jié)果ABCE於綱合ABDE危煙針N工搏故秋525.13543 0()K樂"燃物臺(tái)俄%2. 171,r爐滄叫燃小含生戈.26 51

16、11-2. 5H描塌得擷頭鈕%”戰(zhàn)4.-J4肌依4,完中卷燒蛆損大如°。1.54優(yōu)爐收率%Ml從表5可以看出，ABDE磨組合運(yùn)行方式的NOx排放量要比ABCE磨組合運(yùn)行方式的NOx 排放量高。其主要原因是：對(duì)于ABDE磨組合運(yùn)行方式，高溫區(qū)域沿爐膛高度方向比較長(zhǎng): 而對(duì)于ABCE磨組合運(yùn)行方式，高溫區(qū)域主要集中在下部，沿爐膛高度方向就比較短，所 以其熱力型NOx的生成量就比ABDE磨組合運(yùn)行方式的少，從而使ABCE磨組合運(yùn)行方 式總的NOx排放量要比ABDE磨組合方式的少一些。4結(jié)論通過以上試驗(yàn)與分析，得出如下結(jié)論：a）采用水平濃淡燃燒技術(shù)和在燃燒器頂部布置二次風(fēng)（OFA）的方法，可以使鍋爐的 NOx排放量比較少，本臺(tái)鍋爐采用該項(xiàng)技術(shù)，在滿負(fù)荷時(shí)，NOx的排放量沒有超過國(guó)家標(biāo) 準(zhǔn)（650mg/m3）ob）通過對(duì)鍋爐的燃燒調(diào)整優(yōu)化，可以在保證鍋