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摘要：通过对氮氧化物生成机理的分析，并研究了控制炉膛出口NOx的方法，论述了通过空气、燃料分级技术，如何控制炉膛出口NOx的排放量，并浅析了分级燃烧的技术支持理论，说明了通过分级燃烧技术可有效降低炉膛出口NOx的排放量。
关键词：氮氧化物；分级燃烧技术；低NOx
引言
目前，火电厂污染物排放越来越受到各国重视，其中NOx是火电厂排放的污染物中对环境污染较为严重的一种。我国对于环保指标要求也是日趋严格，对于环保指标不达标的火电厂要求停运整改，甚至关停，因此，低NOx排放是摆在电厂设计以及运行人员面前的一道难题，本文将以对冲同心正反切圆、分级燃烧燃烧器为模板，浅析NOx的生成以及低NOx的燃烧控制技术。
1 NOx的构成、危害
氮氧化物包括多种化合物，主要以NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等化合物的形式出现，除NO2以外，其他氮氧化物均极不稳定，遇光、湿或热变成NO2及NO。若人体吸入大量NO2，则使人体缺氧，引起中枢神经麻痹症，还会强烈刺激呼吸系统粘膜，引起肺部疾病。同时，空气中的NO2会同同温层中的O3反应，破坏臭氧层；NO2溶解至大气的水中，则会形成酸雨。[1]
2 NOx的生成
2.1燃料型NOx，指燃料中含氮化物，在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化二生成NOx。由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在600-800摄氏度时就会生成燃料型NOx。在生成燃料型NOx过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生N、CN、HCN等中间产物，然后再氧化成NOx。由于煤的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NOx的形成也由气相氮的氧化和焦炭中剩余氮的氧化两部分组成。
2.2热力型NOx，燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支联锁反应。在高温下总生成式为：
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随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当T<1500 ℃时，NO的生成量很少，而当T>1500 ℃时，T每增加100 ℃，反应速率增大6~7倍。
2.3快速型NOx，快速型NOx是1971年FENIMORE通过实验发现的。在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成NOx，由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成HCN和N，再进一步与氧气作用以极快的速度生成NOx，其形成时间只需要60 ms，所生成的NOx与炉膛压力的0.5次方成正比，与温度的关系不大。
在这三种途径中，快速型NOx所占的比例不到5%，在温度低于1300摄氏度时，几乎没有热力型NOx，由此可知，锅炉排放的NOx大部分为燃料型。[2]
3 控制NOx生成的措施
3.1由前言分析可知，锅炉排放的NOx大部分成分是燃料型，因此如何有效控制燃料型NOx的生成成为了控制NOx排放量的关键。由NOx生成机理可知，控制生成NOx 利用现有设备进行有效调整的主要手段有：
（1）制造一个缺氧区域以抑制燃料氮转化成NOx，并形成一个NOx还原区，将已形成的NOx与焦炭发生还原反应；
（2）延迟燃料和空气的混合，降低火焰温度，抑制热力型NOx的生成；
（3）控制合理的过量空气系数，并调整良好的煤粉细度有助于燃料氮更早的逸出和燃尽。
3.2利用低NOx燃烧系统，低NOx主要组件为：（1）对冲同心正反切圆燃烧系统；（2）分组布置的燃烧器风箱；（3）快速着火煤粉喷嘴；（4）预置水平偏角的辅助风喷嘴；（5）低位燃尽风（BAGP）和高位燃尽风（UAGP）结合的低NOx燃烧技术。
4 对冲同心四角切圆、分级燃烧低NOx燃烧器低NOx排放的原理：
建立煤粉早期着火，燃烧器采用了快速着火煤粉喷嘴，使燃料中的挥发份在初期阶段大量析出，在燃烧初始阶段使燃料中的大量氮化物形成NOx，同时，较细的煤粉细度能充分的使氮化物从燃料中析出。[3]
垂直方向的空气分级、燃料分级燃烧技术，在炉膛的不同高度布置BAGP和UAGP，将炉膛分成三个相对独立的部分：初始燃烧区，NOx还原区和燃料燃尽区。采用两级燃尽风实现对燃烧区域过量空气系数的多级控制，在每个区域的过量空气系数由三个因素控制：总的AGP风量，BAGP和UAGP风量的分配以及总的过量空气系数。[4]下图表示的即为主燃烧区的过量空气系数与NOx的关系和不完全燃烧损失的关系。
这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，在NOx还原区将早期在煤粉中析出的氮化物形成的NOx与煤粉在缺氧条件下产生的焦炭发生还原反应，即NOx+C→CO2+N2，使初期生成的NOx还原，降低NOx的生成总量。[5]
（1）利用垂直方向的分级燃烧技术，通过控制炉膛垂直方向整体的热负荷分配，防止炉膛局部高温，有效控制了热力型NOx的产生。
（2）利用水平方向的空气分级技术，部分二次风气流在水平方向分级，在始燃烧阶段推迟了空气和煤粉的混合，降低了燃烧器出口的火焰温度，防止了热力型NOx的生成。同时，由于一次风煤粉气流被偏转的二次风气流裹在炉膛中央，形成富燃料区，在燃烧区域及上部四周水冷壁附近则形成富空气区，使主燃烧区的过量空气系数在控制范围内的同时，有效降低了水冷壁的结焦。
（3）煤粉颗粒在还原区的停留时间，增加分离燃尽风与上排一次风喷嘴的间距，延长煤粉颗粒在还原区的停留时间，就可以有更多的NO还原为N2，使NOx充分还原为N2。[6]当燃尽风位置向后推移的同时，也就是增加了主燃烧区的长度。由于主燃烧区处于还原性气氛，也就是增加了NOx在还原区存在的时间，使得更多的NOx被还原，最终NOx的排放也会降低。
（4）在NOx还原区后利用燃尽风创造富氧燃烧区，使在下部燃烧区未燃尽的碳颗粒充分燃尽，降低飞灰含碳量，同时配合利用二次风门开度的调控，确保燃尽区不会产生局部高温，防止热力型NOx的产生。
5 调整的措施和策略
（1）合理调整磨煤机启停台数，当负荷降低时应停运高层磨煤机，以增加燃烧区至燃尽层的距离；同时在负荷变动时，加强对一次风量的调整，以防一次风量过多或风速过高，难以形成“风包粉”的工况。
（2）根据负荷变化，调整合理的过量空气系数，同时，合理的过量空气系数还能防止有效水冷壁结焦和高温腐蚀，保证机组安全运行的可靠性。
（3）根据负荷的变化合理调整二次风挡板开度，在水冷壁四周形成富氧层的同时，还要在锅炉中心形成缺氧的还原区。
（4）合理调整煤粉细度，有效选择最经济的煤粉细度，同时在最经济煤粉细度下调整和制定关于燃烧调整的策略。
6 结论
本文通过分析NOx的生成机理、分级燃烧技术控制NOx排放的原理，得出了燃料型NOx是NOx排放占比最大的部分，分级燃烧技术可以有效控制燃料型NOx，总结了分级燃烧的有效调整手段。在保证有效控制锅炉炉膛出口的NOx排放量的同时，再通过尾部烟道的SCR等措施进一步脱硝，可有效控制NOx的排放量并达到国家环保排放标准。通过燃烧调整NOx排放量后，使SCR系统的喷氨量大大降低，具有明显的经济、实用意义。
参考文献：
[1]何息忠.氮氧化物危害及控制概况.中国化学会应用化学年会，1997
[2]刘勇，吴国忠.NOx的生成机理.油气田地面工程，2007，26（4）：32~33
[3]鄢晓忠，陈冬林，刘亮，王旭伟.煤粉细度对燃烧特性影响的实验研究.动力工程，2007，27（5）：682~686
[4]宋洪鹏，周屈兰，惠世恩，徐通模.过量空气系数对燃气燃烧中NOx生成的影响，2004，1：12~13
[5]赵智华，李孝君.碳还原法处理氮氧化物废气，2002，4：17
[6]吴碧君，刘晓勤.燃烧过程NOx的控制技术与原理，2006，20（2）：29~32