1.1氮氧化物排放的现状和限制

氮氧化物是煤中含有氧化合物和空气中的氮气与燃烧空气中的氧气在高温燃烧过程中生成的，电站锅炉排放的氮氧化物与锅炉的容量和结构、锅炉的燃烧设备、燃烧的煤种、颅内温度水平和氧浓度分布、锅炉的运行方式等因素有关。

据统计，我国大型常规燃煤电站锅炉NO_X的实际排放浓度范围为500～2000mg/m³（标准状态下，干烟气，按NO₂计，换算到6%O₂，下同）。

实际测试结果显示，对常规燃煤粉的电站锅炉来说，随着燃烧运行中烟气中含氧量的增加，NO_X的生成量和增加的幅度与燃料的种类、燃烧方式以及排渣方式有关。一般情况下，NO_X的排放量，液态排渣燃烧方式较固态排渣高，低挥发分的煤较高挥发分的高，旋流燃烧器较直流燃烧器高。对于大型电站锅炉，虽然其容积热负荷趋于减小，但其炉膛截面热负荷增大，炉内温度水平升高，故NO_X的生成量和排放浓度也增大。因此，大型电站锅炉是控制NOX的主要对象。

我国1997年开始执行的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-1996），对新扩、改建电厂300MW及以上煤粉锅炉机组（蒸发量1000t/h））NO_X排放上限规定，该规定的排放限额与多数工业国家现行标准相当。对绝大部分没有采取任何降低NO_X技术措施的常规燃煤粉电站锅炉，其排放值均明显高于标准中的规定值。

1.2控制氮氧化物排放的技术

（1）低NO_X排放燃烧技术

低NOX排放燃烧技术的特点是通过对运行方式的改进或对燃烧过程进行控制，来抑制燃烧过程中NO_X的最终排放量。

在燃煤过程中排放的众多污染物中，NO_X是唯一可以通过改进燃烧方式来降低其排放量的气体污染物。因此，在诸多降低NO_X排放的技术措施中，通过选择合理燃烧参数和合理组织燃烧过程来减少在燃烧阶段NO_X的生成量，是比较经济且合理地降低NO_X排放的技术措施。

与烟气净化技术相比，这类技术措施比较简单、易行，初期投资较低，运行费用也低得多，但降低NO_X排放的幅度受到一定的限制。

对新设计的、燃烧烟煤的煤粉锅炉，仅通过采用先进的低NO_X燃烧技术措施，即可使NO_X的排放浓度减至未采取任何限制排放措施时排放浓度的50%～60%左右，一般均可以满足我国现行的排放标准。

（2）脱除NO_X的烟气净化技术

烟气净化技术的特点是通过烟气处理技术措施来大大降低在炉内燃烧过程中已生成NO_X排放量。这类烟气净化装置虽能大幅度地降低燃煤锅炉烟气中NO_X的排放浓度，但初期投资巨大，运行费用很高，在我国现行的NOX排放标准下，燃煤电站锅炉尚没有必要采用减排NO_X为目的的烟气净化装置。及时将来NO_X排放限制值更加严格，以至于必须采取烟气净化技术来降低NO_X的排放浓度时，也需要烟气净化前采取成本较低的燃烧技术措施，来尽可能地降低烟气中NO_X的浓度，从而大大消减烟气净化的设备和运行费用。

1.3煤燃烧中NO_X生成机理

在煤燃烧过程中，NO_X形成的途径主要有两条：一是有机地综合在煤中的杂环氮氧化物在高温火焰中发生热分解，并进一步氧化而生成NO_X；二是供燃烧用空气中的氮气在高温状态与氧发生化合反应而生成NO_X。在燃煤粉锅炉中生成的NO_X中，主要是NO_X约占95%，而NO₂仅占5%左右，N₂O等的量很少。

煤燃烧过程中，不仅有生成NOX的化学反应，同时还存在着其中部分NO_X还原成N₂或被破坏的化学反应，何种反应占优，均取决于反应环境如氧化气氛、还原气氛和反应温度等。

煤燃烧过程中所生成的NO_X主要有两种类型：即热力型NO_X和燃烧型NO_X。其各自的来源和生成规律均不同。

（1）热力型NO_X

①化学反应原理

在高温环境下，由燃烧用空气中的氧化生产的NO_X，称之为热力型NO_X，也称为温度型NO_X。热力型NO_X的生成机理已经基本清楚，其生成过程中可由连反应原理来描述，主要的生成反应如下：

    O₂+N→ 2O+N

    O+N₂→ NO+N

    N+O₂→ NO+O

    N+OH→ NO+H

热力型NOX形成的主要控制因素是温度，温度对热力型NO_X的生成速率的影响是呈指数函数关系。实际上，在1350℃的生成量是很少的，但随着温度的升高，NO_X生成量迅速增加，当温度达到1600℃时，NO_X的生成量可占炉内NO_X生成总量的25%～30%。影响热力型NO_X生成的另一个主要原因是反应环境中氧浓度，NO_X生成速率与氧浓度的平方根成正比。

一般情况下，对不同的炉型、不同的燃烧方式以及不同的煤种，其燃烧过程中生成的热力型NO_X的数量变化很大，相应地占NO_X生成总量的份额也不同。比如，在同样过量空气系数的条件下，燃烧低水分、高热值煤时，炉内燃烧温度高，热力型NO_X占NO_X生成总量的份额要高于燃烧高水分、低热值煤的情况。

（2）燃料型NO_X

在煤粉炉中，煤在燃烧时产生的NO_X总量中约占70%～80%是来自燃料型NOX。一般认为，燃料型NO_X是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中发生热分解，并进一步氧化生成的，同时，还存在着NO的还原反应。燃料型NOX的生成与还原机理非常复杂，至今仍不完全清楚。

燃料型NO_X的生成与还原不仅与煤种的特性、煤中氮化合物存在的形态、煤中的氮热解时在挥发分和焦炭中分配的比例和各自的成分有关，还与氧浓度等因素密切相关，燃烧温度也有一定的影响。

①煤中氮化合物存在的形态

a.分氮

挥发分氮是一种不稳定的杂环氮化合物，存在于煤的挥发分中，在燃烧受热时易发生分解，生成挥发性氮化合物，煤中的这部分氮化合物称挥发分氮。一般情况下，当煤中的挥发分析出一部分后，挥发分氮才开始析出，其析出量随着煤的热解温度和加热速率的增加而增加。

b.焦炭氮

焦炭氮是一种相比较稳定的 氮化合物，是在挥发分氮析出后残存于焦炭中的燃料氮，它们以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化合物。

对于烟煤，挥发分氮多于焦炭氮，而低挥发分煤的挥发分氮少于焦炭氮。

②燃料型NO_X的生成途径

a.由挥发分氮转化生成NO_X

在煤燃烧初始阶段的挥发物析出过程中，大部分的挥发分氮（气相氮化合物）随煤中其他挥发物一起释放出来，首先形成中间产物，NHi（i=1，2，3）、CN以及HCN，其中主要是NH₃和HCN。在氧气存在的条件下，含氮的中间产物会进一步氧化而生成NO；在还原性气氛中，则HCN会生成多种胺（NH₃）。胺在氧化气氛中既会进一步氧化成NO，又能与已经生成的NO进行还原反应。

b.由焦炭（固定碳）中燃料氮转化生成NOX

焦炭燃烧时，在焦炭表面生成NO的反应和NO被还原的反应均属于异相反应，其反应机理非常复杂，且尚不完全清楚。一般认为存在以下反应过程。

在燃料过剩的情况下，挥发分氮生成的NO比例下降，异相反应氧化生成的NO份额增加。一般认为，焦炭氮首先转化成HCN，HCN再和氧反应氧化成NO。

      焦炭氮          HCN

      HCN+O₂→ NO+CO+H

NO也可以被HCN还原，

      HCN→N₂+CO+H

NO也可以被焦炭还原，在焦炭表面对已生成的NO的还原反应如下：

     2NO+2C→ N₂+2CO

     2NO+2CO→ N₂+2CO₂

在氧化性气氛中，随着过量空气系数的增加，挥发分氮生成的NO_X将迅速增加。在煤粉燃烧的一般环境下，挥发分氮生成的NO_X通常占燃料型NO_X总量的60%～70%，而焦炭氮所生成的NO_X仅占到30%～40%。

③燃料型NO_X的转化率

煤中的氮化合物由成煤植物中的蛋白质分解而来，煤中氮含量一般在0.5%～2.5%左右。如上所述，在燃烧过程中同时存在着燃料型NO_X的生成与还原过程，因此，并不是燃料中全部的氮在燃烧过程中均会生成NO_X。

对燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中的氮全部转化为NO时的浓度之比称为燃料型NO_X的转化率，即

     转化率=NO的最终生成浓度/燃料氮全部转化为NO的浓度

 也有将转化率定义为转化成NO的氮与原有燃料氮之比，即

     转化率=转化为NO的氮/原始燃料氮

显然，二者是一致的。

1.4燃煤电厂锅炉降低NO_X排放的燃烧技术措施

这一类技术措施主要是对锅炉燃烧装置的运行方式和运行参数进行必要、合理地调整和改进，具有简单易得的特点，可以方便地应用于现有的锅炉设备。但是，此类技术措施降低NO_X的幅度比较有限。

（1）低过量空气系数运行

这是一种降低NO_X生成的最简单、最基本的技术措施，不需要对燃烧设备进行结构上的改进。

根据降低NO_X生成的基本原理，低过量空气系数运行可以抑制NO_X的生成量，对降低燃料型NO_X尤其有效。同时，降低锅炉燃烧总体过量空气系数也是燃烧过程中的优化调整与燃烧器优化运行的必要技术措施，锅炉排烟损失也相应减低。所以，在减少NO_X排放的同时，也有助于提高锅炉运行的经济性。

但是，锅炉实际运行时，其过量空气系数还可能做大幅度的调整，过量空气系数过低时，会带来若干运行上的安全和经济性问题。比如，受热面结渣，金属腐蚀，炉内传热变化、气温特性变化以及飞灰可燃物增加等。

（2）降低燃烧器区域的火焰峰值温度

根据降低NO_X生成的基本原理，降低燃烧区域的火焰峰值温度可以有以下两种抑制NO_X的生成量的措施。

①燃烧器区域的烟气再循环

将排烟中一部分低温烟气（一般占总烟气量的10%以上）直接送入炉膛燃烧器区域，或与燃烧用的空气混合后送入炉膛。因此，炉膛燃烧的火焰峰值温度将有所降低，使热力型NO_X减少。同时，烟气稀释了燃烧空气中的氧气，降低了局部的氧浓度，也使燃料型NO_X降低。

②降低预热空气温度

对于燃烧锅炉首先需要考虑煤粉干燥与着火等因素。在适当降低预热温度下可以降低热力型NO_X的生成。

（3）部分燃烧器运行方式

该运行方式适用于燃烧器多层布置的锅炉，在锅炉正常运行中，根据情况停投最上一层或两层喷口的燃料供应，仅送入空气，将全部燃料集中从炉膛下部的燃烧器送入炉内，在下部的燃烧器区域实现富燃料燃烧。上层送入的空气形成分级燃烧，有利于减少NO_X的生成量。

1.4.2燃烧空气分级技术

燃烧空气分级技术是国内外燃煤粉锅炉上采用最广泛、技术上比较成熟的低NO_X的燃烧主流技术之一。近年来，在我国300MW以上的电站锅炉上均已经得到采用，并取得了良好的效果。空气分级技术分为燃烧器上的空气分级和炉内空气分级，可以在燃烧器的设计中单独采用或在整体炉膛配风设计中同时采用。

（1）空气分级技术的基本原理和影响因素

空气分级技术是通过改进燃烧器的设计或炉膛的配风设计，合理地分配和适时地送入燃烧各阶段所需的空气，在维持锅炉总体过量空气系数较低的基础上，在主燃烧区进一步造成局部缺氧燃烧，创造抑制NO_X生成有利于NO_X还原的气氛环境，在主燃烧区后创造富氧燃烧区，以确保燃料的燃尽。

①基本原理

空气分级技术降低NO_X生成量的基本原理可以描述为：在富燃烧区，燃料在缺氧条件下燃烧，其燃烧速度和燃烧温度均降低，热力型NO_X减少，同时，燃料中释放的含氮中间产物HCN和NH₃等，会将一部分NO还原成N₂，因而抑制燃料型NO_X的生成。到了燃尽区，燃料在富氧的条件下燃尽，虽然不可避免地有一部分残留的氮会在燃尽区的富氧条件下氧化成NO_X，但由于此区域的火焰温度较低，NO_X生成量有限。因此，在空气分级的条件下，总的NO_X生成量是降低的。

②实施空气分级技术的主要影响因素

空气分级燃烧技术会对锅炉的燃烧带来一些不利的影响因素，比如，飞灰可燃物含量有可能增加，使燃烧效率降低；燃烧区域的富燃料所造成的还原气氛环境有加剧水冷壁结渣和金属高温腐蚀的可能性；由于火焰变长可能使炉膛出口烟温度升高，会对过热汽温和再热汽温特性带来影响。因此，空气分级燃烧的设计要在保证锅炉安全经济运行的基础上实现降低NO_X的排放。

在空气分级燃烧的条件下，富燃料区的过量空气系数是影响NO生成浓度和飞灰可燃物含量的主要因素。

随着过量空气系数从化学反应当量值开始降低，NO的生成量减少，但当降低至0.8左右时，NO_X的排放浓度几乎保持不变，含氮中间产物HCN和NH₃等对NO的还原达到某一平衡状态。因此，对降低NO_X生成，过量空气系数存在一个最佳值。另外，对挥发分较高的煤种，空气分级燃烧降低NO_X排放的效果比挥发分较低的煤种更明显，而且高挥发分煤的最佳过量空气系数略低于后者。

对于飞灰可燃物而言，总存在过量空气系数降低，飞灰可燃物增加的规律，并不存在最佳值。因此，在实际运行中，应综合考虑NO_X的降低和煤粉的燃尽率，以及可以采取其他运行措施（比如提高煤粉的细度）。

（2）燃烧器上的空气分级

改进传统煤粉燃烧器设计的核心是通过各种可行技术实现燃烧所需空气的分级送入，在煤粉气流火焰的局部区域造成缺氧燃烧环境。目前，体现空气分级技术的各种类型的低NO_X的煤粉已有十多种。

对于直流煤粉燃烧器和旋流煤粉燃烧器，由于组织煤粉燃烧的方式不同，所以，采用的空气分级方式也不同。