1、對(duì)燃?xì)馊紵a(chǎn)生氮氧化物污染的控制與清除1002班 樊森彬20100241摘要：燃?xì)馊剂先紵^(guò)程中，為了滿足環(huán)保要求，最復(fù)雜的問(wèn)題就是如何降低氮氧化物的生成量。當(dāng)采用高溫預(yù)熱空氣時(shí)，一方面可使單位燃耗降低，從而污染物排放量相應(yīng)減少；另方面可使局部火焰溫度升高而使NOx 生成的燃燒方式，一是采用煙氣再循環(huán)燃燒法；二是采用兩段式燃燒法；或者二者結(jié)合起來(lái)。 本文就針對(duì)于燃?xì)馊紵a(chǎn)生氮氧化物生成因素進(jìn)行分析，以達(dá)到控制與降低氮氧化物生成量的目的。關(guān)鍵詞：燃?xì)馊紵趸?，環(huán)保正文：1、氮氧化物的性質(zhì)與危害    氮氧化物是常見(jiàn)的空氣污染物，通常指一氧化氮和二氧化氮，常以N

2、02表示。一氧化氮是一種無(wú)色無(wú)味的氣體，微溶于水。在空氣中能迅速變?yōu)槎趸６趸写碳ば?，在室溫下為紅棕色，具有較強(qiáng)的腐蝕性和氧化性，易溶于水，在陽(yáng)光作用下能形成NO及03。    在氮氧化物高污染區(qū)(空氣中氮氧化物質(zhì)量濃度約在0.20mgm³)兒童肺功能和呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)病率均相對(duì)較高。國(guó)外調(diào)查表明，使用煤氣家庭患有呼吸系統(tǒng)癥狀和疾病的兒童比例增加，且兒童肺功能明顯降低。氮氧化物對(duì)人體產(chǎn)生危害作用的閾質(zhì)量濃度為0.310.62mgm³。 2、氮氧化物生成機(jī)理煙氣中的NOx主要是NO，約占90左右，排入大氣后部分再氧化成NO2，故研究NOx

3、的生成機(jī)理，主要是研究NO的生成機(jī)理。NO的生成形式有燃料型、溫度型和快速溫度型三種。燃燒過(guò)程生成的NO，主要是溫度型NO(TNO)，還有一部分快速溫度型NO(PNO)，亦稱瞬時(shí)NO。TNO生成機(jī)理：TNO是空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷叵律傻?，其生成機(jī)理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldvich于1964年提出的。當(dāng)燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚馊紵龝r(shí)，生成NO的主要反應(yīng)過(guò)程如下：N2+ONO+NN+O2=NO+O按化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和Zeldvich的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，NO的生成速度可以表示為：式中：NO，N2，O2-NO，N2，O2的濃度(gmol/cm2)t一時(shí)間(s)T一反應(yīng)絕對(duì)溫度(K)R一通用氣體常數(shù)(Jgmol

4、K)對(duì)氧氣濃度大，燃料少的預(yù)混合火焰，用(3)式計(jì)算的NO生成量，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相當(dāng)一致。但在小于化學(xué)當(dāng)量比，即燃料過(guò)濃時(shí)，還存在下述反應(yīng)：N+OH=NO+H從(3)式可知，NO生成速度與T、N2、O2有關(guān)，由于燃?xì)庠诳諝庵腥紵龝r(shí)，氮?dú)鉂舛茸兓苄?，故N2對(duì)NO生成速度影響很小，(3)式中O2取決于燃燒過(guò)程中燃?xì)馀c空氣的當(dāng)量比，所以燃燒過(guò)程的溫度及當(dāng)量比對(duì)NO的生成影響很大當(dāng)燃燒溫度低于1500攝氏度時(shí)，TNO生成量極少，當(dāng)燃燒溫度高于1500攝氏度時(shí)，TNO生成量明顯增大。溫度每增加100K，NO生成速度約增大5倍，NO的生成量在燃料過(guò)多時(shí)，隨氧氣濃度增大而成比例增大。燃燒溫度在當(dāng)量比

5、等于1附近出現(xiàn)最大值，相應(yīng)的NO的生成速度也達(dá)到最大值。在過(guò)量空氣系數(shù)遠(yuǎn)離1時(shí)，NO的生成速度將急劇降低。同時(shí)NO的生成量隨煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間增加而增大。另外，由于(1)式即原子氧O和氮分子N，反應(yīng)的活化能比原子氧和燃料中可燃成分反應(yīng)的活化能大，故NO的生成速度比燃燒反應(yīng)慢，所以在火焰中不會(huì)生成大量的NO，NO的生成過(guò)程是在火焰帶的后端進(jìn)行的，也就是說(shuō)在火焰下游大量生成的。綜上所述，影響TN0生成的主要因素是溫度、氧氣濃度和停留時(shí)間。PNO生成機(jī)理：快速溫度型NO是碳?xì)湎等剂显谶^(guò)量空氣系數(shù)為0708并預(yù)混燃燒時(shí)生成的，其生成地點(diǎn)不是在火焰面的下游，而是在火焰內(nèi)部。它的生成機(jī)理至今還沒(méi)有明

6、確的結(jié)論。Bowman認(rèn)為PNO的產(chǎn)生，是由于氧原子濃度遠(yuǎn)超過(guò)氧分子離解的平衡濃度的緣故。Fenimore認(rèn)為PNO是在碳?xì)浠衔锶剂线^(guò)濃燃燒時(shí)，先通過(guò)燃料產(chǎn)生的CH原子團(tuán)撞擊N2分子，生成CN類化合物，生成的中間產(chǎn)物N、CN、NCH等，再進(jìn)一步被氧化而生成NO。通常，PNO的生成量受溫度影響不大，且比TNO生成量小一個(gè)數(shù)量級(jí)。FNO的生成：FNO是以化合物形式存在于燃料中的氮原子，在燃燒過(guò)程中被氧化而生成的。燃料中的氮比空氣中的氮更容易生成NO，其生成溫度為600700。氣體燃料燃燒，由于其氮含量很低，燃燒過(guò)程所生成的燃料型NO很少，可以忽略不計(jì)。NO2的生成：NO2是由NO氧化而成，其過(guò)程

7、按如下反應(yīng)進(jìn)行：NO十HO2=NO2+OH一般在預(yù)混火焰及擴(kuò)散火焰的反應(yīng)區(qū)或火焰面下游的低溫區(qū)能檢測(cè)出NO2的存在，而火焰面下游的高溫區(qū)產(chǎn)生極少。大量的NO轉(zhuǎn)化為NO2是在煙氣排入大氣后進(jìn)行的。反應(yīng)速度與空氣中NO的濃度關(guān)系很大，濃度高則NO2轉(zhuǎn)化快，否則轉(zhuǎn)化慢。3、應(yīng)用高溫預(yù)熱空氣低氧燃燒控制氮氧化物產(chǎn)生高溫空氣燃燒技術(shù)是田中良一等人在二十世紀(jì)八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府資助下，由日本一些企業(yè)和研究所共同開發(fā)完成。田中良一領(lǐng)導(dǎo)的研究小組以陶瓷蜂窩體作蓄熱體，預(yù)熱空氣的溫度僅比爐溫低50100；同時(shí)，在燃燒區(qū)將助燃空氣的氧含量由21%降到24%，解決了高溫空氣燃燒下高NOX排放

8、問(wèn)題。使用高溫空氣燃燒技術(shù)，排煙溫度低于150，低溫?zé)煔鈳ё叩哪芰恐徽既剂匣瘜W(xué)能的10%左右，爐子的熱效率接近90%。使用高溫空氣燃燒技術(shù)的加熱爐示意圖如下圖所示。常溫空氣流經(jīng)換向閥進(jìn)入蓄熱室A，在經(jīng)過(guò)蓄熱體（陶瓷小球或蜂窩體）時(shí)被加熱，在短時(shí)間內(nèi)常溫空氣被加熱到接近爐膛溫度；高溫空氣進(jìn)入爐膛后，卷吸周圍爐內(nèi)的煙氣形成含氧量低于21%的低氧高溫氣流，同時(shí)向這股氣流中注入燃料油或氣，使燃料在低氧狀態(tài)下燃燒；爐膛內(nèi)燃燒后的煙氣流經(jīng)蓄熱室B和換向閥排入大氣，高溫?zé)煔庠诮?jīng)過(guò)蓄熱體時(shí)將熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱體內(nèi)，溫度降低至150以下。工作溫度不高的換向閥以一定的周期（一般為30180秒）進(jìn)行切換，使兩個(gè)蓄熱體處

9、于蓄熱與放熱交替工作狀態(tài)。在高溫空氣燃燒技術(shù)中，由于燃燒用空氣被預(yù)熱到800，大大超過(guò)了燃?xì)獾闹饻囟龋蚨細(xì)庵灰龅窖蹙涂砂l(fā)生激烈化學(xué)反應(yīng)，著火、燃燒的穩(wěn)定性極好。日本對(duì)丙烷燃燒的研究表明當(dāng)空氣溫度大于500，含氧量5%時(shí)，仍可獲得穩(wěn)定的燃燒火焰。假如助燃空氣中氧濃度較高，在可燃成分生成h2oco2時(shí)，大量nox也被生成。假如氧濃度較低，測(cè)燃燒過(guò)程將受到燃?xì)夂脱醯幕旌线^(guò)程控制。由于氧氣和燃?xì)獾娜紵磻?yīng)活化能低于氧氣與氮原子的反應(yīng)活化能，所以氧氣首先與燃?xì)獍l(fā)生燃燒反應(yīng)。只有當(dāng)氧氣有剩余時(shí)，才進(jìn)行氧原子與氮原子的反應(yīng)生成nox。只要合理控制爐內(nèi)氧氣濃度的分布，不出現(xiàn)局部熾熱點(diǎn)，抑制最高溫度，使

10、爐內(nèi)溫度均勻。實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表明，氧濃度為4%時(shí)，火焰最高溫度與平均溫度之比不大于1.1，而氧濃度為21%時(shí)此比值為1.57.實(shí)際研究表明當(dāng)燃燒溫度低于1300時(shí)，熱力型nox生成較少。這樣盡管空氣被預(yù)熱到很高溫度，但由于火焰最高溫度相對(duì)較低，則 抑制了nox的生成。如空氣預(yù)熱到1150，氧氣含量由21%降到2%時(shí)，nox生成量由3750mg/m3減少為54mg/m3.4、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)控制氮氧化物產(chǎn)生在空氣分級(jí)燃燒技術(shù)中，燃料先進(jìn)行的是富燃料燃燒，不利于點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒，為此燃料再燃燒技術(shù)采用的是另一個(gè)思路，即燃料先經(jīng)過(guò)完全燃燒，生成NOx，然后現(xiàn)利用燃料中的還原性物質(zhì)將其還原，從而減少NOx

11、排放。與空氣分級(jí)燃燒技術(shù)類似，燃料再燃燒技術(shù)有通過(guò)燃燒器實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)和爐膛內(nèi)燃料再燃兩類。 通過(guò)燃燒器實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)。燃料分級(jí)燃燒器原理就是在燃燒器內(nèi)將燃料分級(jí)供入，使一次風(fēng)和燃料入口的著火區(qū)在富氧條件下燃燒，提高了著火的穩(wěn)定性，然后再與上方噴口進(jìn)入的再燃燃料混合，進(jìn)行再燃。此類燃燒器中最具代表性的是德國(guó)Steinmuller公司MSM低NOx燃燒器，由于應(yīng)用并不廣，這里不詳細(xì)介紹。 爐膛內(nèi)燃料再燃。如圖3-20，燃料再燃法將整個(gè)爐膛分成了主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)三個(gè)部分。在主燃區(qū)，約80%的燃料在富氧條件下點(diǎn)燃并完全燃燒，此處的過(guò)量空氣系數(shù)保持大于1，生成一定NOx；其余的燃料在再燃區(qū)送入，與主

12、燃區(qū)生成煙氣及未燃盡煤?；旌?，形成還原性氣氛，此處的總的過(guò)量空氣系數(shù)小于1。燃料中的C、CO、烴以及部分還原性氮，將NOx還原成分子氮，如最后在再燃區(qū)的上方通入過(guò)量空氣（火上風(fēng)），使總的過(guò)量空氣系數(shù)大于1，使未燃燒的燃料完全燃燒，因此稱為燃盡區(qū)。但由于此時(shí)的溫度已經(jīng)降低，NOx生成量并不大。燃料再燃燒法的再燃燃料可以選用煤粉、天然氣或燃料油等。由于再燃區(qū)范圍往往較窄，燃料的停留時(shí)間較短，因此再燃燃料需要容易著火，如果選用煤粉，通常采用高揮發(fā)分的煤種，且磨制成超細(xì)粉，這往往使工藝復(fù)雜，成本提高。所以采用天然氣再燃其工藝就比較簡(jiǎn)單，同時(shí)天然氣中雜質(zhì)氮很少，本身燃燒不會(huì)增加NOx的生成，是比較有效的

13、二次燃料。5、爐內(nèi)分級(jí)燃燒技術(shù)爐內(nèi)燃料分級(jí)燃燒技術(shù) 目前較為常用的燃料分級(jí)燃燒技術(shù)為細(xì)粉再燃技術(shù)，它的基本原理是：細(xì)粉在主燃區(qū)上部的再燃區(qū)富燃料狀態(tài)下燃燒，生成大量CH基團(tuán)，形成還原性氣氛，NO在遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C、CnHm時(shí)，發(fā)生NO還原反應(yīng)；另外，細(xì)粉具有良好的燃燒特性，燃燒速率更快，極易燃燼，并且在燃燒過(guò)程中生成大量的CO氣體，使碳顆粒表面的還原性氣氛增加，還原部分以焦炭氮（CH）形式析出的燃料NOx，降低NOx排放的總量。對(duì)于電站的燃煤鍋爐，可以將從主燃料中分離出的細(xì)煤粉顆粒作為細(xì)粉送入爐膛內(nèi)性燃燒，形成還原性氣氛。類似于三次風(fēng)的作用，一方面可以用作部分燃燼風(fēng)，另一方面其中少 量的細(xì)粉顆粒還可以形成還原性氣氛，使部分NOx還原成N2。結(jié)論：隨著國(guó)家新的大氣排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，對(duì)電站鍋爐的NOx排放已提出要求，低NOx燃燒技術(shù)將會(huì)得到推廣應(yīng)用，并進(jìn)一步得到完善。為滿足環(huán)保要求，采用切實(shí)可行