对燃气燃烧产生氮氧化物污染的控制与清除

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0.20mg／m³)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0.31～0.62mg／m³。

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、温度型和快速温度型三种。燃烧过程生成的NO，主要是温度型NO(T—NO)，还有一部分快速温度型NO(P—NO)，亦称瞬时NO。

T—NO生成机理：T—NO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+O＝NO+N

N+O2=NO+O⑵

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：

⑶

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(J／gmol．K)

对氧气浓度大，燃料少的预混合火焰，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，T—NO生成量极少，当燃烧温度高于1500摄氏度时，T—NO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T—N0生成的主要因素是温度、氧气浓度和停留时间。

P—NO生成机理：快速温度型NO是碳氢系燃料在过量空气系数为0．7—0．8并预混燃烧时生成的，其生成地点不是在火焰面的下游，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P—NO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P—NO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，P—NO的生成量受温度影响不大，且比T—NO生成量小一个数量级。

F—NO的生成：F—NO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600℃—700℃。气体燃料燃烧，由于其氮含量很低，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体作蓄热体，预热空气的温度仅比炉温低50～100℃；同时，在燃烧区将助燃空气的氧含量由21%降到2～4%，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30～180秒）进行切换，使两个蓄热体处于蓄热与放热交替工作状态。