污染排放.ppt

第11章污染排放物 11 1概论 燃烧污染排放的控制是现代燃烧系统的设计上必须考虑的因素燃烧污染物包括 颗粒物质和各种各样的悬浮物等 如烟气中的烟黑 飞灰 金属蒸汽 硫氧化物 SO2和SO3 未完全燃烧的碳氢化合物 氮氧化合物 NO和NO2 温室气体N2O和CO2等 国内大气污染情况 1998年 在我国322个环境统计的城市中 空气质量达到国家二级标准的占27 6 处于国家三级标准的占28 9 低于国家三级标准属于严重污染型城市的占43 5 国内47个重点城市中 空气污染最严重的城市为太原 北京 乌鲁木齐 兰州 重庆 济南 石家庄 青岛 广州 沈阳 1998年国际卫生组织公布全球空气污染严重的城市依此是 太原 米兰 北京 乌鲁木齐 墨西哥城 兰州 重庆 济南 石家庄 德黑兰 10个污染严重的城市中我国占了7个 北京名列第3 第11章燃烧污染物 1998年全国一半以上的城市降水年均pH值低于5 6 覆盖面积占国土面积的40 以上 其主要原因是以煤炭为主的能源结构造成的煤烟型污染严重 武汉2012年首次出现灰霾 我国 十一五 规划 燃煤发电厂SO2排放由2005年的1300万吨下降到2010年502万吨 减少61 4 2011年7月颁布燃煤锅炉排放新标准SO2 100mg m3 新建锅炉 200mg m3 现有锅炉 NO2 100mg m3 200mg m3 W锅炉 流化床锅炉 烟尘 30mg m3 20mg m3 重点地区 汞及其它化合物 0 03mg m3 第11章燃烧污染物 美国1940 1973年由于经济发展致使能源消耗不断增加 SO2排放量呈上升的趋势 1973年的SO2排放量高达2895万吨 为美国历史上SO2排放量最高的年份 1973 1983年SO2排放量逐年下降 这十年中尽管燃煤量增加 而SO2排放量则削减28 5 大气中的SO2浓度降低了近35 日本1970年的SO2排放量500万吨 1981年降到110万吨 11年间SO2总量削减了80 SO2浓度下降了60 左右 英国1970 1983年SO2排放量削减了40 原西德1983 1988年SO2排放量削减了67 5 发达国家70年代 80年代前几年是大幅度削减SO2排放量的集中年代 并取得显著效果 美国降低SO2污染的主要技术措施有 洗煤率高达60 以上 增加低硫煤开采与使用量 大规模采用烟气脱硫装置等 大力采用循环流化床燃烧技术 第11章燃烧污染物 第11章燃烧污染物 一次空气的污染来自于直接排放烟气 二次污染则是由一次污染物与大气之间的反应形成的 进而从多方面影响我们的生活环境及人类的健康 研究表明 在对流层中空气污染带来的影响主要有4个方面 1 改变了空气的性质和降雨量 2 破坏植物生长 3 侵蚀和损坏物件和材料 4 增加人类的疾病的发生率和死亡率由于含碳颗粒物 硫酸盐 硝酸盐 有机化合物及二氧化氮的存在 改变了空气的性质 使空气中的能见度降低 高浓度的SO2形成了硫酸小液滴 成为凝结的核心 这将导致雾的形成 降雨量的增加 光线辐射的减少 以及改变气温和风力分布 SOX和NOX的排放形成的酸雨 温室气体产生温室气体效应 从而改变全球的气候 并影响湖泊和土壤 11 2污染物带来的影响 第11章燃烧污染物 植物被SO2的毒素 硝酸盐 C2H4等污染和破坏 这些毒素毁坏叶绿素 破坏植物的光合作用 颗粒物质会弄脏衣物 房屋和其它建筑物 破坏了环境的美丽 并且增加清理环境污染的费用 一些酸性碱性颗粒 尤其是那些含有硫元素的颗粒 能腐蚀漆料 建筑物的砖石 电线 纺织品等 而臭氧能严重破坏橡胶 大气污染能加大呼吸道疾病的发病率 在伦敦 1952年 纽约 1966年 都曾发生过令人震惊的空气污染事件 造成大量伤亡和极坏影响 这些事件都是由于空气中同时含有高浓度的SO2和颗粒物质造成的 光化学烟雾里的一些污染物能够引起眼的疾病 这些污染物如臭氧 有机氮合物 烃化物 光化学烟雾最初是由氮氧化合物和各种烃化物之间的反应造成的 含氮的碳基颗粒可能包含致癌物质 一氧化碳对健康也有明显的危害 超音速飞机将NOX排放入同温层能够加速同温层臭氧层的破坏 同温层臭氧的破坏会引起更多有害的紫外线穿透入地球表面 因此 发展超音速飞机低NOX排放量燃烧器或发动机在目前受到美国航天局和发动机厂商极大地关注 同时它也是决定超音速飞机前途的一个主要因素 酸雨对水体生态系统的危害 对森林生态的危害 对农业生态系统的危害 对建筑物和材料的危害 对人体健康的危害 SOx NOx形成酸雨 有毒痕量元素 Hg Se As Pb Cr Cu Zn Ni等 颗粒物PM2 5 PM10 温室气体CO2等 燃烧产生的污染问题 第11章燃烧污染物 第11章燃烧污染物 历史上与SO2有关的大事记 第11章燃烧污染物 11 3污染排放的计量 11 3 1排放指数物质i的排放指数是指物质i的排放量与燃烧过程中的燃料量之比 即 排放指数是一个无量纲的量 有时为了避免排放指数使用太小的数字 通常排放指数会使用一些单位如g kg等 排放指数明确表示了单位燃料产生的污染物的数量 而不必考虑产物的稀释或燃烧过程的效率 排放指数是燃料燃烧过程产生污染物能力的量度 且与具体的应用分开 11 1 11 3 2排放浓度及浓度间的转换 排放烟气中污染物浓度 vi v0 ppm mg m3把烟气中的污染物排放浓度换算到特定的氧气浓度下 可以消除不同稀释程度所造成的影响 这样 污染排放水平才能得到正确的比较 燃烧产物中 任何一种物质组分的浓度或摩尔分数可分为 湿基 或 干基 浓度的转换将会以 湿基 或 干基 为前提条件下进行 假设燃烧是在化学当量或贫燃条件下进行 燃烧的产物为少量的CO H2和污染物 一摩尔燃料在空气中 21 O2 79 N2 燃烧可以表示为 第11章燃烧污染物 CxHy aO2 3 76aN2 xCO2 y 2 H2O bO2 3 76aN2 微量组分 11 3 在分析之前 将产物样品中的水分除去 得到称之为干基下的浓度 若产物的温度较高 水分仍然保留着 得到称之为湿基下的浓度 物质的干基下的摩尔分数可以定义为 11 4a 相应的湿基下物质i的总摩尔分数是 11 4b 对应于碳氢燃料CxHy 第11章燃烧污染物 浓度转换是将原始测量得到的污染物浓度转换成特定氧气浓度下的污染物浓度 例如将实测得到的200ppm的NO换算成烟气中氧气为6 浓度时的值 将被测量物质的浓度从一定氧气浓度的数值下换算到另一个氧气浓度下的数值 可按下面公式进行 不同氧浓度之间的转换 第11章燃烧污染物 11 3预混燃烧污染物的排放 预混燃烧的一次污染物主要是氧化氮 一氧化碳 未完全燃烧及部分燃烧的碳氢化合物和烟黑 几乎所有的预混燃烧都使用低硫燃料 因此在预混燃烧系统中SOX的排放通常不必考虑 天然气基本上不含硫 汽油中S的质量含量低于600ppm 对于非预混燃烧 如煤或低质油的燃烧 SOX的排放将是一个主要关注的问题 11 3 1氮氧化物 第11章燃烧污染物 11 3 1 1氮氧化物形成机理燃料燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2 通常把这两种氮氧化物合称为NOX 而其中NO约占95 以上 根据NOX的生成机理及所受影响不同 可将NOX的形成分为热力氧化氮 快速氧化氮和燃料氧化氮三类 热力氧化氮 生成机理是 空气中的N2在高温下氧化 是通过如下一组不分支的连锁反应进行的 其过程中O OH N2等组分达到平衡 氮原子 N 的个数处在稳定状态 N2 O N NOO2 N NO ON OH NO H 前两个反应称为捷里多维奇机理 第三个反应称为扩大的捷里多维奇机理 捷里多维奇机理生成特点是生成反应比燃烧反应慢 主要在火焰下游高温区生成NOX 温度 在燃烧过程中 温度越高 生成的NOX量越大 实际燃烧中温度通常高于1500 因此易产生较多的NOX 过剩空气系数 由于O2的浓度对热力NOX有直接的影响 因此过剩空气系数 对NOX有着明显的影响 在燃料燃烧过程中 当 1 05 1 2范围时 NOX的生成量最大 而偏离这个范围时 NOX的生成量会明显减少 时间 当N和O处于高温区的时间越长 N和O的反应越充分 则生成的NOX越多 第11章燃烧污染物 丙烷 空气预混燃烧 热力NOX起源于空气中的N2 主要是在1800K以上的高温区产生 其特点是正反应速度比逆反应速度快 且与反应温度 反应时间和O2的浓度成正比 因此影响热力NOX生成有 热力NO可通过O和N离子的热力平衡方法计算得到 根据反应 11 13 和 11 14 若忽略逆反应 我们得到 11 15 其中k1f指有限反应O N2 NO N的反应速率 当NO浓度达到一定量时 则需要考虑逆反应 使用式 11 15 的前提条件是 NO生成的速度要比燃烧的速度慢得多 即可以假定燃烧和NO的形成是分别进行的 当O和OH在离子数量上超过平衡态时 约103 热力NO的形成过程不再成立 这种情况能够发生在燃烧的火焰区域 此时NO的生成比O在平衡时更加迅速 计算超平衡态下的离子浓度十分复杂 必须联系到燃料氧化动力学 同样 在火焰区域 第11章燃烧污染物 第11章燃烧污染物 快速氧化氮 Fenimore提出 快速型NOx的生成量与同样源于空气中N2 但它又与热力NOx的机理不同 对温度的依赖性也低 碳氢化合物燃料的过浓预混合燃烧火焰中生成的NOx 虽然是起源于空气中的N 但又是以不同于热力NOx的生成机理 它为急速生成的NOx 这部分NOx称为快速型NOx 快速型NOx是经HCN NH N等中间产物形成的 而HCN NH N等中间产物又是由碳氢化合物分解过程中形成的活性炭化氢 CH CH2等 与N2反应生成的 CH N2 HCN NCH2 N2 HCN NHHCN和NH经一系列的反应变成CN N 再被氧化为NO 右图为是在最高火焰温度保持不变的丙烷 富氧空气平面火焰中 快速型NO浓度 反应带下游的NO最大浓度以及相应于最高火焰温度的NO平衡浓度和当量比 的关系 1时 快速型NO所占的比例极小 以热力NO为主 1 4后 几乎都是快速型NO 因为快速型NO的生成速度快 所以其浓度几乎和平衡浓度一致 且随 的增加而减少 在1 1 4时为中间行为 1 4左右时快速型NO的浓度达到最大值 各种碳氢类燃料和空气的燃烧一般都具有相同的倾向 当量比对NO生成的影响 丙烷 富氧空气平面火焰 最高火焰温度一定 第11章燃烧污染物 燃料氧化氮 燃料燃烧过程中 燃料所含的氮被转化为氧化氮 煤的含氮量约在0 4 3 重油的含氮量约在0 1 0 3 这些氮在燃烧中被分解后释放 形成NHi HCN等中间产物 用I表示 通过下图所示的竞争反应 一部分转换为NO 其余的变成N2 生成的燃料型NOx浓度和当燃料氮100 转换时的NOx浓度的比称为燃料氮向NOx的转化率CR 即CR NO FN 在预混燃烧的燃料中 如天然气 汽油 只有很少量的氮或没有氮 因此 氧化氮形成的第3种形式 即燃料氧化氮在预混燃烧中不是十分重要 可以忽略 第11章燃烧污染物 第11章燃烧污染物 燃料氮向NOx的转化率CR因当量比 温度 压力 燃料的种类以及氮化合物的种类和浓度的不同而不同 右图是丙烷 空气预混合平面火焰中添加了NH3作为燃料氮时 燃料氮向NO HCN以及NH3转化的转化率随当量比变化的结果 随着 增大进入燃料过浓区域 燃料氮向NO的转化率减小 而向HCN NH3的转化率增加 图中的虚线是向TFN totalfuel NO HCN NH3 的转化率 在约 1 4时达最小值 这一特性在低NOx化的两段燃烧中是非常重要的 在 1 4时 HCN NH3和下游吹入的空气混合后会部分转化为NO 最低转化率对应的当量比约为 1 4 过剩空气系数a 0 7 当量比对转化率的影响 TFN NO HCN NH 丙烷 空气预混合平面火焰 燃料氮NH3 4 由于燃料氮在较低的温度下分解 所以燃料NOx的生成对温度的依赖性比较低 第11章燃烧污染物 第11章燃烧污染物 表11 1显示在预混燃烧中 通过各个途径产生的NO的计算量 不同的压力下层流火焰对NO产生的影响在低压情况下 NOX的生成主要是通过的HC N2和超平衡得到 在10个大气压下 热力NOX约占总NOX的一半稍多 表11 1中的数据对预测火花点火 SI 发动机 在按当量燃烧和压力超过20个大气压的情况下NOX的排放趋势十分有益 富燃率对NO产生的影响随着富燃率的增加 快速NOX所占比例越来越大 当 1 32时 产生的Fenimore快速NOX占到95 在更大的富燃条件下 Fenimore快速NOX不再占主导 均匀搅拌反应器中NO生成情况在贫燃预混燃烧时 超平衡浓度的O OH过程对NOX的产生主要地位 在当量或富燃条件下 Fenimore HC N2 过程控制着NOX的产生 第11章燃烧污染物 11 3 1 2NOX的控制方式当热力NOX占形成NOX过程的主要地位时 燃烧的时间 温度和氧量都是影响NOX生成的因素 在O N2 NO N的过程 化学反应速率中的活化温度很大 EA RU 38370K 当温度超过1800K时 热力NOX的生成迅速增加 对于绝热定压燃烧 最大的平衡O原子的摩尔分数约在 0 9附近 图11 2 对许多实际装置 从排放观点来看 产生NOX最大值也是机组取得最高效率的时候 空气 燃料比图11 2SI发动机在不同点火时间NOX生成与燃气比的关系 第11章燃烧污染物 降低最高温度能很好减少NOX的排放 在工业锅炉和SI发动机中 通过将烟气 或废气 与新鲜空气或燃料混合能够达到降低NOX的排放 图11 3显示烟气再循环的试验结果 烟气再循环的作用是增加了燃烧气体的热容量 当燃烧给出的热量是一定时 由于热容量的增加 从而降低了燃烧温度 氧化氮的排放量 湿基 烟气再循环率 图11 3SI发动机中烟气再循环对NOX排放的影响 第11章燃烧污染物 图11 4给出了SI发动机NO减少量与热容量之间的关系 贫燃燃烧过程与烟气再循环类似 增加了产物的热容量 降低了燃烧的温度 氧化氮减少量 热容量增加量图11 4SI发动机热容量对NOX排放的影响 第11章燃烧污染物 例11 4按化学当量比混合的丙烷与空气在一个大气压下燃烧 考虑加入25 的N2对预混气体进行稀释和无气体稀释的条件下的氮氧化物生成 假设燃烧在绝热条件进行 反应物和稀释氮气的初温都是298K NO的生成是按Zeldovich 热力NO 机理 比较无稀释和25 的N2加入后 稀释 情况下NO的生成率 增加的N2的摩尔分数等于0 25的空气摩尔分数 解 通过对增加N2和与否的两种情况 进行绝热火焰温和物质组分的平衡态计算 可以得到火焰温度 平衡态时的O和N2的摩尔分数如下 由于公式 11 15 d NO dt值 即 反应速度系数k1f由化学反应动力学求出 m kmol s 没有稀释时 ppm 有25 的氮气稀释时 ppm 第11章燃烧污染物 两种情况下生成率比值 由此可见 在没有稀释时 生成的NO要比稀释情况约大50倍 从这个例子中可以看出 采用惰性气体进行稀释 热力NOX的生成大大减少 其原因是当对燃气稀释后 由于燃烧温度的降低 使得化学反应速率k1f降低和O原子平衡态时的浓度 O的减少 从而减少了热力NOX的生成 燃烧设备中NOX的生成量与燃烧产物在高温下的停留时间有着密切的联系 由于在通常条件下生成的NO浓度是远低于平衡浓度时的值 因此逆向反应过程 NO的还原 就不很重要 故NO的生成量与在燃烧产物在高温下停留时间成正比 因此 设计一个燃烧系统时 燃烧的温度与停留时间之间的关系是控制NO排放量的关键 第11章燃烧污染物 采用先富燃后贫燃的燃烧方式或先贫燃后富燃燃烧的方式 也可以控制NOX的生成量 图11 5 分级燃烧 在富燃燃烧和贫燃燃烧时NOX的生成是较低的 而在富燃过程中 未完全燃烧的CO及H2可以在贫燃过程中进行完全燃烧 这样既保证了燃料的完全燃烧 又使得NOX的排放控制在较低数值 要使分级燃烧有效 富燃的燃烧产物必须与空气迅速混合 或者吸收 除去 两个燃烧阶段之间的大量热量 图11 5中路径0 1 2 2代表的是理想情况下分级燃烧过程曲线图中实线 铃形曲线 代表在不同当量比条件下 给出固定停留时间所产生的NOX量 在0 1线段 富燃阶段 代表了在 trich时间内生成的NOX量 1 2 线段代表二次空气与富燃燃烧的产物迅速混合 因 tmix 0 没有额外的NOX生成 在贫氧阶段 CO和H2被燃烧 新增加的NOX对应于2 2线段 即贫燃的燃烧时间 tlean 路径0 1 2 2代表瞬间混合的理想情况 路径0 1 3代表缓慢混合图11 5分级燃烧过程中NOX生成过程 第11章燃烧污染物 在真实的过程中 二次空气与富燃燃烧的产物不可能瞬间完成混合 由富燃向贫燃过渡必须经过当量比为1的高NOX形成区域 生成一定量的NOX 如图中曲线1 3的过程 分级燃烧的成功取决于实际过程当中二次空气与燃烧产物的混合是否充分和迅速 理想的分级燃烧 0 1 2 2 是2种预混燃烧的过程 但实际上大多燃烧过程由于富燃产物与二次空气的混合不能及时而使得燃烧过程成为非预混燃烧 或扩散燃烧 Siewert和Turns描述了理想的分级燃烧在拥有2个汽缸的SI发动机系统中进行的过程 第1个汽缸经过富燃燃烧 其产物经冷却后并空气混合 再送入到第2个汽缸里燃烧 结果表明 该系统只有少量的NOX生成 但CO和未完全燃烧的碳氢化合物排放浓度高到不能接受 在汽车应用中 仅对燃烧系统进行改进 是不能够使NOX的浓度降到法定水平 因此 催化还原技术被用来降低废气 烟气 中的NOX的浓度 第11章燃烧污染物 11 3 2一氧化碳CO是富燃燃烧产物的重要成份 在富燃预混条件下 都必将会产生一定量CO 大部设备在正常运行时 富燃预混燃烧的情况一般是可以避免 SI发动机启动阶段和最大限度提供能量时 会出现富燃预混燃烧情况 按化学当量比或贫燃时预混燃烧 CO的产生是在特殊的燃烧温度下由于CO2的分解而来 图11 6是在绝热条件和常压下 丙烷与空气预混燃烧 CO的浓度 1时的1 2 至 0 8时的830ppm 在平衡态的温度为1500k时 CO的浓度迅速下降 炉内燃烧过程 停留时间以秒计算 平衡态占主导地位 在SI发动机中 温度在膨胀和烟气排放阶段下降非常快 CO未达到平衡态就排入大气 此时的CO浓度可能介于最高温度和压力的平衡态与排放温度和压力下的平衡态之间 一氧化碳摩尔分数 化学当量比 图11 6丙烷 空气预混燃烧绝热和1500K时CO的生成量 第11章燃烧污染物 11 3非预混燃烧的污染排放 非预混燃烧和预混燃烧的化学过程虽然是一样的 但是非预混燃烧伴随着一些额外的物理过程 如蒸发及混合 非预混燃烧中 总的混合物是满足化学计量比 但是在燃烧空间内 一些区域形成富燃 另一些区域形成贫燃 燃烧是在更宽的化学计量范围内进行 在某些情况下 非预混燃烧仍可看成预混燃烧进行处理 如当燃料蒸发和随后的混合是足够快条 甚至是燃料与空气是分别进入燃烧空间 只要蒸发和混合十分迅速 则系统仍然可以看成是预混燃烧模式 污染物的生成可按预混燃烧进行分析 在非预混燃烧系统中 污染物的形成极为复杂 且在这样的系统中 污染物的排放还常常取决于系统的具体细节 如燃料喷雾后的液滴尺寸和分布 所以对非预混燃烧中的污染物的排放在这里仅仅是做一个大致的介绍 第11章燃烧污染物 11 3 1氮氧化物11 3 1 1简单的湍流射流火焰 研究结果表明 射流火焰的NO一般产生于火焰的中低部的狭长的薄片状火焰出口区域和火焰上部的相对宽大的反应区 碳氢化合物的射流火焰中 热力机理 超平衡态机理和Fenimore机理形成的NO都有 而要确定总的NOX中由各生成机理所形成的NO的多少 仍是目前研究的课题 实际应用中 当火焰温度很高时 如在有辐射墙的炉膛中火焰或是使用富氧燃烧的火焰 NOX的生成可用Zeldovich 热力 机理进行计算 湍流射流燃烧中的热力NOX如预混系统一样 温度 组分和时间是决定NOX排放的三个重要的因数 这3变量同样控制着非预混火焰中的NOX的生成 在非预混射流火焰中 气流各点的物质组分是变化的 它们由流动和混合过程确定 通过无量纲变化 可得到非预混射流火焰中的温度分布以及与温度分布相似的物质组分分布 在非预混射流火焰中 热力NO最初产生于火焰区 因为该区具有很高的温度且火焰中的O和OH离子有很高的浓度 火焰区域内的温度与组分分布由流体力学 化学动力学和传热学决定 在更大的区域 更长的停留时间情况下 温度和组分的分布结果受到辐射热量的影响 第11章燃烧污染物 图11 6给出了丙烷和乙烯的射流火焰在不同的总燃料能量下的NOX的排放量 由图可见 由于燃料类型和初始射流直径改变 得到燃料总的释热量的变化与NOX的生成关系 这样的燃烧条件下 停留时间与火焰温度对NOX形成起着相互弥补的作用 图11 6湍流射流火焰NOX的排放 增加燃料的流速 热释放量 时 可减少组分在火焰整体和局部的停留时间 也就减少了NO生成 停留时间的减少 辐射热量损失就少 燃烧更接近绝热过程 火焰的温度更高 增加了NOX生成 较大的火焰直径 当释热量增加时 停留时间和火焰温度对NOX的生成影响互相抵消 火焰直径 dj 减小时 停留时间更短 火焰温度更高 燃烧形成的NOX增加 并随着释热量的增多 产生的NOX也增多 第11章燃烧污染物 图11 7N2的稀释对辐射分数 火焰特征温度和NOX生成的影响 图11 7的曲线揭示了火焰辐射的重要性图中乙烯 丙烷 甲烷 一氧化碳 氢气四种燃料具有不同的辐射特性 C2H4的辐射系数最大 其后依次是C3H8 CH4 CO H2混合物 往燃料中添加N2将产生两种影响 1 燃料的稀释会导致火焰绝热温度的降低 2 火焰的烟黑量会减少 辐射系数降低 大多数的发亮火焰 C2H4 辐射系数降低使辐射损失的减少远大于绝热火焰温度引起辐射损失 故火焰特征温度增加 见图11 7Tf图 对非发光 无烟黑 的CO H2火焰 辐射损失主要受火焰绝热温度的影响 增加N2时 火焰特征温度下降 C3H8和CH4的火焰特征温度的变化情况则处于C2H4火焰和CO H2火焰之间 在图11 7中 NOX的排放量随N2稀释的变化规律正好与火焰特征温度随N2稀释的变化规律对应 这也标明了热量的损失对NOX排放的重要性 第11章燃烧污染物 11 3 1 2工业燃烧设备在工业燃烧设备中 除了锅炉外 还有加热炉 烤炉 窑炉等 这些设备主要使用天然气燃烧 图11 8给出了工业中减少燃气设备生成的NOX排放的不同方法 这些方法或技术同样适用于燃油设备 NOX减少技术被分为燃烧控制方式和燃后控制方式两大类 每种方式又有多种具体的技术措施 图11 8燃用气体燃料的工业燃烧设备中NOX的控制技术 第11章燃烧污染物 a 低过剩空气量热力NOx排放在化学计量附近时会达到峰值 图11 2 低过剩空气量技术是通过减少空气的供应 使NOX其从峰值回落下来 这种方法对降低NOX的排放是有限的 因为当空气量减少时 CO的排放量上升了 b 分级燃烧这种方法主要是将现有的具有多个燃烧器的设备进行修改和创新 典型的就是富燃 贫燃分级燃烧 即让处于上游的燃烧器富燃运行 而下游的燃烧器调整只供应空气或是贫燃运行 另一种方法是将所有的燃烧器都富燃运行 在下游出口前增加风口提供空气 采用这种技术后 NOX的排放量可以减少10 40 空气 燃料比 第11章燃烧污染物 c 降低燃烧温度在许多的燃烧设备中 用于燃烧的空气一般都要经过烟气预热以提高热效率 如果减少预热的空气量 将会降低燃烧温度 NOX随之减少 采用向火焰喷水的办法也能降低燃烧的温度 因为部分燃烧的热量被用于水的蒸发和过热 原理上喷水与烟气再循环 FGR 一样 两者都是作为稀释剂被使用 图11 9烟气再循环对NOX排放的影响 FGR的效率取决于烟气的循环量和烟气的温度 图11 9给出了分别使用环境空气和500 F 533K 空气进行燃烧时烟气再循环率对NOX的生成的影响 在燃气的工业锅炉中使用FGR技术可将NOX的生成量减少约50 80 第11章燃烧污染物 d 低NOX燃烧器为了降低NOX的排放 在燃烧器的设计中采用燃料分级或空气分级 燃料分级的顺序是先贫燃燃烧 通常是弱贫燃 后富燃燃烧 图11 10 而空气分级的顺序是先富燃燃烧 后贫燃燃烧 图11 11 另一种类型的低NOX燃烧器是多孔阵型燃烧器 这种燃烧器是利用金属的或陶瓷的多孔阵型使燃料与空气进行预混燃烧 而由于多孔阵型增加了辐射和对流的热交换 使得燃烧温度比较低的 因此NOX的排放也比较少 图11 10低NOX燃烧器燃料分级 图11 11低NOX燃烧器空气分级 第11章燃烧污染物 e 氧气 空气燃烧将额外的氧气加入到燃烧用的空气中 就能够降低燃烧系统中的氮气浓度 随着足够多的氧气的加入 氮气浓度的降低引起的NOX的减少就会超过由于燃烧温度上升引起的NOX的增加 于是系统的NOX排放量就会降低 如果能防止空气泄漏进燃烧室 从理论上讲 使用纯氧将不会产生任何热力NOX f 再燃法这种方法是在贫燃区的下游处将大约总燃料的15 导入到燃烧区域 形成再燃区 在再燃内 1 通过和碳氢化合物及碳氢化合物的中间产物 如HCN 与NO进行还原反应 逆反应 从而减少NO 在再燃区的燃尽阶段补入空气 使炉内的燃料最终燃尽 采用再燃法技术的锅炉一般都能将NOX的排放量约60 图11 12给出了再燃法的过程 图11 12再燃法降低NOX技术在工业锅炉中应用 第11章燃烧污染物 11 3 1 3电站锅炉在许多国家