燃气火焰中热力型NO_x的生成与控制_马晓茜.pdf

马晓茜等?燃气火焰中热力型?、的 生成与控制?月洛沪七二?,?,分,尸卜,十书?,江不日、?、舌人谈?一尸?斗卜一?本泞?左卜?巧试七?户卜习?一厂可仄?二匕?止、?产?目?二 二口?产儿?气?口二甲,?马 晓茜梁淑华?华 南 理工大 学 电 力 学院广 州?一?旧?摘要燃气火焰中热 力型?二以?为主,燃烧温度对?生成起决定作用,空气 系数也主要通过改变燃烧温度影响?生成。燃烧温度大 于?时,有较多?生成。降低燃 烧温度与保持 高效燃烧相协调是控制?、生成的关键。关键词燃气火焰热力型?、温度空气 系数燃烧方式燃烧器?、?一?!?、?、?,?,?!?、?、?一?!、?化石燃料 的直接燃烧 向大 气 排 放的粉尘、?、?、?是 主 要的 大 气污染源。因此,煤的 清 洁 利用成为环境科 学 技术与 能源科学 技 术的交 叉 热 点。煤 的气化 利用,是煤清洁利用的 方向。但是,煤气在高温下燃烧,空气中的?被氧化成热力型?、。随着煤制气、油制气、液化石油气、天然气、焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气等燃气使用规 模的扩大,以及 人们环境意识的进一步 增强,燃气火 焰 中热 力型?、成为人们关注 的对象。嫩烧 产生的?中,?占?一95%。因此,NO、反 应动 力 学 研 究的热点是N O的生成。热力型N O的生成主要取 决于燃烧温 度,故常以降低反应 温度 为抑 制 热 力型N O生成的手段,但这又与 稳 定、高效燃 烧的 技 术 思路相 矛盾。因此,必 须 定量研究反应温度与N O、的关系,为合理 实 现 低N ox燃烧提供理论依据。1热力型N O、生成机理N:在高温 下氧化通过 如下 反应进行:气()芬全()+()(1)凌N+()笼尸兰N+N()(2)k一 l(E,=314kJ/mol,E_,=O)k,()+N哥全 N()+()(3)k一2(E:一29kJ/mol,E。=165 kJ/mol)总反 应式 如下:N。+()夭牛胜ZN()一178kJ/mol(4)这是一 个吸热反 应,正 反应活化能远大于逆反应活化能,故温 度 对N O生成起控制作用。按化学 动 力 学 原 理,有:dN()dr一klN。()一k_、N()N+k:N()2一k一。N()()(5)dNdr=k,N,()一k_,NN()+k:N()()一k:N()2(6)因为N的 变化速 度 较其他成分慢 很 多,dNdT、O,代人式(6)得:环境导报1997年第2期环境科技N-k,N:()+k_。N()()k一,N()+kZ()2匆们代人式(5)整理后得:dN()dr一kIk2()():兀NZ一k!kZN()2()发生沪娜气二,.仍k一。()2+k一,N()宁、.民溉分印即们3 O(苦民,、丫(7)因()2N(),故:k,N()kZ():.对式(7)忽略走:N()项,并考 虑 到():常处于平衡状态,得()=k。()2一z,则式(7)化为:dN()dr一 Z k)k、N:()(8)Ze l dov ich通 过实验 对反 应常数 进 行测定,得:7犯.翻山】1.”.,国】1 9匆2 0国,dN()dr=3又10,4NZ()2exP(一5在20 0 0/R r l)(9)式中:N()、N:、()。分别为3种气 体 浓度,mo l/cm3月为绝对 温度,K;R为气体常数.J八molK)o2影响热力型N ox生成的主要因素2.1温 度的影 响以某 发 生炉煤气 为例,定 量 分 析 给 定工况下N O生成规律。煤气 成 分(容积百分比)如下:C()H:C H。C():N:()ZQ万w(kJ/Nm3)2 3.214.01.25.655.70.34 8 56煤 气燃烧时C O、HZ又 C H,分别 与02反 应,计算知燃 烧lmo l煤 气需理论 氧 气量0.2 1mo l(即空气量lmo l)。设过 量空气系数a一 1.0 5,则可计 算出 总气体 中NZ一3.0XIO5mo l/c m3和()2=4.8 7只 10一mol/em宝,代 人式(9)可计,。dN()。,*。l、,_.、异有号一一万二户一一1;大 示阴不戈L只11汁!1)。U图2N O(T)-T关 系曲线A.N O)了关系曲线B.卜T关 系曲线由图1可 知:N O生成速率是 温度的 强函数。温度每升高IOOK,NO生成速率提高倍 数如下:1 600一1 700为11.0,1700一1 800为8.理,1800一1 900为6.7,19()O一2000为5.6.2000一2 100为4.7。图2给出 了每秒生成 的N()(以N O分子占气体总分子数的百 万分之一 为单位,下同)与T关 系 曲 线A及使N()每 提高100倍所需时间议S)与T关 系曲线B,由此可知:T18 0OK时,随,I 的增大N O量与T成指 数关系 增 长。2.2过 量空气系 数的影 响若不 考 虑 过 量空气系数与炉 温 的关系,仅考虑 它通过影响NZ、0。的 浓度从而 改变N O的生成,从按 式(9)计算绘 得N()一a关系曲线(图3所示)可知:温度一定 时N O生成速率随a的变化 并不明 显。其原因是:dN()dr与NZ、一一一():2只呈线性 关系 而与T呈指数 关系,a变日乙I)洲】2口刃2 10 0一一州/之民d于,日。,百卜P六0 2P图ldN()dr一T关系曲线图3定T值下 N()一Q曲线马晓 茜等/燃气 火焰中热力型N O、的生成与控制化时NZ、02的绝对 量随之改 变而总气体量 也以同样的规律随之改 变。因此NZ、02变化 并不明显,a=0.71.2时NZ增 大1.03倍、()2增 大1.28倍、()2丁2增 大1.13倍,故匹攀卫只增 大1.16倍。U石这种考虑 是不全面的,过 量空气系数将 直接影响燃烧温度。加热炉为例,炉 温计算公式:_ _,月Q:、1一VL万二下7、”甲n+手于t户y吞nC。、k)+2 7 3(1 0)式 中刃为综 合考虑 炉型和保温水 平的 炉温 系数,Cpy、C,k分 别为 烟气和空气的比热,Vn、L。分别为烟气和空气量,tk为预热空气温 度。取专一 0.7 5,对低热值的 发生炉煤 气 取tk600C,al时月=a、a)1时月一 l。由式(10)计算得 到T一a关 系曲线C(见图4)、再 按 对 应 的T,_、.,。dN()一,J、_,、值由式(9)计算得兰气咨二匕一a曲线D(见图4),图以山少、“产护分Vdr一四呐”、2。国丁产”,J4中曲线E反映每秒生成的N()。3热力型N ox的控制技术降低N O、的 方 法主要有两 种:减少烟 气中已生成的N O、和控制火焰 中N O二的生成。前者包 括选择 性非催 化还原法(SN C R)、选择 性 催化还 原 法(SC R)、湿式流 程 的氧化 吸收法、电 子束烟气脱硫 脱硝法、脉冲电晕放电脱硫脱 硝法;后者 则是 通 过调节燃烧工况抑制N()二的生成,主要 方法 有 改进 燃烧方式和低N O、燃烧器,技术思路主 要是 通 过降低火焰温 度减 少热力型N()、的 生成。低N O二燃 烧 方式有:一、分级燃 烧有炉内分级送风和分级 供给燃 料两种方法,目的均 在于使 燃气在 偏 离a一1的工况下 反应以利于控 制火焰 温 度;二、烟气循 环将排 出 的部分低温 烟气同助燃空气在燃 烧器 入口前混合,通过降低 氧浓 度 和增 加 气体吸热降低火焰温度;三、喷射蒸汽或水将适量蒸汽 或水喷人炉膛,蒸汽吸热和水的蒸发都能降低 火焰温度;四、催化反应一一加人催 化剂使反 应在较低温度下进行。低N O、燃烧器大多体现了分级 燃 烧和烟气循环的技 术思想,如日本的F H型燃烧器,。这 种燃烧器 的基本 原理是 助燃空气分级 供人,将燃 烧分为低氧还原区与完全燃烧区,即:初始阶 段供人总 空气量的20%一7 0%,燃烧在低 氧还原状态下进行,因而 火焰温 度比较低,然后再供给 剩余所 需 的空气量使反 应得以充 分地 进行。日本的 另一 种低N ox燃烧器FDI燃烧器则体现了烟 气循环的思想,这种F D I燃烧器 的 基 本原 理是:80%的燃 料由喷头的轴向喷出、20%由径向喷出,利用大 速 差射流 产生负 压区使烟气回流,从 而降低火 焰 温度。另外,还有许 多其 他的低N ox燃 烧器,例如:用 于燃 气锅炉 的X B、TRW、SRG、GEA燃 烧器,用于 金属热处理炉的H S、TS、PAX燃 烧器,用于熔 炼炉的H AM燃烧器,用于锻 造炉的T G S、LFS燃烧器,它们都可以将NO、的浓 度比普通燃 烧器降低30%一50%刽。吐结束语燃 气火焰中热 力型N O、生成量 是 温 度 的l 9亏-户-资沈f l 2嗽u二到郭,dN O产、,、,.,卜IL一一丫仁了一、匕工、L 少J)一a天示田找U伪伪佣切的14四I 8(l 7(以l 5(图名、C:了一a关 系曲线D:dN()dt一a关 系曲线E:N()一a关系曲线由图4可知:一、a1.0,T值反 而降低,这是因为空气量增 多吸热 增 多使火 焰温 度下降;a一 1.0(即燃一空 比在 化学当 量比处),T最 大,因为这时煤气已可完全燃烧空气量又少于a1.0时 的情况。二、NO生成速率,每秒生成 的N()与T的 变化规律一致。三、a0.8时生成的N()几乎可忽 略。显然,调节 过 量空气系数实质是通 过改 变火 焰温度来改 变热 力型N()、的 生成。另外,在 缺氧的还原 环 境 中生成的N O可少部分还 原 为NZ。环境导报1997年第2期环境科技镍对厌氧微生物生长促进作用的研究徐方(东南大 学 环 境 工 程 研 究 所南京210018)Re s e arehof Catalysisof N iZ+toAna erobieMie robeXuFang摘要研究N i2+时厌氧微生物生长 的促进作用,以产气量和最大比产气速率为指标,比较不同浓度N i洲溶液 对厌氧细菌活性的影响。试验表明,N iZ+浓度为1.omg/l时对厌氧微生物生长的促进作用最佳。关键词N洲厌氧微生物催化作用Ab straetT heeatalysisof N iZ+to the anaerobiemierobewere studied.In ordertoseleetthemostappropriate eoneen tration ofCatalyst,thegasproduetion吕ndmaximum、pe eif i。ga,produ e tion:at。fana e rob iesludgewe r est ud ied.Ther e sultsshowedthatwhe nthee o n e e ntr a tio nwaslmg/l,theeatalysisofNiZ卜totheana e robiemier obewasthebest.KeyWordsNiZ 舟Ana e robiemie robeCatalysis生物处理中某 些 物 质 是微生物细胞合成所必 需的,适当的 含 量可以加 速 细胞的合成;有 些物 质(包 括一些无机盐)虽然微生物对 它们的需要 量 甚微,但对 维持正常生长却很 重要川。试验已选 出对 厌氧微生物生长和 生物化 学反 应促 进作用最 好的镍2,本试验旨在 得 出N犷净在何种浓度范围内催化效果最佳。1厌 氧反应 器中微生物活性的判定指标为了测定不 同 浓 度N iZ+对 厌 氧微生物活性的影响,本试验设 计了一套间歇反 应装置,以最大比产气速率和产气量增加为 指标来测定厌氧污 泥(微生物)的 活性。McCa rt y等人 指 出,厌氧 降解葡 萄 糖、丙酸、丁酸等 有机 物 的微生物比增长 速率可 用Mo no d式表示f3勺,由 Mono d方程导 出的基质降解 式可表示如下:些dtU。、SXK+S(1)式中:S为基质浓度,g/l;t为 时间,d;U气、为基质 最 大比降解 速率,l/d;x为微生物浓度,gVSS/l;K,为饱和常数,g/l。厌氧消化污泥 净 产率系数较小(约0.0 4一强函数,调 节 过量空气系数主要 是 通 过改变燃烧温度来控制N()、生成。燃烧温度 小于1 800K时生成的热力型N O、几乎可以忽略,但超 过1 800K后有较多的热力型N()、生成。低N ox燃烧方 式 与低N O、燃烧 器既要满足 工艺和稳燃所 需 的燃烧温 度,又要使燃 烧温度 低于1 800K以抑制热力型N()、的生成。2O参考文献1张路宁,赵 军.工 业炉 窑燃烧过程中热 力N()、的 生成与 控 制 技术.工业炉,1995,17()2李 多芬.工 业燃 气装置低氮氧 化物燃烧 技术 的 发 展 途 径.煤气 与热 力,1994,(l):2832(收稿1996一0 6一 18)作者简 介马 晓茜:工学博士,3 3岁,从事煤的高效低污染 燃烧研究,已发表论文3 0余篇。