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液化石油气低NOx燃烧技术探讨

时间:2007-1-27栏目:化学化工论文

随着燃气事业的发展,我国燃料结构发生了很大的变化,燃煤向燃气转换,天然气置换人工煤气,既满足了人民生活水平提高的要求,也使环境质量有了很大的改善。一直以来,液化石油气就是燃气供应中不可缺少的重要组成部分,特别是在城市煤气管网达不到的地方以及城市煤气的发展不能及时满足供应的城乡地区,都需要大量使用液化石油气。

任何燃气燃烧设备在供给热能的同时,都要产生大量烟气p烟气中的有害成分会直接污染大气或首先污染室内空气而后再污染大气。燃气燃烧产生的烟气中的污染物质主要有CO、SO2和NOx,其中CO和SO2对环境的污染和对人体的危害已广为人知,人们通过来取各种措施,有效地降低了CO和SO2的生成。NOx对环境的污染和对人类健康的危害,本世纪四十年代才引起科学家的注意。NOx包括NO、NO2,N2O、N2O3,N2O4、N2O5等,烟气中的NOx主要是NO和NO2。NO的毒性很大,它极易与血液中的血色素Hb结合,造成血液缺氧而引起中枢神经麻痹,NO与血红蛋白的亲合能力约为CO的数百倍至千倍。NO2是黄棕色有刺激性气味的气体,毒性比NO高4—5倍,它能刺激呼吸系统,引起肺气肿。人在NO2浓度为16.9ppm下暴露10分钟,就会产生呼吸困难和支气管痉挛现象,NO2浓度为90—100ppm时,接触三小时即可致人死亡。NOx不仅造成一次污染,还会对环境造成二次污染,排放到大气中的NOx遇到碳氢化合物时,在太阳光中紫外线的作用下发生光化学反应,生成具有刺激性的浅蓝色烟雾,造成严重的光化学烟雾污染。此外,由氮氧化物生成的硝酸与氧化硫生成的硫酸等一起将形成酸雨。

光化学烟雾污染和酸雨不仅对人有严重危害,对植物、建筑物、水源等都有严重的污染和损害。可见,NOx对环境污染及人体健康的危害是极其严重的。

大气中的NOx主要来自燃料燃烧,因此控制燃烧过程NOx的生成与排放是保护环境的根本方法。降低燃气用具NOx的生成与排放,以保护环境质量,是急待解决的问题。一些发达国家早在七十年代就开始制定燃气设备NOx的排放标准,如80年代初美国和日本对小型燃气锅炉制定的NOx的排放标准为100ppm和150ppm。我国虽于1982年制定了大气环境质量标准,但尚未就燃气设备NOx的排放制定标准,但越来越多的业内人士已开始呼吁,北京市环保局已对燃气锅炉NOx的排放指标提出要求。

影响NOx生成的因素有很多,不同燃气气质对NOx生成有重要的影响,在焦炉气、天然气、液化石油气三种气源中,燃烧液化石油气产生的NOx最多,其数值远远高于其它两种气体。因此,减少液化石油气燃具NOx的排放量更具有重要的意义。

1 NOx的生成机理

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。

1.1 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 ⑴

N+O2=NO+O      ⑵

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(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,如图l、图2所示:

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。由图1、图2可见,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)式即原子氧哦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。

1.2. 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

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