低氮燃烧技术浅析

郭江源，张志勇，武 洁

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

氮氧化物（NOx）指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的NOx包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等。作为空气污染物的NOx常指NO 和NO2[1]。全球每年因人类向大气排放的NOx约5300 万吨。NOx对自然环境的破坏力非常大，它是形成酸雨、光化学烟雾的重要物质，同时也是消耗臭氧的一个重要因子[2]。火力发电厂作为NOx的一个重要排放源，每年会向大气中排放大量的NOx，近些年随着国家环保政策的日益严格，NOx排放得到严格控制。目前国家大力推行火电厂超低改造，依据超低排放的要求，NOx排放标准为50 mg/m3[3]。根据生态环境部2018 年数据显示，全国实现超低排放的煤电机组约8.1×109kW，占全国煤电总装机容量的80%[4]。

1 NOX 生成机理

燃煤电厂锅炉燃烧过程中NOx的生成机理主要包括3 种，即3 种NOx类型：燃料型NOx，热力型NOx以及快速型NOx。NOx生成量主要受温度、氧含量以及反应时间的影响，图1 是3 种类型NOx与温度的关系曲线。

1.1 燃料型NOx

燃料型NOx是NOx的主要来源，是由于煤中含氮有机物的C-N 键能约为253 kJ/（g·mol），比氮分子的N≡N 键能946 kJ/（g·mol）小得多，燃烧过程中很容易吸收足够的能量而断裂。燃料燃烧过程中主要是两种成分的燃烧，即挥发分和焦炭的燃烧，因此燃料型NOx也由这两部分燃烧生成的NOx组成，其中挥发分氮占到绝大多数，约为75%～95%，当煤热解脱去挥发分时，氮主要以胺类和氰类等形式随挥发份析出，主要是HCN 和NH3，与含氧化合物反应生成NOx。其次是焦炭氮燃烧生成的NOx。有研究表明，焦碳氮转变为NOx是在火焰尾部焦炭燃烧区生成的，该区域的氧含量相对较低，同时焦碳颗粒容易在高温条件下发生熔结，封闭孔隙，减少了反应的比表面积，限制了NOx 的生成，焦炭氮一般占到燃料型NOx的25%左右[5]。

1.2 热力型NOx

热力型NOx主要由燃烧空气中的N2与含氧物质反应生成，占到总NOx排放量的15%～25%。热力型NOx的生成过程是一个不分支的链式反应，根据Zeldovich 机理，反应方程式为：

氮原子从式（2）中产生，空气中N2键能较高为946 kJ/（g·mol），比一般化合物键能高很多，所以该反应控制着反应速度，是整个反应的关键反应。由图1 可以看出，当温度＞1400 ℃时，热力型NOx生成量迅速增大。同时研究也表明，温度对于热力型氮氧化物生成量的影响大于氧量和反应时间[6]。

图1 3 种类型NOX 生成量与温度的关系

1.3 快速型NOx

快速型NOx是1971 年由Fenimore 发现的。碳氢化合物燃料燃烧在燃料浓度过浓时，在反应区附近会快速生成NOx，因此叫作瞬时型NOx。快速型NOx生成反应的时间大概是0.06 s，温度依懒性较低。反应过程为：

快速型NOx占全部的NOx的5%左右[7]。

不同于选择性催化还原技术（SCR）以及选择性非催化还原（SNCR）在燃烧后进行NOx控制，低氮燃烧技术主要是在燃烧的过程中来控制NOx的生成，形成了包括低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环技术在内的多种低氮燃烧技术，结合SCR 与SNCR 脱硝技术进一步控制NOx生成量。

2 低氮燃烧技术

2.1 低氧燃烧技术

低氧燃烧降低氮氧化物是通过燃烧及制粉系统优化调整，减少入炉风总量，即氧浓度，使燃烧过程中的过量空气系数尽可能接近1，也就是在在接近理论空气量的条件下进行燃烧，尽可能满足锅炉燃烧效率的情况下进行NOx控制，一般可以降低15%～20%的NOx排放量。目前常用的一种低氧燃烧技术是高温低氧燃烧技术，它主要通过提高助燃空气温度来对锅炉燃烧进行稳燃，助燃空气预热温度越高，稳燃范围越大，越有利于燃料的充分燃烧。有研究表明，当助燃空气的温度提高到1000 ℃以上时，燃烧区的氧浓度降低到2%时仍然可以稳定燃烧[8]。在张国华的试验中，使用低氧燃烧技术之后，氮氧化物浓度下降了12.5%。降低氧含量虽然能够很好的控制NOx的生成量，但也会造成燃料燃烧不充分，飞灰含碳量及能耗增加[9]。同样，龚殿在对某电厂的试验研究中发现，降低氧含量后，氮氧化物浓度明显降低，飞灰含碳量明显上升，锅炉效率降低，而且出现水冷壁结焦现象[10]。

2.2 空气分级燃烧技术

空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。第一阶段，主燃烧区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，降低了热力型以及燃料型NOx的生成量。为了完成全部燃烧过程，通过在主燃烧区域之外喷入空气，与主燃烧区域燃烧所产生的烟气混合，在α＞1 的条件下完成全部燃烧过程，这时由于温度较燃烧中心温度显著降低，燃料型和热力型NOx特别是热力型氮NOx生成量明显降低。结合两级燃烧综合来看NOx总体生成量减少[11]。燃煤锅炉中空气分级燃烧的实现方式主要包括两类：垂直方向的空气分级燃烧和水平方向的空气分级燃烧[12]。才雷等人通过对采用空气分级燃烧前后的数据对发现炉膛温度，飞灰可燃物以及未完全燃烧热损失升高，而锅炉效率和氮氧化物浓度降低，特别是氮氧化物排放浓度显著降低（降低39.5%）。不同的过量空气系数对于NOx的生成有明显的影响[13]。

2.3 燃料分级燃烧技术

燃料分级燃烧原理是将80%～85%的燃料送入第一级燃烧区，在α>1 条件下，燃烧并生成NOx。送入一级燃烧区的燃料称为一次燃料，其余15%～20%的燃料则在主燃烧区的上部送入二级燃烧区，二级燃烧区又称再燃区，送入二级燃烧区的燃料又称为二次燃料，或称再燃燃料。在再燃区中不仅使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，可使NOx的排放浓度进一步降低。在α<1 的条件下形成很强的还原性气氛，在燃烧中已生成的NO 遇到烃根CHi 和未完全燃烧产物CO、H2、C 和CnHm时，会发生NO 的还原反应，反应式为：

在再燃区上方在设置燃尽区，对未完全燃烧的燃料进行燃烧。影响燃料分级燃烧的主要因素：在燃燃料种类、再燃区温度、再燃区停留时间、再燃区空气过剩系数、在燃燃料投入位置及混合状况[14]。根据曾庆广等人对常规燃烧和燃料分级燃烧的对比结果显示，采用燃料分级燃烧后氮氧化物浓度降低明显，降低了21.2%[15]。

2.4 烟气再循环

目前使用较多的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，直接影响燃料型和热力型NOx的生成量，进而降低了NOx的排放浓度。从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送入炉内，再循环烟气量与无再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率，即：再循环率=再循环烟气量/无再循环烟气量×100%。

烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料品种和烟气再循环率有关。NOx的降低率随着烟气再循环率变化而变化如图2 所示。经验表明，烟气再循环率为15%～20%时，煤粉炉的NOx排放浓度可降低25%左右。而且与燃料种类和燃烧温度有关，燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越明显。根据华海峰等人的研究结果显示采用烟气再循环技术之后床温和炉膛氧量以及氮氧化物浓度均降低，氮氧化物平均降低14.1%[16]。但是，增加烟气再循环后，烟气中携带粉尘颗粒对再循环风机及一次风机造成一定程度的磨损。

图2 烟气再循环率与氮氧化物生成量的关系

低氧燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧以及烟气再循环等多种低氮燃烧技术经过多年的发展，均在各种锅炉类型中有应用，效果得到了多方面的验证，通过总结分析得出表1 中各低氮燃烧技术的优缺点及运行效果。

3 结语

低氮燃烧技术主要是是基于NOx的3 种生成机理，采用降低燃烧区氧量、温度以及反应时间来降低氮氧化物浓度，可以再一定程度上降低NOx的生成量，但会造成飞灰含碳量以及系统能耗的增加，锅炉效率的降低。单一的低氮燃烧技术并不能满足目前NOx的排放控制要求，需要结合SCR 以及SNCR 技术进行NOx协同控制。目前低氮燃烧技术的应用很多，不同的发电企业对于不同的低氮燃烧技术NOx减排效果程度不尽相同，并没有找到一个环保和经济效益的最佳平衡点。在今后低氮燃烧的研究和发展过程中，可以将研究的重点放在锅炉燃烧和氮氧化物减排的平衡点寻找方面，最大限度的挖掘低氮燃烧技术的NOx减排效果，降低还原剂的使用量以及使用还原剂带来的一系列问题，提高经济效益和社会效益。

表1 各类低氮燃烧技术对比