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1、对燃气燃烧产生氮氧化物污染的控制与清除1002 班 樊森彬20100241摘要：燃气燃料燃烧过程中，为了满足环保要求，最复杂的问题就是如何降低氮氧化物的生成量。当采用高温预热空气时，一方面可使单位燃耗降低，从而污染物排放量相应减少；另方面可使局部火焰温度升高而使 NOx 生成的燃烧方式，一是采用烟气再循环燃烧法；二是采用两段式燃烧法；或者二者结合起来。 本文就针对于燃气燃烧产生氮氧化物生成因素进行分析，以达到控制与降低氮氧化物生成量的目的。关键词：燃气燃烧，氮氧化物，环保正文：1、氮氧化物的性质与危害氮氧化物是常见的空气污染物，通常指一氧化氮和二氧化氮，常以 N02 表示。一氧化氮是一种无色无
2、味的气体，微溶于水。在空气中能迅速变为二氧化氮。二氧化氮有刺激性，在室温下为红棕色，具有较强的腐蚀性和氧化性，易溶于水，在阳光作用下能形成 NO 及03。在氮氧化物高污染区(空气中氮氧化物质量浓度约在 0.20mgm)儿童肺功能和呼吸系统疾病发病率均相对较高。国外调查表明，使用煤气家庭患有呼吸系统症状和疾病的儿童比例增加，且儿童肺功能明显降低。氮氧化物对人体产生危害作用的阈质量浓度为0.310.62mgm。2、氮氧化物生成机理烟气中的 NOx 主要是 NO，约占 90左右，排入大气后部分再氧化成 NO2，故研究 NOx 的生成机理，主要是研究 NO 的生成机理。NO 的生成形式有燃料型、温度型
3、和快速温度型三种。燃烧过程生成的 NO，主要是温度型 NO(TNO)，还有一部分快速温度型 NO(PNO)，亦称瞬时 NO。TNO 生成机理：TNO 是空气中的氮气和氧气在高温下生成的，其生成机理是由前苏联科学家 Zeldvich 于 1964 年提出的。当燃气和空气的混合气燃烧时，生成 NO 的主要反应过程如下：N2+ONO+NN+O2=NO+O按化学反应动力学方程和 Zeldvich 的实验结果，NO 的生成速度可以表示为：式中：NO，N2，O2-NO，N2，O2 的浓度(gmol/cm2)t 一时间(s)T 一反应绝对温度(K)R 一通用气体常数(JgmolK)对氧气浓度大，燃料少的预混
4、合火焰，用(3)式计算的 NO 生成量，其计算结果与实际结果相当一致。但在小于化学当量比，即燃料过浓时，还存在下述反应：N+OH=NO+H从(3)式可知，NO 生成速度与 T、N2、O2有关，由于燃气在空气中燃烧时，氮气浓度变化很小，故N2对 NO 生成速度影响很小，(3)式中O2取决于燃烧过程中燃气与空气的当量比，所以燃烧过程的温度及当量比对 NO 的生成影响很大当燃烧温度低于 1500 摄氏度时，TNO 生成量极少，当燃烧温度高于 1500 摄氏度时，TNO 生成量明显增大。温度每增加100K，NO 生成速度约增大 5 倍，NO 的生成量在燃料过多时，随氧气浓度增大而成比例增大。燃烧温度在
5、当量比等于 1 附近出现最大值，相应的 NO 的生成速度也达到最大值。在过量空气系数远离 1 时，NO 的生成速度将急剧降低。同时 NO 的生成量随烟气在高温区内的停留时间增加而增大。另外，由于(1)式即原子氧 O 和氮分子 N，反应的活化能比原子氧和燃料中可燃成分反应的活化能大，故 NO 的生成速度比燃烧反应慢，所以在火焰中不会生成大量的 NO，NO 的生成过程是在火焰带的后端进行的，也就是说在火焰下游大量生成的。综上所述，影响 TN0 生成的主要因素是温度、氧气浓度和停留时间。PNO 生成机理：快速温度型 NO 是碳氢系燃料在过量空气系数为 0708 并预混燃烧时生成的，其生成地点不是在火
6、焰面的下游，而是在火焰内部。它的生成机理至今还没有明确的结论。Bowman 认为 PNO 的产生，是由于氧原子浓度远超过氧分子离解的平衡浓度的缘故。Fenimore 认为 PNO 是在碳氢化合物燃料过浓燃烧时，先通过燃料产生的 CH 原子团撞击 N2 分子，生成 CN 类化合物，生成的中间产物 N、CN、NCH 等，再进一步被氧化而生成 NO。通常，PNO 的生成量受温度影响不大，且比 TNO 生成量小一个数量级。FNO 的生成：FNO 是以化合物形式存在于燃料中的氮原子，在燃烧过程中被氧化而生成的。燃料中的氮比空气中的氮更容易生成 NO，其生成温度为 600700。气体燃料燃烧，由于其氮含量
7、很低，燃烧过程所生成的燃料型 NO 很少，可以忽略不计。NO2 的生成：NO2 是由 NO 氧化而成，其过程按如下反应进行：NO 十 HO2=NO2+OH一般在预混火焰及扩散火焰的反应区或火焰面下游的低温区能检测出 NO2 的存在，而火焰面下游的高温区产生极少。大量的 NO 转化为 NO2 是在烟气排入大气后进行的。反应速度与空气中 NO 的浓度关系很大，浓度高则 NO2 转化快，否则转化慢。3、应用高温预热空气低氧燃烧控制氮氧化物产生高温空气燃烧技术是田中良一等人在二十世纪八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府资助下，由日本一些企业和研究所共同开发完成。田中良一领导的研究小组以陶瓷蜂窝
8、体作蓄热体，预热空气的温度仅比炉温低 50100；同时，在燃烧区将助燃空气的氧含量由 21%降到 24%，解决了高温空气燃烧下高 NOX 排放问题。使用高温空气燃烧技术，排烟温度低于 150，低温烟气带走的能量只占燃料化学能的 10%左右，炉子的热效率接近90%。使用高温空气燃烧技术的加热炉示意图如下图所示。常温空气流经换向阀进入蓄热室 A，在经过蓄热体（陶瓷小球或蜂窝体）时被加热，在短时间内常温空气被加热到接近炉膛温度；高温空气进入炉膛后，卷吸周围炉内的烟气形成含氧量低于 21%的低氧高温气流，同时向这股气流中注入燃料油或气，使燃料在低氧状态下燃烧；炉膛内燃烧后的烟气流经蓄热室 B 和换向阀
9、排入大气，高温烟气在经过蓄热体时将热量储存在蓄热体内，温度降低至150以下。工作温度不高的换向阀以一定的周期（一般为 30180 秒）进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态。在高温空气燃烧技术中，由于燃烧用空气被预热到800，大大超过了燃气的着火温度，因而燃气只要遇到氧就可发生激烈化学反应，着火、燃烧的稳定性极好。日本对丙烷燃烧的研究表明当空气温度大于 500，含氧量 5%时，仍可获得稳定的燃烧火焰。假如助燃空气中氧浓度较高，在可燃成分生成 h2oco2 时，大量 nox 也被生成。假如氧浓度较低，测燃烧过程将受到燃气和氧的混合过程控制。由于氧气和燃气的燃烧反应活化能低于氧气与氮原子
10、的反应活化能，所以氧气首先与燃气发生燃烧反应。只有当氧气有剩余时，才进行氧原子与氮原子的反应生成 nox。只要合理控制炉内氧气浓度的分布，不出现局部炽热点，抑制最高温度，使炉内温度均匀。实验模拟结果表明，氧浓度为 4%时，火焰最高温度与平均温度之比不大于 1.1，而氧浓度为 21%时此比值为 1.57.实际研究表明当燃烧温度低于1300时，热力型 nox 生成较少。这样尽管空气被预热到很高温度，但由于火焰最高温度相对较低，则 抑制了 nox 的生成。如空气预热到 1150，氧气含量由 21%降到 2%时，nox生成量由 3750mg/m3 减少为 54mg/m3.4、燃料分级燃烧技术控制氮氧化
11、物产生在空气分级燃烧技术中，燃料先进行的是富燃料燃烧，不利于点燃和稳定燃烧，为此燃料再燃烧技术采用的是另一个思路，即燃料先经过完全燃烧，生成 NOx，然后现利用燃料中的还原性物质将其还原，从而减少 NOx排放。与空气分级燃烧技术类似，燃料再燃烧技术有通过燃烧器实现燃料分级和炉膛内燃料再燃两类。 通过燃烧器实现燃料分级。燃料分级燃烧器原理就是在燃烧器内将燃料分级供入，使一次风和燃料入口的着火区在富氧条件下燃烧，提高了着火的稳定性，然后再与上方喷口进入的再燃燃料混合，进行再燃。此类燃烧器中最具代表性的是德国 Steinmuller 公司MSM 低 NOx燃烧器，由于应用并不广，这里不详细介绍。 炉
12、膛内燃料再燃。如图 3-20，燃料再燃法将整个炉膛分成了主燃区、再燃区和燃尽区三个部分。在主燃区，约 80%的燃料在富氧条件下点燃并完全燃烧，此处的过量空气系数保持大于 1，生成一定 NOx；其余的燃料在再燃区送入，与主燃区生成烟气及未燃尽煤粒混合，形成还原性气氛，此处的总的过量空气系数小于 1。燃料中的 C、CO、烃以及部分还原性氮，将 NOx还原成分子氮，如222CONOmHnmnHCNn 22)1(2 最后在再燃区的上方通入过量空气（火上风） ，使总的过量空气系数大于 1，使未燃烧的燃料完全燃烧，因此称为燃尽区。但由于此时的温度已经降低，NO x生成量并不大。燃料再燃烧法的再燃燃料可以选
13、用煤粉、天然气或燃料油等。由于再燃区范围往往较窄，燃料的停留时间较短，因此再燃燃料需要容易着火，如果选用煤粉，通常采用高挥发分的煤种，且磨制成超细粉，这往往使工艺复杂，成本提高。所以采用天然气再燃其工艺就比较简单，同时天然气中杂质氮很少，本身燃烧不会增加 NOx的生成，是比较有效的二次燃料。5、炉内分级燃烧技术炉内燃料分级燃烧技术 目前较为常用的燃料分级燃烧技术为细粉再燃技术，它的基本原理是：细粉在主燃区上部的再燃区富燃料状态下燃烧，生成大量 CH 基团，形成还原性气氛，NO 在遇到烃根 CHi 和未完全燃烧产物 CO、H2、C、CnHm 时，发生 NO 还原反应；另外，细粉具有良好的燃烧特性
14、，燃烧速率更快，极易燃烬，并且在燃烧过程中生成大量的 CO 气体，使碳颗粒表面的还原性气氛增加，还原部分以焦炭氮（CH）形式析出的燃料 NOx，降低NOx 排放的总量。对于电站的燃煤锅炉，可以将从主燃料中分离出的细煤粉颗粒作为细粉送入炉膛内性燃烧，形成还原性气氛。类似于三次风的作用，一方面可以用作部分燃烬风，另一方面其中少 量的细粉颗粒还可以形成还原性气氛，使部分 NOx 还原成 N2。结论：随着国家新的大气排放标准的颁布实施，对电站锅炉的 NOx 排放已提出要求，低NOx 燃烧技术将会得到推广应用，并进一步得到完善。为满足环保要求，采用切实可行的措施及改造方案，降低锅炉的 NOx 排放。如锅炉的燃烧优化调整、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环及低 NOx 燃烧器等。不同的锅炉、不同的燃烧方式及煤种特性，可选用不同的低 NOx 燃烧技术，从燃烧方面达不到标准要求的，须安装脱硝装置，以降低 NOx的排放。参考文献：燃烧与污染控制 同济大学出版社试论燃气燃烧过程氮氧化物的控制 徐永生燃气高温空气燃烧过程中氮氧化物排放特性研究液化石油气低 NOx 燃烧技术探讨 吉林工业技术学院
