李闻达

    摘 要：目前我国能源消费结构仍以煤炭为主，因此需要对燃煤过程中产生的污染物进行控制。在燃煤锅炉中，氧气和空气以及燃料中的氮在高温下生成NOx，对环境造成严重污染，本文介绍了在燃烧过程中控制NOx生成的低氮燃烧技术，和几种低氮燃烧器，以降低燃烧过程中的NOx含量。

    关键词：燃煤锅炉;NOx;低氮燃烧

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.161

    1 引言

    根据《中国能源大数据报告（2018）》显示，在我国能源消费结构中，虽然煤炭消费十年间占比下降了12.1个百分点，呈现逐年下降趋势，但在2017年能源生产结构中，原煤占比68.6%，仍占据主体地位。

    燃煤锅炉中煤炭的燃烧会释放大量污染性气体NOx，造成严重环境污染。国家污染物排放标准规定NOx的排放量应不超过250μg/m3（日均）、350μg/m3（时均），因此，对燃煤电厂中产生的NOx量需要严格控制。在燃烧过程中，采取低氮燃烧技术，可以有效减少NOx的生成与排放。

    2 NOx生成机理

    煤粉在锅炉里燃烧的过程中，NOx的排放与燃烧过程关系密切，特别是过量空气系数和燃烧温度等，根据燃烧条件的差异可以分为燃料型、热力型、快速型三类。

    2.1 燃料型NOx

    燃料型NOx是人為排放NOx的一个重要组成部分，据统计，燃料型NOx在NOx排放总量中所占的比例为75%以上。影响燃料型NOx生成的因素很多，不仅与过量空气系数有关，也与燃烧温度、煤种特性、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭的比例、成分和分布等因素有关。

    2.2 热力型NOx

    热力型NOx中的N主要来自于空气，与O2在高温下反应生成NOx。热力型NOx占比例较小，约为20%。影响热力型NOx生成的因素主要是温度和氧量。

    2.3 快速型NOx

    快速型NOx生成量通常占总NOx的5%以下，主要由燃料中的CH基团和空气中的N2反应，一般在富燃（燃料充足，O2含量少）条件下产生。由于反应速度较快，所以称之为快速型NOx。其影响因素主要是O2浓度，和温度关系不大。

    3 低NOx燃烧技术

    3.1 燃料分级燃烧技术

    将燃烧分为主燃烧区、还原区、燃尽区三个区域。

    主燃烧区也称一次燃烧区，在此区域内降低氧浓度，堵住部分二次风管，使其保持弱还原性或氧化性气氛。NOx的生成机理表明，NOx主要生成在高温，氧含量高的区域，采取上述措施后，在主燃烧区由于氧量不足，温度和燃烧速度都下降，从而抑制了热力型NOx的生成，同时由于氧气含量低，N2的形成将会加强。氧气含量降低，锅炉出力下降，所以要保证锅炉的出力，将部分空气和煤粉从锅炉的上部投入，可以控制燃烧火焰中心区域助燃空气的数量，避免高氧浓度和高温的同时存在。

    还原区又称再燃烧区，再燃燃料又称为二次燃料。将再燃燃料送入还原区，还原区过量空气系数小于1，因此该区域为还原性气氛，燃料中的N分解生成的NH，HCN等中间活性产物（碳氢原子团），将一部分NO还原，主要生成N2，从而抑制NOx的形成。还原区的温度越高，燃料在此区域内停留的时间越长，还原反应越充分，降低NOx生成的效果更好，但在实际操作中由于条件的限制，不可能有过长的停留时间，应通过实验确定最佳送入燃料的位置和最佳停留时间的值。

    燃尽区在还原区的上方，该区域的作用是使之前的再燃燃料燃尽，因此在此区域内通一定量的空气（燃尽风），尽量使再燃区出来的燃料燃尽。在燃烧过程中仍会产生少量的NOx，但是经过前面的两个区域，NOx含量已大大减少。

    3.2 浓淡燃烧技术

    该技术主要是调节氧量，即过量空气系数a，使其各部分的过量空气系数a大于或小于1，所以又称为偏差燃烧或非化学当量燃烧。在氧量不足情况下燃烧时，燃烧温度较低，因此燃料型和热力型NOx的生成量都会降低。氧量过量的情况下，由于空气过多，燃烧温度也不高，热力型NOx的生成量也会降低。无论是氧量不足还是过量，生成的NOx都会比常规燃烧少，这种方法可以用在多层布置燃烧器的电站锅炉上，调节燃料和空气在各层燃烧器的比例，可以在保持进入锅炉总风量不变的前提下，实现降低NOx排放的目的。

    3.3 低氮燃烧器

    （1）分割火焰型燃烧器。通过把一个大火焰分成多个小型火焰，增大了火焰的整体散热面积，降低了火焰温度，减少了热力型NOx的产生，另外，较小的火焰也缩短了燃料与氧气在火焰里的停留时间，抑制了燃料型和热力型NOx的产生。

    （2）自身再循环燃烧器。通过助燃空气的压头，从空气预热器前抽取一部分烟气，在燃烧器内和空气混合燃烧，由于烟气的再循环，使整体温度提高，燃烧温度降低，抑制了热力型NOx的生成。

    （3）混合促进型燃烧器。燃烧过程中NOx生成量的多少与燃料在高温区的停留时间密切相关，该种燃烧器可以改善燃料与空气的混合情况，减薄火焰面的厚度，因此缩短了燃料在高温区的停留时间，抑制了NOx的生成，同时可以保证燃烧负荷的稳定。

    4 结语

    由于我国能源结构短期内难以改变，国家对环保问题日益重视，因此在燃煤电厂中应采取低氮燃烧方式来控制NOx的排放，从NOx的生成机理可以看出，影响NOx生成的主要因素是氧量（过量空气系数）和燃烧温度，以及与火焰接触的时间，因此，应着重从这几方面入手，改进脱氮技术，研发新型燃烧器，弥补目前设备的不足，为此我们仍需在实践中不断探索和总结。

    参考文献：

    [1]金维平.燃料型NOx的生成机理及控制措施[J].中国科技信息，2005（22）：20+29.

    [2]姜涌，夏明明，覃绍亮，陈振宇.热力型NOx的抑制[J].电站系统工程，2005（02）：25-26.

    [3]凌荣华，文军，齐春松.燃料分级燃烧技术的研究现况和应用前景[J].热力发电，2003，32（08）：6-8.

    [4]陈科峰.低氮燃烧技术在对冲燃烧锅炉上的应用研究[J].山东工业技术，2019（05）：84.

    作者简介：李闻达（1998-），男，山东日照人，本科在读，研究方向：能源与动力。

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