氮氧化合物

氮氧化物（NOx）底漆

锅炉中NOx的形成

NOx（氮氧化物）是指燃烧过程中产生的一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和其他微量含氮物质的累积排放。由于高温以及空气和燃料中氧气和氮气的可用性，任何化石燃料的燃烧都会产生一定程度的氮氧化物。

燃烧产生的氮氧化物排放通常为90%至95%的NO和平衡的NO2。然而，一旦烟气离开烟囱，大部分NO最终在大气中被氧化为NO2。正是烟气中的二氧化氮导致了电厂烟囱排放中有时出现的褐色烟羽。

在蒸汽产生过程中有两种主要的氮氧化物形成机制：热氮氧化物和燃料氮氧化物。

热氧化氮

热氮氧化物是指燃烧空气中的氮通过高温氧化而形成的氮氧化物。形成速率是温度和在温度下停留时间的函数。在氧化条件下，NOx的显著水平通常在2200F （1204C）以上形成，随着温度的升高呈指数增长。在这样的高温下，分子氮（N2）和氧（O2）解离成原子态并参与一系列反应。这些反应的产物之一是NO。由于导致完全燃烧的传统因素（高温、长停留时间和高湍流或混合）都倾向于增加NOx的热生成速率，因此需要在有效燃烧和控制NOx生成之间做出某种妥协。

热NOx的形成通常通过降低峰值和平均火焰温度来控制。可控混合燃烧器可以用来减缓燃烧过程。第二种方法是分阶段燃烧，最初只加入部分燃烧空气来燃烧燃料；剩余的空气通过过火空气口单独加入，完成燃烧过程。第三种方法是将一些烟气与燃烧器上的燃烧空气混合，称为烟气再循环（FGR）。这增加了必须由燃料中的化学能加热的气体重量，从而降低了火焰温度。

燃料氧化氮

含氮燃料（如煤和石油）排放氮氧化物的主要来源是在燃烧过程中将燃料结合的氮转化为氮氧化物。实验室研究表明，燃烧残油时，燃料NOx贡献了约50%的不受控制的总排放量，而燃烧煤时，这一比例约为75%。在这些燃料中发现的氮通常作为有机化合物的一部分与燃料结合。在燃烧过程中，氮以自由基的形式释放出来，最终形成NO或N2。虽然它是氮氧化物排放的主要因素，但只有20%至30%的燃料结合氮转化为氮氧化物。

从燃料结合的氮中生成的大部分氮氧化物是通过一系列尚未完全了解的反应产生的。然而，这种转换似乎是通过两条不同的路径发生的，如下所示：

第一种途径是在燃烧的初始阶段氧化挥发性氮。

在挥发性化合物释放期间和氧化之前，氮在富燃料火焰区域反应形成几种中间化合物。然后这些中间化合物在燃烧后被氧化为NO或还原为N2。NO或N2的形成在很大程度上取决于当地的燃料-空气化学计量比（燃料和空气之间发生完全燃烧的比率）。据估计，这种挥发性释放机制占燃料NOx贡献的60 - 90%。

第二种途径是在燃料的焦炭部分燃烧过程中释放氮自由基。这些反应比挥发性物质的反应发生得慢得多。

燃料结合的氮向NOx的转化强烈依赖于燃料-空气化学计量，但相对独立于燃烧区温度的变化。因此，这种转化可以通过在燃烧的初始阶段减少氧气的可用性来控制。诸如控制燃料-空气混合和分阶段燃烧等技术通过控制初始脱挥发区的化学计量来显著减少氮氧化物排放。

减少氮氧化物的方法

控制锅炉中的氮氧化物有多种方法。基于燃烧技术的氮氧化物控制通常是成本最低的解决方案。在需要进一步控制的应用中，可以考虑其他选择，包括燃料转换和/或燃烧后控制，如选择性催化还原。

燃烧控制

燃料-空气的快速混合促进了氮氧化物的形成。这会产生高峰值火焰温度和过量的可用氧，从而促进氮氧化物排放。负责减少氮氧化物形成的燃烧系统的发展包括低氮氧化物燃烧器、分级燃烧技术（过火空气）和烟气再循环（FGR）。具体的NOx还原机制包括控制燃料-空气混合速率、降低初始燃烧区氧气可用性和降低火焰峰值温度。

燃烧后控制

额外的氮氧化物控制技术可以应用于燃烧区的下游，以实现进一步的减少。这些燃烧后控制系统被称为选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。在这两种技术中，通过将一种（或多种）试剂注入烟气中进行一系列反应，将NOx还原为氮气（N2）和水（H2O）。商业应用中最常用的试剂是氨和尿素，用于SCR和SNCR系统。

根据具体应用和空间可用性，SCR可以有效地将离开锅炉的氮氧化物水平降低90%或更高。SNCR通常仅限于较低的氮氧化物减排水平，但根据所需的氮氧化物减排或独特的项目要求，SNCR可能是更经济的选择。这两种技术已成功应用于多种燃料和锅炉类型的氮氧化物减排。

燃烧和燃烧后氮氧化物控制的结合通常是现有装置最经济的方法，对于不能单独通过燃烧方法实现必要的减排的装置来说是必需的。