氮氧化物的产生机理及脱氮技术原理

氮氧化物产生机理及脱氮技术原理：

一、氮氧化物产生机理

在氮氧化物中，NO占有90%以上，二氧化氮占5%-10%，产生机理通常分为以下三种：

（a）热力型

燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中生成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich)反应式表示。

伴随反应温度T升高，其反应速率按指数规律。当T<1500℃时，NO生成量极少，而当T>1500℃时，T每增加100℃，反应速率增大6-7倍。

热力型氮氧化物生成机理(Zeldovich反应式)

在高温下总生成式为

（b）瞬时反应型(快速型)

快速型NOx是1971年Fenimore经过试验发觉。在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区周围会快速生成NOx。

因为燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成CH自由基能够和空气中氮气反应生成HCN和N，再深入和氧气作用以极快速度生成，其形成时间只需要60ms，所生成和炉膛压力0.5次方成正比，和温度关系不大。

上述两种氮氧化物全部不占NOx关键部分，不是关键起源。

（c）燃料型NOx

由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。因为燃料中氮热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600－800℃时就会生成燃料型，它在煤粉燃烧NOx产物中占60－80％。

在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮有机化合物热裂解产生N，CN，HCN和等中间产物基团，然后再氧化成NOx。因为煤燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型形成也由气相氮氧化（挥发份）和焦炭中剩下氮氧化（焦炭）两部分组成。

燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N示意图

二、低NOx燃烧技术原理

对于没有脱硝设备和脱硝燃烧器燃煤锅炉来说，也就是采取低氮燃烧技术来降低NOx生成机会。 1）在燃用挥发分较高烟煤时，燃料型NOx含量较多，快速型NOx极少。燃料型NOx是空气中氧和煤中氮元素热解产物发生反应生成NOx，燃料中氮并非全部转变为NOx，它存在一个转换率，降低此转换率，控制NOx排放总量，可采取：

（1）降低燃烧过量空气系数；

（2）控制燃料和空气前期混合；

（3）提升入炉局部燃料浓度。

2）热力型NOx：是燃烧时空气中N2和O2在高温下生成NOx，产生关键条件是高燃烧温度使氮分子游离增加化学活性；然后是高氧浓度，要降低热力型NOX生成，可采取：

（1）减小燃烧最高温度区域范围;

（2）降低锅炉燃烧峰值温度;

（3）降低燃烧过量空气系数和局部氧浓度。

具体来说，就是在确保锅炉燃烧安全前提下，采取以下方法来降低氮氧化物生成：

1、低过量空气燃烧

使燃烧过程尽可能在靠近理论空气量条件下进行，伴随烟气中过量氧降低，能够抑制NOx生成。这是一个最简单降低NOx排放方法。通常可降低NOx排放15~20%。但如炉内氧浓度过低(3%以下)，会增加化学不完全燃烧热损失，引发飞灰含碳量增加，使锅炉燃烧效率下降。所以，在锅炉运行时，应选择最合理过量空气系数。

2、空气分级送入炉膛

基础原理是将燃料燃烧过程分阶段完成，采取倒三角配风方法。在第一阶段预燃阶段，将从一次风室供入炉膛空气量降低(相当于理论空气量80%)，使燃料先在缺氧富燃料燃烧条件下燃烧。此时密相区内过量空气系数α<1，所以降低了燃烧区内燃烧速度和温度水平。所以，不仅延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx反应率，抑制了NOx在这一燃烧中生成量。第二阶段：燃烬阶段，为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需其它空气则经过部署在密相区中上部及过渡区专门二次风喷口送入炉膛，和密相区下部在“贫氧燃烧”条件下所产生烟气混合，在α>1条件下完成全部燃烧过程。这一方法填补了简单低过量空气燃烧缺点。在密相区内过量空气系数越小，抑制NOx生成效果越好，但不完全燃烧产物越多，造成燃烧效率降低、引发结渣和腐蚀可能性越大。所以，为确保既能降低NOx排放，又确保锅炉燃烧经济性和可靠性，必需正确组织空气分级燃烧过程。

3、燃料分级燃烧

在燃烧中已生成NO碰到烃根CHi和未完全燃烧产物CO、H2、C和CnHm时，会发生NO还原反应，重新还原为N2。利用这一原理，将关键燃料送入密相区，在α>1条件下，燃烧并生成NOx。送入密相区燃料称为一次燃料，其它15~20%燃料则在主燃烧器上部送入悬浮区，在α<1条件下形成很强还原性气氛，使得在密相区中生成NOx在悬浮区(再燃区)内被还原成氮分子，送入悬浮区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NOx得到还原，还抑制了新NOx生成，可使NOx排放浓度深入降低。

三、低氮燃烧改造方法

1、锅炉NOX初始排放过高原因

锅炉燃烧不合理，一、二次风没有做到合理分配，炉膛温度局部偏高，氧气浓度偏高，炉内燃烧不均匀，使得锅炉出口NOx含量偏高。

2、技改方法和方法

1） 控制供煤系统燃煤颗粒度

确保锅炉入口燃煤粒度控制在8mm以下，以降低锅炉一次风用量。

2）二次风合理分级

降低一次风风量后，可合适增加二次风风量。原锅炉设有三层二次风入口风管，但因为原锅炉设计一次风量较大，所以二次风管道配置偏小，考虑到降低锅炉燃烧系统改造投资成本，基础维持原有二次风管道分配；但需要增加二次风管径，在每个二次风管道上设置手动调整门，依据锅炉燃烧情况，调整调整门开度，达成二次风最好合理分配。为了愈加好进行分级配风，降低NOx生成，将原有三层入风口中间一层进行封堵，在炉膛卫燃带上边缘下部约500mm处，增设二次风管。

除了考虑高度方向分级，还要求对水平方向进行分级，以达成炉膛氧量分配均匀目标。水平方向二次风分级关键经过合适调整两侧和中间风管管径措施来实现。

对于现在设计传统二次风母管前后联络风箱，这部分风箱通常全部需要合适扩大，以满足二次风特殊送风百分比关系要求，不然会影响静压风箱或等压风箱二次风分配原理，不利于二次风取风点均匀性。 3） 二次风入口端直管段确实定

为了形成良好二次风进入炉内射流喷射效果，保持基础射程而不被扩散，要求二次风入口端直管段最少为二次风管内径6～8倍以上，原来不足要设法给予延长，能够在直管段前设置大弯曲半径弯管，达成基础直管段要求。

4） 二次风喷口、射流水平角度和调整阀门选择

为了不妨碍二次风形成直线型非扩散射流，采取直管段直接插入炉墙上二次风喷口中。在选材时，和高温物料接触这一小段金属管件，必需选择耐磨抗高温金属材质。

每个二次风分风道，选择手动调整风门。

为了增加二次风在炉膛内穿透性，提升燃烧效率，合适降低二次风入炉射流水平夹角。

5）尾气再循环

煤进入炽热燃烧料层以后受热分解，在热分解过程中，煤中含氮也作为挥发分而气化。不过温度不一样，气化氮氧化合物占总氮化合物百分比也不一样。温度为800～900℃时，只占总氮30%，在1000℃时才占50%～60%。在热分解气化氮化合物中，关键成份是NH3、HCN和N2，这些中间产物再和含氧化合物反应生成NO。伴随床温不一样，她们所占百分比也不一样。在通常床温条件下NH3占相当大百分比。当温度升高时，NH3含量降低，这是因为在高温条件下NH3分解成N2和H2结果。通常NO浓度是指流化床锅炉出口处NO浓度，没有包含流化床锅炉内部各处NO改变情况。实际上，在布风板周围（约300mm高度),NO浓度因为燃料挥发分析出氧化急剧达成最大值，然后随高度方向逐步下降。在沸腾层表面一定距离后，逐步稳定在一定浓度。这是因为在床层底部给煤集中，空气和燃料分配百分比不均和底部燃烧还不够强烈，底部气流含有较高氧浓度，致使NO大量生成。伴随床层增高，首先流化床顺苏处于强烈流化燃烧状态，需要大量氧气，而气泡分割使床层密相区处于空气不足状态，NO生成量降低。其次流化床内含有大量NH3、CO、H2等，使已经生成NO和C、NH3等发生还原反应，NO浓度沿着流化床锅炉高度降低到一个稳定数值。所以，尽可能降低一次风，使床层下部处于缺氧状态，能够降低NO生成。不过，因为维持良好流化和控制料层温度需要，一次风供入量有最低数值要求，引入含氧量比较低尾气混入一次风中，能够在不降低总一次风量同时降低供入氧气，料层底部处于缺氧状态，而仍然能够维持正常流化，从而显著降低NO排放。 在控制燃煤颗粒度条件下，降低锅炉一次风风量。同时为了有效减小锅炉一次风含氧量，又满足锅炉一次风流化风量需求，从引风机出口挡板门后增设一台离心风机，将引风机出口净烟气经过加压后，送入锅炉一次风机入口，充当锅炉一次风。以有效降低一次风含氧量，增加风量分配调整裕度。

四、恒涛企业性能确保

经过锅炉低氮燃烧改造，投标方确保：

1）低氮燃烧改造后，锅炉燃烧效率大于现有水平，锅炉飞灰、渣残碳含量小于现运行值；

2）不降低现有锅炉运行出力；

3）在锅炉满负荷运行时，在不投入炉内喷钙脱硫情况下，氮氧化物排放浓度不高于220mg/m3（标态，干基，6%O2）。