浅谈循环流化床锅炉对氮氧化物的影响

祁少飞

（太原锅炉集团有限公司， 山西 太原 030021）

循环流化燃烧的主要特点是携带大量物料的烟气在经过分离器时，进行气固分离，分离出来的气体进入尾部，依次流经各受热面进行换热后，再经过净化排入大气，而分离下来的固体物料则通过非机械式的回料阀送回炉膛进行循环燃烧。炉膛内物料的数量及质量将影响NOx的产生。

1 NOx的生成机理

煤在锅炉中燃烧后产生NOx。循环流化床锅炉中NOx的生成机理，以下两种生成机理得到普遍认可。

1.1 热力型NOx

热力型NOx是由供燃烧用的空气中的氮在高温状态下与氧进行化学反应生成NOx。热力型NOx中绝大部分是NO，可采用Zeldovich提出的NO生成机理来描述，其主要反应式：

研究表明，热力型NOx的生成量很少，所占比例约为循环流化床锅炉总的NOx的5%。

1.2 燃料型NOx

燃料型NOx是由有机地结合在矿物燃料中的杂环氮化物在燃烧过程中遇热发生热分解，在氧化气氛下，发生氧化反应生成NOx。

煤中的氮元素主要以芳香杂环氮化物、砒啶和砒咯及其衍生物的形式存在。在燃烧过程中，煤中的氮将以两种途径生成NOx[1]：

1）燃烧过程中，煤中的杂环氮化物等遇热将发生热分解，生成HCN或NH3气体，跟随挥发分一起挥发出来。在氧化气氛下，HCN或NH3发生氧化反应生成NOx，如图1所示。

图1 燃烧过程中NOx的产生过程

2）残留在煤焦中的氮化物，在煤焦燃烧时发生氧化反应生成NOx。由燃料型NOx的生成机理可知，燃料型NOx的生成量与燃烧过程中的炉膛温度密切相关。当炉膛温度温度较低时，煤中的杂环氮化物难于分解、挥发而残留在焦炭中；当温度较高时，氮则易于分解挥发，以挥发分的形式析出。

2 NOx排放的影响因素

在循环流化床锅炉中，氮在燃烧过程中不断的发生氧化反应生成NOx的同时，NOx还将在不断地发生还原反应被还原生成N2，因此，影响氧化、还原反应的所有因素都将会影响NOx的生成[2]。

2.1 入炉燃料自身特性的影响

通过上述NOx的生成机理可知，循环流化床锅炉的NOx主要为燃料型NOx，即来源于燃料中的氮，也就是说，燃料中氮元素的含量越高，生成的NOx就越多，NOx的排放浓度就越高；同时，NOx的排放量也受燃料中氮的存在形态的影响：燃料中的氮以胺的形态存在时，煤在燃烧过程中所产生的氮氧化物主要以NO存在；燃料中的氮以芳香环的形态存在时，燃烧过程中所产生的氮氧化物主要以N2O存在。

地质年代较浅的褐煤、页岩等劣质燃料中燃料氮主要以胺的形态存在，燃烧后产物为氮氧化物为NOx居多，N2O的产量则很少；地质年代久远的烟煤、无烟煤中，燃料氮主要以芳香环的形态存在，燃烧后的产物中NOx的产量较少，而N2O的产量则会很高。

同时，NOx的排放量也受煤的挥发分中的各种元素比值的影响。研究表明，m（O）/m（N）越大，N 越易被氧化，从而NOx排放量越高，外部氧浓度对氮氧化物的生成影响越小；m（H）/m（C）越高，燃烧后生成的CO越少，NO就越难于被还原，则NOx的排放量也就越高；同时，由于S和N在氧化时会相互竞争氧，m（S）/m（N)也会影响到各自的排放水平，当 SO2的排放量越高时，NOx的排放量将会越低。

2.2 炉膛过量空气系数的影响

循环流化床锅炉，不采用分级配风时，燃烧所需的氧量全部由通过布风板下部的风帽给入时，降低炉膛的过量空气系数，即降低了反应区内的氧浓度，迫使炉膛下部处于还原性气氛，将会抑制热力型NOx和燃料型NOx的生成。研究表明，不采用分级配风时，降低炉膛的过量空气系数，可使得NOx的排放量降低15%～20%，但是炉膛过量空气系数的降低，将会增加CO的浓度，导致化学不完全燃烧热损失增加，致使锅炉燃烧效率下降[4]。

循环流化床锅炉，当采用分级配风时，一次风从布风板下通过风帽小孔进入炉膛，在保证流化的同时，可适当减小一次风量，使得炉膛下部为缺氧区域，处于还原性氛围，可有效地降低NOx的生成量。二次风通过距离布风板一定高度的入口喷入，为燃料充分燃烧提供足够的氧气。二次风入炉口距离布风板要有足够的高度，使得炉膛下部的还原性气氛足够大，否则对NOx的排放量影响甚小。随着一次风比例的不断减小、二次风比例的不断增加，燃烧过程中的氧化氛围逐渐变弱、还原氛围逐渐增强，燃料中的氮的氧化反应在减弱、还原反应在增强，NOx的排放量也将会出现下降趋势，并在某一风量配比下NOx的排放量将达到最小值。

2.3 炉膛内燃烧温度的影响

燃烧温度对NOx排放量的影响已达到共识，即炉膛内的燃烧温度越高，NOx的排放量就越高，因此，可以通过降低炉膛温度来减少NOx的排放量。但炉膛温度的降低一方面会造成燃料燃烧不完全增加，将会增加炉内CO的浓度、增加底渣的含碳量，致使化学不完全燃烧热损失增加，导致燃烧效率下降；另一方面，炉膛温度的降低，将使得N2O的分解减缓、排放浓度增加。综合考虑，循环流化床锅炉炉膛温度设计、运行时应控制在850～900℃。

2.4 脱硫剂的影响

在循环流化床锅炉中，大量物料往复循环燃烧，固体颗粒石灰石作为脱硫剂加入炉膛内，将随着物料往复循环来达到降低SO2的排放量的目的。石灰石的加入，将影响NOx的排放量，CaO和CaS将会作为强催化剂来强化氧化、还原反应过程，CaO在强化燃料中的氮的氧化速度、加快NO的生成速率的同时，CaO和CaS还将会强化CO与NO的还原反应过程。研究表明，一般情况下，CaO对氧化反应的贡献是大于其对还原反应的贡献，从而，石灰石的加入，将会造成NOx排放量的增加。综合考虑，在保证较高的脱硫率的同时，NOx的排放处于较低的水平时，最佳的 m（Ca）/m（S）=1.5～2.5。当然，还要考虑石灰石的品质、粒径大小等因素对富余CaO和CaS的催化作用的影响。

2.5 还原剂的影响

在炉膛的悬浮段或分离器区域喷入还原性介质（如液氨、尿素），可有效地还原NOx、降低NOx排放浓度。无论是液氨作为还原剂还是尿素作为还原剂，都将受到还原反应温度的限制。一般地，喷入液氨的反应温度在810℃左右，喷入尿素的反应温度在890℃左右，并且液氨或尿素喷入口处的烟气氧含量应尽量低。

在炉膛密相区上方掺烧气体，使NOx处于缺氧状态被还原为N2、生成CO。为了使NOx的排放在浓度较低的同时，又能保证较高的燃烧效率，可在气体掺烧口上方再配补燃空气。

2.6 物料循环倍率的影响

循环倍率是循环流化床锅炉衡量循环量大小的指标，循环倍率高，说明物料循环量大，即悬浮段物料的浓度增高，NO与焦炭的还原反应加强，从而达到降低NOx排放量的目的。NO与焦炭的还原反应：

3 结论

1）通过上述分析可知，在循环流化床锅炉中，燃料型NOx在氮氧化物排放中占主导地位，因此，控制NOx的排放浓度应从入炉燃料的自身特性、炉膛内燃烧温度、炉膛内过量空气系数、配风方式、物料的循环倍率等方面着手。

2）通过上述分析，在燃料一定，炉膛内的燃烧温度控制在850～900℃；配风采用分级配风形式时，选择合理的脱硫剂及还原剂的品质、粒径及喷入量，可有效的控制NOx的排放浓度。同时，也可在密相区上部合适位置注入还原性介质使NOx还原为N2。