液化石油气低NOx燃烧技术探讨

1、液化石油气低nox燃烧技术探讨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、s02和nox,其中co和s02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

2、种措施，有效地 降低了 c 0和s02的生成。n ox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、 n02, n20、n203, n204、n205 等，烟气中的 nox 主要是 no 和n02。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。no 2是黄棕色有刺激性气味 的气体，毒性比no高45倍，它能刺激呼吸系统，引起 肺气肿。人在n02浓度为1 6. 9ppm下暴露1 0分钟，就会 产生呼吸困难和支气管痉挛现象，n02浓度为90looppm 时，接触三小时即可致人死

3、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，no x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

4、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looppm和150 ppm。我国虽于19 82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。inox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n0

5、2,故研究no x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(tno), 还有一部分快速温度型n 0 (pn0),亦称瞬时noo1. itno生成机理tno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zeldvic h于1964年提出的。当燃 气和空气的混合气燃烧时，生成n0的主要反应过程如下： n2+o=no+n n+02二n0+0按化学反应动力学方程和zeldvich的实验结果，n0的 生成速度可以表示为：式中：no ,n2 , 02- no, n2 , 02 的浓 度(gmol/cm2

6、 ) t 一时间(s)t 一反应绝对温度(k)r 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，n 0生成速度与t、n 2、02有关， 由于燃气在空气中燃烧时，氮气浓度变化很小，故n2对 n0生成速度影响很小，(3 )式中02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n 0的 生成影响很大，如图1、图2所示：当燃烧温度低于150 0摄氏度时，tn0生成量极少， 当燃烧温度高于1500摄氏度时，tn0生成量明

7、显增大。 由图1、图2可见，温度每增加10 ok, n0生成速度约增大 5倍，n0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n0的生成速度也达到最大值。在过量空气系数远离1 时，n0的生成速度将急剧降低。同时n0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0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n0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-no生成的主要因素是温度、氧气

8、浓度和停留时间。1. 2. pno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. 70. 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一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pno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。1. 3fno的生成f-n 0是以化合物形式存在于燃料中的氮原

9、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n 0,其生成温度为60 0°c700°co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。1. 4 n0,的生成no 2是由no氧化而成，其过程按如下反应进行：n0 十 h02=n0 2+0h (5)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n 02的存在，而火焰面下游的高温区产生 极少。大量的n0转化为n 02是在烟气排入大气后进行的。 上式反应速度与空气中n0的浓度关系很大，浓度高则 n02转化快，否则转化慢。2燃气燃烧时nox的抑制方法燃气中氮含

10、量极小，燃烧时几乎没有燃料型nox产生， 快速型n ox的生成量比温度型nox小一个数量级，因此降 低烟气中的no x排放主要应抑制tnox的生成。根据t nox的生成机理，其相应的抑制手段有：(1) 降低燃烧温度，注意减少燃烧局部高温区；(2) 降低氧气浓度；(3) 使燃烧过程在远离理论空气比条件下进行；(4 )缩短烟气在高温区内的停留时间。3n0x生成影响因素的实验及理论分析影响no x生成的因素有很多，本文对一次空气系数、 火孔形状与nox生成的关系进行研究，建立如下图所示试 验系统。本试验所用气源为液化石油气，燃烧器为大气式(为设 计计算方便，选用纯丙烷气)，压力为3kpa,热负荷为

11、11kw,燃烧气分内外两圈，火孔采用竖向矩形状，内侧开 孔，火孔不易堵塞，且有利于热效率的提高。3. 1混合特性对nox生成量的影响气体燃料预混燃烧和扩散燃烧的nox生成特性不同， 从降低生成量的角度看，预混燃烧比扩散燃烧有优越性。预混火焰中nox生成量受空气、燃气混合比改变而引 起的温度和02浓度变化的综合影响。对试验中内外圈调风板不同开度下nox及c0生成量进 行测试，结果如下表：（所测得的值均已换算到过剩空气系 数为的状态，并以干烟气计，对不同调风板开度下的混合 气进行取样，用色谱分析混合气成分，计算出一次空气系 数)不同内外圈开度下nox及c0生成量内圈调风板开度一次空气系数a)外因调

12、风板开(一次空 气系数 al) 1/3() 1/2()2/3() lonoxcono xconoxcono xc01/3(0 4469)73 558274 159 372. 656. 676 471. 51/2(0 5147)72 752. 969. 958 268 346 775 853 22/3(0 5583)81965578962578963. 276. 667 61 (0. 7174 )79. 456. 57 7. 763. 877.755. 985. 76 2. 8从表中数据可以看出，外围一次空气系数在0.之间变 化时，nox生成量变化不大，随着外圈一次空气系数从0. 55降到0.

13、45, nox的生成量先下降后升高，最低点在外圈一次空气系数为0. 51处岀现。内圈调风板从1 /3开度升到1/2开度，一次空气系数增加很小，当内圈调风板 从1/2开度升到全开时，一次空气系数从0. 70增加到 0. 82, nox生成量随一次空气系数加大呈增加趋势。可见,一次空气系数对no x生成影响很大，必须合理选取。从表中数据看，c0的生成量都在几十ppm之间，远远低于国标 要求。3. 2矩形火孔对降低nox生成量的作用理论分析和试验观察，竖向矩形火孔有利于降低n ox 的生成量。当竖向矩形火孔燃烧时，外火孔与内圈燃烧器 头部外侧之间、内火孔与中心轴线之间都存在一温度场， 它们之间的距离

14、越大，温度梯度越小，距离越小，温度梯 度越大，但是，在逼近火焰面处，无论距离大小，温度梯 度都非常大。齐浮升力的作屈下，烟气向上运行，同时， 由于吸附效应及浓度扩散原理，烟气贴着火孔壁向上运行。 因此，由于这种烟气的扰动作用，火焰温度降低，从而抑 制了的nox生成。随着内外圈环缝、内圈火孔与中心轴线 之间的距离加大，扰动作用减小，内外圈环缝、内圈火孔 与中心轴线之间的距离越小，扰动作用增加，但距离过小, 二次空气二次空气不足将导致c0的大量产生，因此，合理 选取竖向矩形火孔的长度、内外围燃烧器头部直径对控制 nox面积过小，及co的产生都是至关重要的。通过对人工 煤气、天然气、液化石油气三种气体的试验，发现竖向矩 形火孔对降低液化石油气燃具的nox生成量效果尤为显著。 4结论与建议4. 1合理选择一次空气系数将降低预混火焰的nox生 成量；4. 2竖向矩形火孔有利于降低nox生成量，特别是对 降低液化石油气燃具nox的排放，效果显著。同时，应注 意竖向矩形火孔长度