锅炉中氮氧化物的生成原理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,锅炉中氮氧化物的生成原理,锅炉中氮氧化物的生成原理,1,1,、,NOx,的形成与分类,氮氧化物：,NO,，,NO,2,，,N,2,O,、,N,2,O,3,，,N,2,O,4,，,N,2,O,5,等，但在燃烧过程中生成的氮氧化物，几乎全是,NO,和,NO,2,。通常把这两种氮的氧化物称为,NOx,。,煤炭、天然气、重油等天然矿物燃料在燃烧过程生成的氮氧化物中，,NO,占,90%,左右，其余为,NO,2,。,1,概 述,2,1、NOx的形成与分类1 概 述 2,燃料燃烧过程生成的,NOx,，按其形成分类，可分为三种：,热力型,NOx,（,Thermal NOx,），它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的,NOx,快速型,NOx,（,Prompt NOx,），它是燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如,CH,等反应生成的,NOx,燃料型,NOx,（,Fuel NOx,），它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又接着氧化而生成的,NOx,3,燃料燃烧过程生成的NOx，按其形成分类，可分为三种：热力型N,NOx,的生成是燃烧反应的一部分。空气中的氮和氧在高温下生成一氧化氮的反应，可用下式表示：,N,2,+O,2,2,NO,在讨论某些问题时，只写出这一结果也就够了。但实际的燃烧反应是极其复杂的化学反应过程，有许多问题必须研究反应的中间过程才能找到解决的办法。,锅炉燃烧过程中，按上式反应生成的,NO,非常少，而是经过复杂的反应过程而生成的。,4,NOx的生成是燃烧反应的一部分。空气中的氮和氧在高温下生成一,2,、氮氧化物的基本特性,NO,是无色无臭的气体，分子量为,30.01,，其融点为,-16l,，沸点为,-152,。,NO,略溶于水，在空气中易氧化为,NO,2,NO,2,是一种红棕色有害的恶臭气体。其含量为,0.1ppm,时即可嗅到，,14ppm,时，有恶臭，而达到,25ppm,时，则恶臭难闻。它的分子量为,46.01,。密度约为空气的,1.5,倍。,氮氧化物进入大气后发生一系列变化，它在空气中的含量始终处在变动之中，既有日变化，又有季节变化。在一天中，其含量早上最高，傍晚次高，午后最低；在一年中，冬季高，夏季低,5,2、氮氧化物的基本特性 NO是无色无臭的气体，分子量为30.,氮氧化物的变动主要由于光化学作用，它与阳光强弱密切相关,从图中可看出，早上,NO,2,含量最高，随着太阳上升，光照加强，光化学作用逐渐加快，消耗,NO,2,不断增加，形成的,O,3,随之增多，一直到午后,2,时左右，光化学作用达最高点，此时,NO,2,含量最低。以后阳光逐渐减弱，,NO,2,消耗逐渐减少，傍晚又出现了次高点,6,氮氧化物的变动主要由于光化学作用，它与阳光强弱密切相关从图中,3,、氮氧化物的危害,氮氧化物对人类健康的影响,对森林和作物生长的影响,对全球气候变化的影响以及对高空臭氧层的破坏,7,3、氮氧化物的危害氮氧化物对人类健康的影响7,4,、煤燃烧过程中的氮氧化物,煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮（,NO,，占,90%,以上）和二氧化氮（,NO,2,，占,510%,）。此外，还有少量的氧化二氮（,N,2,O,，只占,1%,左右）产生。,和,SO,2,的生成机理不同，在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式，特别是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切,以煤粉燃烧为例，在不加控制时，液态排渣炉的,NOx,排放值要比固态排渣炉的高得多。即使是固态排渣炉，燃烧器布置方式不同时不加控制的,NOx,的排放值也很不相同。,8,4、煤燃烧过程中的氮氧化物煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一,煤粉炉的,NOx,排放值和燃烧方式及锅炉容量的关系,9,煤粉炉的NOx排放值和燃烧方式及锅炉容量的关系 9,煤粉燃烧所生成的,NOx,中，燃料型,NOx,是最主要的，它占,NOx,总生成量的,6080%,以上；热力型,NOx,的生成和燃烧温度的关系很大，在温度足够高时，热力型,NOx,的生成量可占到,NOx,总量的,2030%,；快速型,NOx,在煤燃烧过程中的生成量很小,10,煤粉燃烧所生成的NOx中，燃料型NOx是最主要的，它占NOx,若燃料,N,全部转变为燃料,NOx,，则燃料中,1%N,燃烧生成,NOx,为,1300ppm,，实际上燃料,N,只是一部分转变为,NOx,，取转变率为,25%,，则燃料,NOx,为,325ppm,，即,650mg/Nm,3,。,热力,NOx,一般占总,NOx,的,20%,30%,，现取,25%,，即为,217 mg/Nm,3,。,因此，总的,NOx,生成量为,867 mg/m,3,。,若锅炉采用了低,NOx,燃烧器、顶部燃尽风等分级燃烧、以及提高煤粉细度和低,措施等，炉内脱硝率可达,NOx,50%,，因此预计,NOx,排放浓度,433mg/Nm,3,。,11,若燃料N全部转变为燃料NOx，则燃料中1%N燃烧生成NOx为,煤粉燃烧中各种类型,NOx,的生成量和炉膛温度的关系,12,煤粉燃烧中各种类型NOx的生成量和炉膛温度的关系 12,2,热力型,NOx,的生成机理,热力型,NOx,是燃烧时空气中的氮（,N,2,）和氧（,O,2,）在高温下生成的,NO,和,NO,2,O,2,十,M2O,十,M,O,十,N,2,NO,十,N,N,十,O,2,NO,十,O,因此，高温下生成,NO,和,NOx,的总反应式为,N,2,十,O,2,2NO,NO,十,1/2O,2,NO,2,Zeldovich,捷里多维奇机理,13,2 热力型 NOx的生成机理 热力型NOx是燃烧时空气中,N,2,和,O,2,生成,NO,的平衡常数,Kp,当温度低于,l000K,时,Kp,值非常小，也就是,NO,的分压力,(,浓度,),很小,14,N2和O2生成NO的平衡常数Kp 当温度低于l000K时Kp,温度和,N,2,O,2,(ppm),初始比对,NO,平衡浓度的影响,40N,2,O,2,(ppm),是,N,2,和,O,2,之比为,40:1,的情况，这大致相当于过量空气系数为,1.1,时的烟气,15,温度和N2O2(ppm)初始比对NO平衡浓度的影响 40N,NO,氧化成,NO,2,反应的平衡常数,Kp,由表可以看出,Kp,随温度的升高反而减小，因此低温有利于,NO,氧化成,NO,2,。当温度升高超过,1000,时，,NO,2,大量分解为,NO,，这时,NO,2,的生成量比,NO,低得多,16,NO氧化成NO2反应的平衡常数Kp 由表可以看出Kp随温度的,在不同温度下,NO,和,NO,2,的平衡浓度计算值,在燃烧温度大于,1200,的常规燃煤设备中，在不采取控制措施时，将会有数百,ppm,至,1000ppm,的,NO,生成，但,NO,2,的生成量几乎可以忽略不计,当烟气温度降低至排烟温度的水平时，理论上讲烟气中所有的,NO,将氧化成,NO,2,，但实际上排烟中,90%95%,的,NOx,仍然是,NO,17,在不同温度下NO 和NO2的平衡浓度计算值 在燃烧温度,燃料燃烧时产生,CH,原子团撞击,N,2,分子而生成,CN,类化合物，然后再被氧化成,NOx,1971,年费尼莫尔,(Fenimore),通过实验发现的，根据碳氢燃料预混火焰的轴向,NO,分布的实验结果，认为在反应区附近会快速生成,NO,，于是起名为“快速”,NO,。称,费尼莫尔的反应机理,3,快速型,NOx,的生成机理,18,燃料燃烧时产生CH原子团撞击N2分子而生成CN类化合物，然后,在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的,CH,，,CH,2,，,CH,3,和,C,2,等离子团，它们会破坏燃烧空气中,N,2,分子的键而反应生成,HCN,，,CN,等：,CH,十,N,2,HCN,十,N,CH,2,十,N,2,HCN,十,NH,C,2,十,N,2,2CN,HCN,十,OH,CN,十,H,2,O,CN,十,O,2,CO,十,NO,CN,十,O,CO,十,N,NH,十,OH,N,十,H,2,O,NH,十,O,NO,十,H,N,十,OH,NO,十,H,N,十,O,2,NO,十,O,19,在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的CH，,Miller,等在,1989,年指出，“快速”,NO,的形成与以下三个因素有关,1,、,CH,原子团的浓度及其形成过程,2,、,N,2,分子反应生成氯化物的速率,3,、氮化物间相互转化率,他们发现：,CH+N,2,HCN+N,是控制,NO,、氰,(HCN),和其他氮化物生成速率的重要反应。“快速”,NO,形成的主要反应途径如下：,20,Miller等在1989年指出，“快速”NO的形成与以下三,对碳氢燃料燃烧综合机理的计算表明，在温度低于,2000K,时，,NO,的形成主要通过,CH-N,2,反应，即“快速”,NO,途径。当温度升高，“热力”,NO,比重增加，温度在,2500K,以上时，,NO,的生成主要由在,O,与,OH,超平衡加速下的,Zeldovich,机理控制。,通常情况下，在不含氮的碳氢系燃料低温燃烧时，才重点考虑“快速”,NO,。“快速,NO,的生成对温度依赖性很弱。与“热力”,NO,和“燃料”,NO,相比，它的生成要少得多。,21,对碳氢燃料燃烧综合机理的计算表明，在温度低于2000,煤炭中的氮含量一般在,0.5,-2.5,左右，它们以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链状化合物，如喹啉,(C,6,H,5,N),和芳香胺,(C,6,H,5,NH,2,),等,当燃料中氮的含量超过,0.1,时，所生成的,NO,在烟气中的浓度将会超过,130ppm,。煤燃烧时约,75,-90,的,NOx,是燃料型,NOx,。因此，燃料型,NOx,是煤燃烧时产生的,NOx,的主要来源。研究燃料型,NOx,的生成和破坏机理，对于如何有效地在燃烧过程中控制,NOx,的排放，具有重要的意义,4,燃料型,NOx,的生成机理,22,煤炭中的氮含量一般在0.5-2.5左右，它们以氮原子的状,过量空气系数对燃料N转化为挥发分N比例的影响,1ppm时即可嗅到，14ppm时，有恶臭，而达到25ppm时，则恶臭难闻。,HCN十OHCN十H2O,当温度升高超过1000时，NO2大量分解为NO，这时NO2的生成量比NO低得多,即使是固态排渣炉，燃烧器布置方式不同时不加控制的NOx的排放值也很不相同。,“快速”NO形成的主要反应途径如下：,称费尼莫尔的反应机理,从图中可看出，早上NO2含量最高，随着太阳上升，光照加强，光化学作用逐渐加快，消耗NO2不断增加，形成的O3随之增多，一直到午后2时左右，光化学作用达最高点，此时NO2含量最低。,1971年费尼莫尔(Fenimore)通过实验发现的，根据碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布的实验结果，认为在反应区附近会快速生成NO，于是起名为“快速”NO。,2、N2分子反应生成氯化物的速率,CN十O2CO十NO,在碳氢化合物燃烧时，特别是富燃料燃烧时，会分解出大量的CH，CH2，CH3和C2等离子团，它们会破坏燃烧空气中N2分子的键而反应生成HCN，CN等：,燃料型,NOx,的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有