摘要：近年来，为改善环境质量，防治火电厂大气污染物排放造成的污染，我国对火电厂污染物的排放提出了严格的要求。本文对火电厂锅炉燃烧器NOx的产生机理进行了分析，并提出了燃烧器低NOx排放的燃烧措施。
关键词：火电厂锅炉；燃烧器；NOx排放
我国火力发电约占全国发电量80%以上，在电力生产的过程中有大量的污染物产生，而SO2和NOx对环境污染影响较大，同时我国对电厂尾气排放的限制越来越严格，且环保收费逐渐提高，所以电厂有必要进行排放物的减排及无害化技术处理。另外，由于NOx在煤的燃烧过程中生成复杂，且其对人类乃至整个生态系统的危害较大，因此对其排放量的控制应高度重视。
一、火电厂NOx的产生与危害
1、产生。火电厂中大量的煤炭燃烧，造成严重的环境污染问题。氮氧化物是煤燃烧过程中产生的主要污染物之一，它是一种危害人体健康和破坏大气环境的有毒物质。NOx与SO2和粉尘共存，形成硝酸或硝酸盐溶液，最终形成酸雨。燃煤电厂的NOx排放来自电站锅炉，因此，寻找有效的燃烧优化运行技术，以实现锅炉稳定、高效、清洁的燃烧，降低锅炉NOx排放，节约大量的NOx排放成本，降低设备初始投资和运行成本，有效地提高机组运行的经济性，增强企业竞争力等具有重要意义。
2、危害
1）对动物和人体的危害。NOx对血红蛋白的亲和力较强，是氧的数十万倍。它一旦进入血液中，就从氧化血红蛋白中将氧驱赶出来，与血红蛋白牢固地结合在一起。长时间暴露在1～1.5mg/l的NO环境中较易引起支气管炎和肺气肿等病变，这些毒害作用还会促使早衰、支气管上皮细胞发生淋巴组织增生，甚至是肺癌等症状的产生。
2）形成光化学烟雾。NOx排放到大气后有助于形成O3，导致光化学烟雾的形成。N0+HC+02+阳光→NO2+O3（光化学烟雾）这是一系列反应的总反应。其中HC为碳氢化合物，一般指VOC（volatile organic compound）。VOC的作用则使从NOx转变为NO2时不利用03，从而使03富集。光化学烟雾对生物有严重的危害，它可致使人们发生眼睛红肿、咳嗽、喉痛、皮肤潮红等症状，严重者甚至心肺衰竭。
3）导致酸雨酸雾的产生。高温燃烧生成的NOx排入大气后大部分转化成NO，遇水生成HNO3、HNO2 ，并随雨水到达地面，形成酸雨或酸雾。
4）破坏臭氧层。N2O能转化为NO，破坏臭氧层，其过程可用以下几个反应表示：N2O+O→N2+O2，N2+O2→2NO； NO+O3 →NO2+O2，NO2+O→NO+O2； O3+0→202。上述反应不断循环，使O3分解，氧层遭到较大的破坏。
二、煤粉燃烧过程产生NOx的机理及其影响因素
NOx主要由三种途径产生：热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，它们都存在于煤燃烧过程中。
1、热力型NOx。它是在高温下通过空气中氮的氧化而产生的，热力型NOx随燃烧温度呈指数规律增长，热力型NOx占NOx排放总量的约20%～50%。试验表明，当燃烧温度低于1500℃时，温度每增加100℃反应速率将增大6～7倍。当温度低于1350℃时，生成量很小，但当温度高于1500℃时，反应速率将变得更加突出，并且排放量接近于燃料型NOx的排放。
2、燃料型NOx。燃料型NOx的产生是燃料中氮化合物在燃烧过程中的氧化反应所产生的NOx，称为燃料型NOx。燃煤电厂锅炉产生的NOx中约有75～90%为燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤电厂锅炉产生NOx的主要途径。当燃料进入炉内加热后，燃料中的有机氮化合物首先被热解成氰（HC N）、氨（NH3）和CN等中间产物，这些中间产物与挥发份一起从燃料中释放出来，称为挥发份N。挥发份N释放后仍留在燃料中的含氮化合物称为焦炭N。随着炉温的升高和煤粉细度（煤粉变细）的降低，挥发份N的比例增大，焦炭N的比例减小。挥发份N中的主要氮化合物为HCN和NH3，当它们遇到氧气后，HCN首先氧化成NCO，NCO会在氧化环境中进一步氧化成NO，例如，NCO将在还原环境中生成NH，在氧化环境中，NH会进一步氧化成NO，同时，利用生成的NO进行还原反应，使NO还原为N2，成为NO的还原剂。
3、快速型NOx。当碳氢化合物燃料的浓度过高时，碳氢化合物在高温条件下分解产生的CH自由基和空气中的氮发生复杂的化学反应生成N和 HCN的混合物，再以极快的速度被氧气氧化成NOx，形成的时间极短，在燃煤电厂中这部分的NOx生成量较小，且与炉膛内压力相关，难以控制。
三、降低NOx排放的燃烧措施
1、低过量空气燃烧。在煤燃烧过程中，减少烟气中的过量空气可抑制NOx的生成，这是减少NOx的最简单方法。通常，低过量空气燃烧可减少NOx排放约15%～20%。然而，这种方法有一定的局限性。若炉膛出口过量空气系数小于1.15，而未采取措施加强二次风与火焰的混合，CO浓度将急剧增加，从而极大地增加了化学不完全燃烧的热损失。同时，飞灰含碳量也会增加，致使机械不完全燃烧热损失增加，从而降低燃烧效率。另外，若选择较高的二次风速以提高其混合能力，可为今后电厂探索低过量空气系数燃烧技术创造条件。一次风燃烧器中的钝体引起烟气再循环，稀释了一次风气流，降低了着火区氧浓度，对降低NOx排放起到一定的作用。
2、浓淡燃烧。利用煤粉浓缩器能将一次风气流分成两个不同浓度的部分，在浓侧气流中有90%左右的煤粉，淡侧气流中有10%的煤粉，空气基本均匀地分布在两侧。
对浓侧煤粉喷嘴，煤粉气流中的氧含量低于挥发份物质完全燃烧所需的氧含量，这抑制了挥发性NOx的生成量。对淡侧煤粉喷口，煤粉气流中含氧量虽然高但燃料量过少，燃烧温度过低仍不利于NOx的生成。图1给出了通过浓淡燃烧来减少NOx的原理，图中C1和C2之间的差异是浓淡燃烧器减少NOx的生成量。
水平浓淡燃烧器内浓侧气流以一定角度反切布置，可增强粉末气流与热烟气之间的换热提前着火，并相对延迟二次风的混合距离，对降低NOx排放起到辅助作用。
3、空气分级。在分级燃烧中，供给主燃烧器的风量小于正常风量。燃烧空气的平衡是通过在燃烧区上方的喷嘴向炉内添加空气来实现的，该喷嘴称为燃尽风。分级送风的原理为：1）给燃烧器的风量应小于正常要求，严格限制NOx的产生；2）在过燃风引入前浓相燃料有较长的停留时间，从而使燃料中的结合氮能从缺氧区逸出，并消除现有的NOx；3）将燃尽风高速注入炉内，确保与燃烧烟气流的混合，并提供完全燃尽所需的空气。
对中储式制粉系统锅炉，NOx的排放很大程度上取决于一次风量的大小和浓淡燃烧器是否工作可靠，因此应注意以下因素的影响：1）在不堵塞的前提下，降低一次风速有利于减少NOx排放；2）在任何负载下，允许燃烧器最小数量的操作；3）及时更换磨损的一次风浓缩器叶片；4）确保所有的二次风挡板工作可靠且开度指示正确。
四、结语
综上所述，随着我国实行可持续发展的战略，环境保护已成为当前和今后一项重要工作。在燃煤电厂排放的大气污染物中，NOx因对生态环境和人体健康的危害极大，且难以处理，成为重点控制排放的污染物之一。因此，如何有效控制大气污染物排放量是现如今火力发电行业亟待解决的问题，而作为火电厂运行的主要设备，锅炉的改造与优化运行成为首要任务，从源头入手，从根本上减少锅炉燃烧产生的NOx，从而实现对空气污染物有效控制的目的，切合国家环境保护战略思想。
参考文献：
[1]苏亚欣.燃煤氮氧化物控制排放技术[M].北京：机械工业出版社，2014：142-150.
[2]周新雅.大型燃煤电站锅炉低氮燃烧技术分析及应用策略[J].华东电力，2014（10）：6-12.
[3]莫才颂.火电厂锅炉燃烧器低NOx分析[J].化工技术与开发，2014（04）：58-59.
论文作者:张丹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
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