降低天然气燃烧中NOX的排放

降低天然气燃烧中NOX的排放

金晶

浙江浙能电力股份有限公司萧山发电厂

摘要：氮氧化物（NOX）是造成大气污染的主要污染源之一，随着我国经济的不断发展，我国对能源的消费量越来越高，随之而来NOX的污染状况也急剧恶化，其中火力发电、炼铁、化工及汽车排放尤为突出。NOX的排放已引起了中国政府的高度重视，李克强总理在16年两会的政府工作报告中再次强调了超低排放的紧要性，研究与治理NOX成已经成为国内甚至国际环保领域的主要方向。

萧山发电厂今年起已成为一家纯燃机发电厂，虽然比起燃煤电厂及其他重工业领域NOX的产生相对较小，但是作为燃气轮机排放的主要污染物，如何控制降低NOX仍然是我们要去面对的主要课题。

关键词：氮氧化物NOX生成机理控制排放

1氮氧化物NOX简介

氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的氮氧化物有一氧化氮（NO，无色）、二氧化氮（NO2，红棕色）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等，其中除五氧化二氮常态下呈固体外，其他氮氧化物常态下都呈气态。作为空气污染物的氮氧化物（NOx）常指NO和NO2。

造成NOX的产生的原因可分为两个方面：自然发生源和人为发生源。自然发生源除了因雷电和臭氧的作用外，还有细菌的作用。自然界形成的NOX由于自然选择能达到生态平衡，故对大气没有多大的污染。然而人为发生源主要是由于燃料燃烧及化学工业生产所产生的。

氮氧化物的危害很多主要包括：

1.NOX对人体及动物的致毒作用：一旦NO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，引发身体器官病变和癌症。

表1.1详细介绍了NO2对人体的危害

2.对植物的损害作用：产生酸雨、酸雾影响作物产量，使植物叶子枯黄，生命期缩短。

3．NOX与碳氢化合物形成光化学烟雾：比如1946年的洛杉矶光化学烟雾事件。

4.NOX参与臭氧层的破坏：NOX与臭氧反应，使臭氧浓度降低。

2氮氧化物NOX生成机理

从上一章可以看到控制降低NOX的排放是关系到社会民生、人体健康及环境保护的大事，我们要治理NOX，就要对症下药，从根本入手，首先要了解的就是它的生成机理，通俗的话就是NOX是如何产生的，它的生成过程是怎么样的燃料燃烧过程中产生的NOx分成燃料型NOx、热力型NOx和快速型NOx，因本文主要介绍天然气燃烧产生的NOX，因此占比较少的燃料型NOx，可以忽略不计，因此这里主要介绍热力型NOx（thermal—NOx）和快速型NOx（Prompt—NOx）的生成机理。

热力型NOx（thermal—NOx）：是指燃烧用空气中的N2，在高温下氧化而生成的氮氧化物，跟温度密切相关，生成NO所需的活化能很大，通常氧原子与燃料中可燃成分之间的活化能较小，反应较快，因此，NO通常不在火焰面上生成，主要生成区域位于火焰下游高温区。

从上式（捷尔道维奇的NOx生成速率计算式）中可以明显地看出，实际上当燃烧温度低于1800K时，热力NOx生成极少，当温度高于1800K时，反应逐渐明显，随着温度的升高，NOx生成量急剧升高。还有必须防止局部高温和过量空气系数的影响，这些因素都会提高热力型NOx的生成量。

快速型NOx（Prompt—NOx）：是燃料燃烧时空气中的N2生成NO的另一种类型，其生成机理目前尚有争议，其基本现象是碳氢系燃料在过剩空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NO。与温度关系不大，比热力型NOx生成量小一个数量级。

3降低天然气燃烧中NOX的排放

近三十年来，世界各大研究机构与燃气轮机制造商均投入大量的人力物力对降低NOx进行了大量研究工作，开发出了多种燃气轮机燃烧室低排放（尤其是低NOx）技术，如燃烧室内喷水或者喷蒸汽、选择性催化还原（SCR）、干式低排放技术，以及燃油预混预蒸发技术等。

结合自身特点，萧山发电厂#3、#4西门子9F燃机机组对燃烧模式及燃烧设备进行了改进：

1.预混燃烧：

实验结果表明由上一级燃气加热燃料和空气的混合物并参与反应，可以在保证燃烧室燃烧效率的前提下，在一个较宽的运行范围内获得超低的Nox排。

9F燃气轮机采用了预混燃烧作为机组长期运行的燃烧方式，之前的扩散燃烧情况下，天然气直接喷到空气中燃烧，可以理解为富氧燃烧，燃烧热量高，燃烧稳定，但是NOx会大量产生。而采用预混燃烧后，天然气和空气预先以一定的比例混合，燃烧火焰温度低，但是燃烧不稳定。可以理解为缺氧燃烧，因此需要保留一定的扩散燃烧火焰，用以在低负荷时稳定燃烧。预混燃烧避开了NOx大量产生的温度点（大约1800K）从而能大幅度降低NOx产生。

2.调整值班气质量流量

如上所述，预混燃烧需要一定的扩散燃烧火焰来维持稳定，这路扩散气体就是值班气，在维持燃烧稳定的情况下，值班气的质量流量继续调小，可以有效地控制NOx的产生。

3.降低燃机计算出口温度

由于燃烧室出口温度非常高，难以对高温部件及气体进行监测，可以通过调节燃机计算出口温度OTC，进行对燃烧室温度的控制。适当降低OTC，调整燃烧室燃烧温度，可以有效抑制NOx的大量产生。

此外，在众多文献资料中已研究发现低速喷射器用于发电厂的燃气轮机上具有减少大量CO2和NOx排放物的潜力。

在燃气轮机中，低速漩涡喷射器让气态燃料和空气的混合物缓慢旋转喷出，火焰稳定在燃烧室出口外。事实上，低速漩涡喷射器不仅让火焰稳定，而且燃烧的温度比传统的燃烧室更低。由于NOx的产生严重依赖于高温，因此具有低速漩涡喷射器的燃烧室在燃料燃烧时，低温火焰产生的NOx量极低。这将是我们学习研究的新技术之一。

4结论

氮氧化物的超量排放严重影响了人类的生存环境，降低工业和汽车的NOX排放任重道远，加快氮氧化物排放的技术创新和改造是我们的任务和使命。我将立足本职工作，争取在氮氧化物超低排放研究的理论和实践上获得新的突破。

参考文献

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