第九章氮氧化物控制ppt课件.ppt
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1、第九章第九章 固定源氮氧化物污染控制固定源氮氧化物污染控制p第一节第一节 氮氧化物的性质及来源氮氧化物的性质及来源p第二节第二节 燃烧过程中氮氧化物的形成机理燃烧过程中氮氧化物的形成机理p第三节第三节 低氮氧化物燃烧技术低氮氧化物燃烧技术p第四节第四节 烟气脱硝技术烟气脱硝技术p掌握热力型氮氧化物形成机理掌握热力型氮氧化物形成机理 p理解低氮氧化物燃烧技术的原理和方法理解低氮氧化物燃烧技术的原理和方法 p了解选择性催化还原烟气脱硝技术的原理了解选择性催化还原烟气脱硝技术的原理主要内容主要内容学习要求学习要求第一节第一节 氮氧化物的性质及来源氮氧化物的性质及来源bb1.NOx包括包括N2O、NO
2、、N2O3、NO2、N2O4、N2O5大气中大气中NOx主要以主要以NO、NO2的形式存在的形式存在bb2.NOx的性质的性质NO:无色气体,是大气中:无色气体,是大气中NO2的前体物质的前体物质NO2:红棕色有窒息性臭味的活泼气体,具有强烈红棕色有窒息性臭味的活泼气体,具有强烈刺激性,是形成刺激性,是形成光化学烟雾光化学烟雾的主要因素之一,也的主要因素之一,也是是酸雨酸雨的来源之一的来源之一NO2对人体健康的影响对人体健康的影响NO2(10-6)对人体健康的影响对人体健康的影响1 闻到臭味闻到臭味5 闻到强臭味闻到强臭味1015 10min眼、鼻受到刺激眼、鼻受到刺激50 1min内人呼吸困
3、难内人呼吸困难80 3min感到胸痛、恶心感到胸痛、恶心100 150 在在3060min内死亡内死亡250 很快死亡很快死亡氮氧化物的性质及来源氮氧化物的性质及来源b3.NOx x的来源的来源固氮菌、雷电等自然过程(固氮菌、雷电等自然过程(5108t/a)人类活动(人类活动(5107t/a)p 燃料燃烧占 90以上燃烧系统排出的氮氧化物有燃烧系统排出的氮氧化物有95以以NO形式形式,其余主要为其余主要为NO2p 化工生产硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程 北京近郊区北京近郊区1999年各类污染源年各类污染源NOx排放总排放总量及对总排放量的贡献量及对总排放量的贡献氮
4、氧化物的来源氮氧化物的来源第二节第二节 燃烧过程中燃烧过程中NOx的形成机理的形成机理bNOx x分类分类燃料型燃料型NOx x(fuel NOx x)燃料燃料燃料燃料中的氮原子分解出来生成的中的氮原子分解出来生成的NOx热力型热力型NOx x(thermal thermal NOx x)高温高温下下N2与与O2反应生成的反应生成的NOx瞬时瞬时NO(prompt NO)低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的NOb1.热力热力型型NOx x形成的热力学形成的热力学(1 1)NO生成量与温度的关系生成量与温度的关系高温下,产生高温下,产生NO和和NO2的两个重要
5、反应的两个重要反应上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响 当温度当温度1000K,将会形成可观的,将会形成可观的NO。燃烧过程中燃烧过程中NOx x的形成机理的形成机理(9-19-1)(9-29-2)NONO生成同温度的关系生成同温度的关系O2和N2生成NO的平衡常数N N2 2O O2 22NO2NOT/KT/KKpKpKpKp=(pNO)=(pNO)2 2/(P/(PO2O2)(P)(PN2N2)3003001010-30-30100010007.5107.510-9-9120012002.8102.810-7-7150015001.1
6、101.110-5-5200020004.0104.010-4-4250025003.5103.510-3-3减小减小减小减小NO生成量与初始浓度的关系NO与NO2之间的转化这些热力学数据说明:bb在室温条件下,几乎没有NO和NO2生成,并且几乎所有NO转化为NO2;bb在800K左右,NO和NO2生成量仍然微不足道,但NO的生成量已经超过NO2;bb在常规的燃烧温度(1500K),有可观量的NO生成,然而NO2的量仍然是微不足道。热力型热力型NOx x的形成的形成(3)烟气冷却对)烟气冷却对NO和和NO2平衡的影响平衡的影响b理论:理论:烟气冷却过程中,烟气冷却过程中,根据热力学计算根据热力
7、学计算,NOx应应主要主要以以NO2的形式存在的形式存在b实际实际:9095的的NOx以以NO的形式存在的形式存在 boiler NO/NOx nature gas0.9-1.0 coal0.95-1.0 6#fuel oil0.96-1.0 燃烧后产生的燃烧后产生的燃烧后产生的燃烧后产生的NO/NOx 比例比例热力型热力型NOx x的形成的形成(3)烟气冷却对)烟气冷却对NO和和NO2平衡的影响平衡的影响 当温度降低到当温度降低到1550K以下,以下,NO与与O2形成形成NO2的反应的反应速率非常慢,在动力学上受到限值速率非常慢,在动力学上受到限值 高温下形成的高温下形成的NOx将以将以NO
8、的形式排入大气环境的形式排入大气环境 NO的转化为的转化为NO2主要发生在大气中,所需时间由反主要发生在大气中,所需时间由反应动力学支配应动力学支配bbZeldovichZeldovich(捷里多维奇捷里多维奇)模型模型b燃烧时,空气中氮在高温下氧化产生,其中的生成过程是一个连锁反应。其生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich)反应式表示。b随着反应温度T的升高,其反应速率按指数规律增加。当T1500oC时,T每增加100oC,反应速率增大6-7倍。u动力学O2 OO(快)(快)ON2 NON(极快)(极快)NO2 NOO(极快)(极快)NO1/2 O2 NO2(慢)(慢)热力型热力型NOx
9、 x的形成的形成2.热力型热力型NOx x形成的动力学形成的动力学b假定N原子的浓度保持不变b得到上述二式代入(上述二式代入(6)式得)式得b通常假定O原子的浓度等于下述反应在热烟气中的平衡值。b平衡常数为b因此:b由式b最终得dtb积分得NO的形成分数与时间t之间的关系Y=NO/NOe0 0.5 1 1.5 2.0 Mt1.00.5各种温度下形成各种温度下形成NO的浓度时间分布曲线的浓度时间分布曲线在各种温度下在各种温度下NO浓度随时间的变化曲线浓度随时间的变化曲线(N2/O240:1)3.瞬时瞬时NO的形成的形成b碳氢化合物燃烧时,分解成碳氢化合物燃烧时,分解成CH、CH2和和C2等基团,
10、与等基团,与N2发发生如下反应生如下反应b 火焰中存在火焰中存在O2、O、OH基团,可与上述产物反应基团,可与上述产物反应(极快)(极快)4.燃料型燃料型NOx x的形成的形成b燃料中的燃料中的N通常以原子状态与通常以原子状态与HC结合,结合,CN键的键能较键的键能较N N小,燃烧时,氧倾向于首先破坏小,燃烧时,氧倾向于首先破坏CN键,经氧化形成键,经氧化形成NOx燃料燃料 NHCNN2NONHi(i=0,1,2)火焰火焰快快O,H,OH快快 O2快快NHiNO慢慢慢慢燃料中氮分解为挥发分N和焦炭N的示意图煤煤粒粒N挥发分挥发分挥发分挥发分N焦焦炭炭焦炭焦炭NNON2N2热解温度对燃料N转化为
11、挥发分N比例的影响1200oC1000oC800oC600oC煤粉细粒对燃料N转化为挥发分N比例的影响过量空气系数对燃料N转化为挥发分N比例的影响挥发分N中最主要的氮化合物是HCN和NH3,HCN氧化的主要反应途径为:燃料燃料N挥发分挥发分NHCNNCONON2 NNHNH2NH3OO,OHHNH3氧化的主要反应途径为:燃料燃料NNO挥发分挥发分NNH3NH2NHN2O,H,OHO,H,OHO2,H,OHO2,H,OHNO燃料型NOx的转化率CRb燃料型NOx的转化率CR:是指燃烧过程中最终生成的NO浓度和燃料中氮全部转化成NO时的浓度比。bCR【最终生成的NO浓度】【燃料全部转化成NO的浓度
12、】b试验研究表明,影响CR的主要因素是煤种特性以及炉内的燃烧条件。煤燃料比FC/V对NOx转化率的影响余气系数余气系数=1.2过量空气系数对NOx转化率的影响如上所述,NOx的生成和破坏规律十分复杂,而影响NOx转化率的因素又很多,所以对燃料型NOx的转化率进行理论计算非常困难;但目前已建立数百个与NOx生成规律及其破坏有关的化学反应在内的数学模型。日本丰桥大学在试验研究的基础上得出燃料型NOx的转化率CR和燃料中含氮量N(干基)、挥发分含量V(干基)、过量空气系数、燃烧时的最高温度Tmax(oC)和燃烧时氧的浓度RO2的经验公式:CR=4.0710-1-1.28 10-1N+3.34 10-
13、4V2(-1)+5.5510-4Tmax+3.50 10-3 RO2第三节第三节 低低NOx x燃烧技术燃烧技术b控制控制NOx x技术措施分为两大类:技术措施分为两大类:源头控制源头控制控制燃烧过程中控制燃烧过程中NOx的生成的生成尾部控制(烟气脱硝)尾部控制(烟气脱硝)把已经生成的把已经生成的NOx还原为还原为N2第三节第三节 低低NOx燃烧技术燃烧技术b影响影响NOx形成的因素形成的因素空气燃料比空气燃料比燃烧区温度及其分布燃烧区温度及其分布后燃烧区的冷却程度燃烧器形状1.低空气过剩系数运行技术(低氧燃烧)低空气过剩系数运行技术(低氧燃烧)优点:降低优点:降低NOx的同时,可提高锅炉热效
14、率的同时,可提高锅炉热效率缺点:缺点:CO、HC、炭黑等污染物产生量增加炭黑等污染物产生量增加NOx生成量与燃料生成量与燃料种类、燃烧方式及种类、燃烧方式及排渣方式有关排渣方式有关通常,燃用烟煤的通常,燃用烟煤的锅炉的空气过剩系锅炉的空气过剩系数:数:1.17-1.20一、一、传统的低传统的低NOx燃烧技术燃烧技术传统的低传统的低NOx燃烧技术燃烧技术b2.降低助燃空气预热温度(降低助燃空气预热温度(火焰区温度峰值降低火焰区温度峰值降低)燃烧空气由燃烧空气由27oC预热到预热到315oC,NO排放量增加排放量增加3倍倍减少了热力型减少了热力型NOx的生成的生成该措施仅对燃气锅该措施仅对燃气锅炉
15、有效炉有效传统的低传统的低NOx燃烧技术燃烧技术b3.烟气循环燃烧烟气循环燃烧降低氧浓度和燃烧区温度主要减少热力型降低氧浓度和燃烧区温度主要减少热力型NOx传统的低传统的低NOx燃烧技术燃烧技术b4.两段燃烧技术两段燃烧技术第一段:第一段:氧气不足,供的空气量为总氧气不足,供的空气量为总需要量的需要量的85-95%,不完全燃,不完全燃烧,烧,NOx生成量很小生成量很小第二段(燃烧装置的尾端)第二段(燃烧装置的尾端)二次通入空气,使二次通入空气,使CO、HC完全燃烧。完全燃烧。此时,烟气温度低,不能形成此时,烟气温度低,不能形成NOxb原理:原理:“低空气过剩系数运行技术低空气过剩系数运行技术”
16、“分段燃烧技分段燃烧技术术”b技术:助燃空气分级进入燃烧装置技术:助燃空气分级进入燃烧装置 燃料分级进入形成还原区燃料分级进入形成还原区1.炉膛内整体空气分级的低炉膛内整体空气分级的低NOx直流燃烧器直流燃烧器2.空气分级的低空气分级的低NOx旋流燃烧器旋流燃烧器3.空气空气/燃料分级的低燃料分级的低NOx燃烧器燃烧器二二.先进的低先进的低NOx燃烧器技术燃烧器技术1.炉膛炉膛内整体空气分级的内整体空气分级的低低NOx直流燃烧器直流燃烧器p炉壁设置了一层或两层炉壁设置了一层或两层燃尽风燃尽风(overfireair,OFA)喷口,一部分助燃空气通过喷口进入炉膛喷口,一部分助燃空气通过喷口进入炉
17、膛p类似于两段燃烧技术类似于两段燃烧技术p燃烧器的要求:燃烧器的要求:pp 位置位置位置位置pp 风量风量风量风量pp 流速流速流速流速先进的低先进的低NOx燃烧器技术燃烧器技术 技术关键:准确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混技术关键:准确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混合过程,以便能有效地控制燃料型合过程,以便能有效地控制燃料型NOxNOx和热力型和热力型NOxNOx的的生成;要具有较高的燃烧效率。生成;要具有较高的燃烧效率。用于壁燃锅炉的分级混合低用于壁燃锅炉的分级混合低NOxNOx燃烧器原理:紧靠燃烧燃烧器原理:紧靠燃烧器的前沿产生一个主燃区,称为一次火焰区。一次火焰器的前沿产生一个
18、主燃区,称为一次火焰区。一次火焰区燃料相对比较富裕,经常形成实际空气量低于理论空区燃料相对比较富裕,经常形成实际空气量低于理论空气量的状况。一次火焰区的外围供入过剩空气,形成二气量的状况。一次火焰区的外围供入过剩空气,形成二次火焰区,将燃料燃尽。挥发分和含氮组分的大部分在次火焰区,将燃料燃尽。挥发分和含氮组分的大部分在一次火焰区析出,但因处于缺氧、高一次火焰区析出,但因处于缺氧、高COCO和高和高CHCH浓度区,浓度区,限制了含氮组分向限制了含氮组分向NOxNOx的转化。的转化。先进的低先进的低NOx燃烧技术燃烧技术先进的低先进的低NOx燃烧技术燃烧技术b2.空气分级的低空气分级的低NOx旋流
19、燃烧器旋流燃烧器一次火焰区:富燃料,一次火焰区:富燃料,N组分析出但难以转化组分析出但难以转化二次火焰区:燃尽二次火焰区:燃尽CO、HC等等 空气和燃料都是分级送入炉膛,燃料分级送入可在一次火空气和燃料都是分级送入炉膛,燃料分级送入可在一次火焰区的下游形成一个富集焰区的下游形成一个富集NH3NH3、CHCH、HCNHCN的低氧还原区,的低氧还原区,燃烧产物通过此区时,已经生成的燃烧产物通过此区时,已经生成的NOxNOx会部分的被还原为会部分的被还原为N2N2。分级送入的燃料常称为辅助燃料或还原燃料。分级送入的燃料常称为辅助燃料或还原燃料。德国斯坦缪勒公司开发的空气德国斯坦缪勒公司开发的空气/燃
20、料分级低燃料分级低NOxNOx燃烧器的燃烧器的原理:首先,与空气分级低原理:首先,与空气分级低NOxNOx燃烧器一样形成一次火焰燃烧器一样形成一次火焰区,接近理论空气量燃烧可保证火焰稳定;还原燃料在一区,接近理论空气量燃烧可保证火焰稳定;还原燃料在一次火焰下游一定距离混入,形成二次火焰次火焰下游一定距离混入,形成二次火焰(超低氧条件),超低氧条件),在此区域内,已经生成的在此区域内,已经生成的NOxNOx被被NH3NH3、HCNHCN和和COCO等还原基等还原基还原为还原为N2N2;分级风在第三阶段送入完成燃尽阶段。;分级风在第三阶段送入完成燃尽阶段。b 3.空气空气/燃料分级的低燃料分级的低
21、NOx燃烧器燃烧器先进的低先进的低NOx燃烧技术燃烧技术空气和燃料均分级空气和燃料均分级送入炉膛送入炉膛一次火焰区下游形一次火焰区下游形成低氧还原区,还成低氧还原区,还原已生成的原已生成的NOxb 3.空气空气/燃料分级的低燃料分级的低NOx燃烧器燃烧器这种燃烧器的成功与否取决于:一次火焰的扩散度;一次火焰的扩散度;二次火焰区的空气二次火焰区的空气/燃烧比例(还原燃料量);燃烧比例(还原燃料量);燃烧产物在二次火焰区的停留时间;燃烧产物在二次火焰区的停留时间;还原燃料的还原活性。还原燃料的还原活性。利用直流燃烧器可以在炉膛内同时实现空气和燃料利用直流燃烧器可以在炉膛内同时实现空气和燃料分级,在
22、炉膛内形成分级,在炉膛内形成3 3个区域,即一次区、还原区个区域,即一次区、还原区和燃尽区,常称为三级燃烧技术。和燃尽区,常称为三级燃烧技术。另外,采用循环流化床锅炉也是控制氮氧化物排放的另外,采用循环流化床锅炉也是控制氮氧化物排放的先进技术,循环流化床炉膛的燃烧温度低,只有先进技术,循环流化床炉膛的燃烧温度低,只有8508509509500 0C C,在此温度下产生的热力型,在此温度下产生的热力型NOxNOx极少,加上极少,加上分级燃烧,可有效的抑制燃烧型氮氧化物的生成。分级燃烧,可有效的抑制燃烧型氮氧化物的生成。第四节 烟气脱硝技术b脱硝技术的难点脱硝技术的难点处理烟气体积大处理烟气体积大
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