柴油機中氮氧化合物(NOX)的生成機理及影響因素

　　1 前言 
　　NOx是大氣中的主要污染物之一，它是由燃料與空氣在高溫燃燒時產生的，主要包括NO、NO2和N2O，其中NO占90％以上，NO2占5％-10％。NOx不僅危害人體健康，而且還是破壞環境、形成酸雨和光化學煙霧的重要物質。北京市鍋爐污染物綜合排放標準規定，新建燃煤鍋爐NOX排放限值為250mg/m3。為滿足北京市2008年綠色奧運要求，2006年北京市修訂了此標準，進一步嚴格NOx排放限值。我公司#1-#4鍋爐采用浙江大學熱能工程研究所對NOx燃燒中的控制的各項技術，浙江大學低NOx控制技術以爐內控制NOx為主，結合空氣分級燃燒、燃料的分級燃燒以及SNCR等各項技術，在我廠取得了良好的效果，在噴氨系統不投入情況下，鍋爐NOx的排放在240mg/m3左右，當噴氨系統投入情況下，鍋爐NOx的排放在100mg/m3左右。 
　　2 燃料再燃燒技術 
　　再燃技術是將鍋爐爐膛分成主燃區、再燃區和燃盡區。主燃區供入全部燃料的70％-90％，采用常規的低過剩空氣系數(а≤1．2)燃燒生成NOX；與主燃區相鄰的再燃區，只供給10％-30％的燃料,不供入空氣，形成很強的還原性氣氛(a=0．8-0．9)，將主燃區中生成的NOX還原成N2分子；燃盡區只供入燃盡風，在正常的過剩空氣(a=1．1)條件下，使未燃燒的CO和飛灰中的碳燃燒完全。 
　　為了減少未完全燃燒損失，我廠鍋爐三層一次風上面設置兩層二次風作為燃盡風，再燃技術(MCR)的NOx脫除率一般為40％，最高可達50％。采用此技術，我廠鍋爐燃燒器和二次風作了較大的改造。煤粉再燃燒技術，該技術可將NOx排放降低至280mg/m3(煙煤鍋爐)以下,基本達到北京目前的排放標準。 
　　3 空氣分級燃燒技術 
　　空氣分級燃燒技術的基本原理與燃料再燃相似，也是通過將燃料過程分段來減少NOx的生成量。空氣分級燃燒技術將燃燒用風分為一、二次風，通過減少煤粉燃燒區域的空氣量來提高燃燒區域的煤粉濃度，并且通過分級配風設計來推遲一、二次風混合時間，使煤粉進入爐膛時形成富燃區，并在富燃區進行缺氧燃燒，從而降低燃燒型NOx的生成。然后缺氧燃燒產生的煙氣再與補入的二次風混合，使燃料完全燃燒。空氣分級燃燒，一般通過調整整組燃燒器頂部加裝的燃盡風噴嘴的數量和位置，并使其風量占二次風總風量的14%左右，作為降低NOx的手段。根據燃用煤質情況的不同，二次風量的大小可沿高度實現不同的分級送風方式，即可保證煤粉的燃盡，又達到降低NOx的目的。與燃料再燃相比，空氣分級燃燒也有著設備簡單，改造、運行成本低，對機組運行影響較小等優點。目前，空氣分級燃燒的脫銷率一般在20%~30%之間。 
　　4 SNCR技術在我廠應用 
　　該技術是用尿素還原劑噴入爐內與NOx進行選擇性反應，不用催化劑，因此必須在高溫區加入還原劑。還原劑噴入爐膛溫度為900-1100℃的區域，該還原劑（尿素）迅速熱分解成NH3并與煙氣中的NOx進行SNCR反應生成N2，該方法是以爐膛為反應器。 
　　此法的脫硝效率約為40%-60%，多用作低NOx燃燒技術的補充處理手段。還原劑噴入系統必須能將還原劑噴入到爐內最有效的部位，因為NOX的分布在爐膛對流斷面上是經常變化的，如果噴入控制點太少或噴到爐內某個斷面上的氨不均勻，則會出現分布較高的氨漏失量。在較大的燃煤鍋爐中，還原劑的均勻分布則更困難，因為較長的噴入距離需要覆蓋相當大的爐內截面。為保證脫硝反應能充分地進行，以最少的噴入NH3量達到最好的還原效果，必須設法使噴入的NH3與煙氣良好地混合。若噴入的NH3不充分反應，則漏失的NH3不僅會使煙氣中的飛灰容易沉積在鍋爐尾部的受熱面上，而且煙氣中NH3遇到SO3會產生(NH4)2SO4易造成鍋爐受熱面腐蝕的危險，影響鍋爐的安全運行。 
　　尿素為還原劑，在爐膛中反應過程為： 
　　(NH4)2CO→2NH2+CO（1） 
　　NH2+NO→N2+H2O（2） 
　　CO+NO→N2+CO2（3） 
　　噴氨示意圖 
　　5 鍋爐NOX的調整方法 
　　5.1 在鍋爐正常運行中，通過調整二次風風門的開度，采用分級配風，達到降低NOx的目的。二次風小風門的開度調節是控制NOx生成量的關鍵。五層二次風小風門中，第1層二次風（下二次風）起到拖住一次風粉的作用，其開度不宜過小，否則大渣的含碳量將增大，降低鍋爐效率。但同時應當注意，低負荷時第1層二次風門應該適當關小，因為過大的下二次風量將使得燃燒初期為富氧條件，對NOx控制不利。滿負荷時，第1層二次風門開度推薦值100％，低負荷時可適當下調，最低不宜低于60％。第4、5層二次風是燃盡風，大的燃盡風量有利于控制NOx的生成，同時燃盡風量加大可以增強燃盡風剛度，強化后期混合，對煤粉的燃盡有利。高負荷時建議第4、5層二次風門100％開度，低負荷時調低第4層風門開度。高負荷時，第2層二次風門建議20%~25%開度，第3層二次風門10~20%開度，以使主燃區送入二次風盡可能靠下，以提高燃盡率。低負荷時盡可能關小第2、3、4層二次風門，以實現分級燃燒，降低NOx排放。低負荷時應保證各層給粉機轉速在400rpm以上，在保證燃燒穩定及蒸汽參數的前提下，可以停一定數量的一次風及相應的給粉機，保證煤粉燃燒初期的還原性氣氛及一定的一次風粉濃度。從降低NOx排放和保證燃燒穩定性的角度考慮，建議優先停第三層噴口。將三次風冷卻風門改為可調風門，以保證送風的可調性，在鍋爐正常運行中，一般開度為20%-40%。鍋爐NOx的排放在240mg/m3左右。 
　　5.2 氧量對NOx排放影響。鍋爐隨著入爐氧量的增加，其NOx排放特性呈大致相同的趨勢。這種現象可解釋為：隨著入爐氧量的增加，爐內燃燒區域供氧量也增加，燃燒強度加強，使爐內局部火焰溫度上升，為燃料氮轉化為燃料NOx提供了條件 在正常運行中，鍋爐氧量維持2.8%-3%為最佳。如圖： 
　　5.3 噴氨系統投入后，尿素噴入爐膛溫度為900-1100℃的區域為最佳，一般投入第三層噴嘴。濃度12.5ppm，流量1噸左右，NOx排放在160 mg/m3左右。在#3鍋爐07年8月16日試驗中，鍋爐蒸發量400噸，氧量2.8%，第二、三小風門開度分別為40%、20%，其余小風門全開。濃度12.5ppm，流量3噸左右，投入第一、二、三層噴嘴，NOx排放在80 mg/m3左右。通過這次試驗，NOx排放在100 mg/m3以下，達到了滿意的結果。 
　　6 我燃煤電廠NOX控制建議和結論 
　　6.1 鍋爐現場試驗結果顯示，隨著過量空氣系數的增大，鍋爐NOx生成量是增加的，在正常運行中，建議鍋爐氧量維持2.8%-3%為最佳。 
　　6.2 關于小風門的調整，第二、三小風門開度盡量關小，其余小風門盡量開大，具體開度視負荷而定。三次風冷卻風門改為可調風門，以保證送風的可調性，在鍋爐正常運行中，一般盡量關小。 
　　6.3 噴氨系統投入后，，一般只投入第三層噴嘴，尿素噴入爐膛最佳區域，即可達到良好效果。