NOx排放及控制措施

在燃烧过程中，主要通过三种形式生成NOx，即热反应型NOx，瞬时反应型NOx和燃料型NOx［28］。

1.热反应型NOx

热反应型NOx是由于燃烧空气中氮在高温下氧化而产生的，这时NO的生成过程是一个不分支的连锁反应。在高温下的氧分子首先离解生成氧原子，然后再发生不分支连锁反应为

随着温度的升高，其反应速率根据阿累尼乌斯定律，按指数规律迅速增加。实验表明，在燃烧温度低于1500°C时，其NO的生成量很小；在超过1500°C时，温度每增加100°C，反应速率将增大6～7倍。由此可见，温度对这种NO的生成具有决定性的影响，故称为热反应型NOx。

2.瞬时反应型NOx

瞬时反应型NOx是由于燃料挥发物中的碳氧化合物高温热分解生成的CH自由基和空气中的氮反应生成HCN和N，在进一步与氧作用以极快的反应速率生成的NOx，其形成时间只需约60ms。燃烧过程中生成的热反应型和瞬时反应型NOx中的N，都是来自空气中的氮。

3.燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中的氮化合物在燃烧过程中氧化而形成的。在600～800°C时就会生成燃料型NOx，因此温度对它的生成影响不大。在垃圾焚烧中所形成的三种形式NOx中，燃料型是主要的。在生成燃料型NOx的过程中，首先是由燃料中含有的氮有机化合物热裂解产生N、CN、HCN和NHi等中间产物基团，然后再氧化生成NOx。

燃料型NOx的生成量和过量空气系数的关系很大，其转化率随过量空气系数的增加而增加。在过量空气系数α＜1时，其转化率会显著降低；比如当α＝0.7时，其转化率接近于零。(www.xing528.com)

在燃烧过程中，降低NOx生成，主要依靠分级燃烧来实现。城市垃圾焚烧炉的NOx抑制界限约100～120ppm，如要进一步降低NOx浓度，一般采用选择性非催化剂脱硝法或选择性催化剂脱硝法，但成本很高。

日本的准连续（16h/d）和连续（24h/d）的垃圾焚烧曾一度采用炉排焚烧炉，从20世纪70年代后半期开始，随着垃圾中塑料、纸含量的增加，垃圾发热量急剧上升，开始逐步采用鼓泡流化床焚烧炉。20世纪60年代中期，氮氧化物造成酸雨的危害引起了人们的广泛关注，1973年第一次对氮氧化物实行了限制，从而开始了抑制从垃圾焚烧炉产生NOx排放的研究。现在运行中的焚烧炉的NOx产生量是50～90ppm，根据设备的运行状况，其产生量最少为20ppm，最高可达150ppm。图4-2表示了焚烧炉形式与NOx的关系，可见炉排和流化床的NOx发生量没有明显的差异，炉排炉的NOx生成量略高。

图4-2　焚烧炉形式和NOx的关系［29］

垃圾焚烧时，通过燃料中的氮氧化产生的NOx大约占整个NOx发生量的90%，减少燃烧区域的空气量对减少燃料型NOx很有效。但是为了防止垃圾中的低沸点以及腐蚀性成分产生熔渣、烧坏炉排，一般使用比燃烧所需理论空气量多0.5～1倍的空气，燃烧温度应控制在1300°C以下。

分级燃烧是沿燃烧室内烟气流动方向，分别在不同位置注入助燃空气的燃烧方式，可以降低NOx的生成，同时能促进具有还原作用的NHn的产生，烟气中的可燃气体与通过从炉膛上部吹入的二次空气、三次空气混合后完全燃烧。NO的还原反应是在O2、NO以及还原剂的共存下，在800°C以上进行的。烟气中的可燃气体中包括NHn、HCN、CHm、吡啶碱等，在燃烧时，这些还原成分中的一部分即可直接被氧化为NOx，另外也能够还原炉膛底部（炉排或密相区）的燃烧过程中产生的NOx，这种氧化和还原过程是一个竞争的过程。在炉膛上部存在的碳微粒也能够部分还原NOx。当炉膛底部的燃烧份额较大时，由于炉底附近的耗氧速度较快，增大了NOx还原的空间，也有利于抑制NOx的产生。此外，一次空气的供入量有一个最佳值，它相当于炉膛底部挥发分燃烧所需要的理论空气量的80%左右。二次空气的给入位置应选择在NHn还原NOx过程接近结束的地方。在实际的焚烧炉中选择二次空气给入位置时，主要根据气体的混合距离决定。尽管不同焚烧设备所需的二次空气供入位置不一样，但是至少要保证含有可燃气体的烟气在高温区（1000°C以上）有1s的燃烧时间。

向焚烧炉内的挥发分燃烧区喷射水或进行烟气再循环，可以降低燃烧室内因空气量减少而导致的温度上升，减少因空气中氮被氧化而生成的热反应型NOx。不过水的注入量和再循环烟气量过多时，有可能引起燃烧的不稳定和CO生成量的增加。表4-9列举了在焚烧炉内降低NOx的方法。

表4-9　在焚烧炉内NOx的降低方法［29］