液化石油氣低NOx燃燒技術(shù)探討

1、液化石油氣低nox燃燒技術(shù)探討隨著燃?xì)馐聵I(yè)的發(fā)展，我國燃料結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變 化，燃煤向燃?xì)廪D(zhuǎn)換，天然氣置換人工煤氣，既滿足了人 民生活水平提高的要求，也使環(huán)境質(zhì)量有了很大的改善。 一直以來，液化石油氣就是燃?xì)夤?yīng)中不可缺少的重要組 成部分，特別是在城市煤氣管網(wǎng)達(dá)不到的地方以及城市煤 氣的發(fā)展不能及時(shí)滿足供應(yīng)的城鄉(xiāng)地區(qū)，都需要大量使用 液化石油氣。任何燃?xì)馊紵O(shè)備在供給熱能的同時(shí)，都要產(chǎn)生大量 煙氣p煙氣中的有害成分會(huì)直接污染大氣或首先污染室內(nèi) 空氣而后再污染大氣。燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣中的污染物質(zhì) 主要有co、s02和nox,其中co和s02對(duì)環(huán)境的污染和對(duì) 人體的危害已廣為人知，人們通過來取各

2、種措施，有效地 降低了 c 0和s02的生成。n ox對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人類健康 的危害，本世紀(jì)四十年代才引起科學(xué)家的注意。nox包括no、 n02, n20、n203, n204、n205 等，煙氣中的 nox 主要是 no 和n02。no的毒性很大，它極易與血液中的血色素hb結(jié)合, 造成血液缺氧而引起中樞神經(jīng)麻痹，no與血紅蛋白的親合 能力約為co的數(shù)百倍至千倍。no 2是黃棕色有刺激性氣味 的氣體，毒性比no高45倍，它能刺激呼吸系統(tǒng)，引起 肺氣腫。人在n02濃度為1 6. 9ppm下暴露1 0分鐘，就會(huì) 產(chǎn)生呼吸困難和支氣管痙攣現(xiàn)象，n02濃度為90looppm 時(shí)，接觸三小時(shí)即可致人死

3、亡。nox不僅造成一次污染，還 會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，排放到大氣中的nox遇到碳?xì)浠?合物時(shí)，在太陽光中紫外線的作用下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，生 成具有刺激性的淺藍(lán)色煙霧，造成嚴(yán)重的光化學(xué)煙霧污 染。此外，由氮氧化物生成的硝酸與氧化硫生成的硫酸等 一起將形成酸雨。光化學(xué)煙霧污染和酸雨不僅對(duì)人有嚴(yán)重危害，對(duì)植物、 建筑物、水源等都有嚴(yán)重的污染和損害?？梢?，no x對(duì)環(huán) 境污染及人體健康的危害是極其嚴(yán)重的。大氣中的nox主要來自燃料燃燒，因此控制燃燒過程 nox的生成與排放是保護(hù)環(huán)境的根本方法。降低燃?xì)庥镁?nox的生成與排放，以保護(hù)環(huán)境質(zhì)量，是急待解決的問題。 一些發(fā)達(dá)國家早在七十年代就開始制定燃?xì)庠O(shè)備

4、nox的排 放標(biāo)準(zhǔn)，如80年代初美國和日本對(duì)小型燃?xì)忮仩t制定的 nox的排放標(biāo)準(zhǔn)為looppm和150 ppm。我國雖于19 82年制 定了大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，但尚未就燃?xì)庠O(shè)備nox的排放制 定標(biāo)準(zhǔn)，但越來越多的業(yè)內(nèi)人士已開始呼吁，北京市環(huán)保 局已對(duì)燃?xì)忮仩tnox的排放指標(biāo)提出要求。影響nox生成的因素有很多，不同燃?xì)鈿赓|(zhì)對(duì)nox生 成有重要的影響，在焦?fàn)t氣、天然氣、液化石油氣三種氣 源中，燃燒液化石油氣產(chǎn)生的nox最多，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其 它兩種氣體。因此，減少液化石油氣燃具nox的排放量更 具有重要的意義。inox的生成機(jī)理煙氣中的nox主要是no,約占90%左右，排入大氣后 部分再氧化成n0

5、2,故研究no x的生成機(jī)理，主要是研究 no的生成機(jī)理。no的生成形式有燃料型、溫度型和快速溫 度型三種。燃燒過程生成的no,主要是溫度型no(tno), 還有一部分快速溫度型n 0 (pn0),亦稱瞬時(shí)noo1. itno生成機(jī)理tno是空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷叵律傻?，其生?機(jī)理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家zeldvic h于1964年提出的。當(dāng)燃 氣和空氣的混合氣燃燒時(shí)，生成n0的主要反應(yīng)過程如下： n2+o=no+n n+02二n0+0按化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和zeldvich的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，n0的 生成速度可以表示為：式中：no ,n2 , 02- no, n2 , 02 的濃 度(gmol/cm2

6、 ) t 一時(shí)間(s)t 一反應(yīng)絕對(duì)溫度(k)r 通用氣體常數(shù)(j/gmol. k)對(duì)氧氣濃度大，燃料少的預(yù)混合火焰，用(3)式計(jì)算的no生成量，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相當(dāng)一致。但在小于化 學(xué)當(dāng)量比，即燃料過濃時(shí)，還存在下述反應(yīng)：n+oh=no+h從(3)式可知，n 0生成速度與t、n 2、02有關(guān)， 由于燃?xì)庠诳諝庵腥紵龝r(shí)，氮?dú)鉂舛茸兓苄?，故n2對(duì) n0生成速度影響很小，(3 )式中02取決于燃燒過程中燃 氣與空氣的當(dāng)量比，所以燃燒過程的溫度及當(dāng)量比對(duì)n 0的 生成影響很大，如圖1、圖2所示：當(dāng)燃燒溫度低于150 0攝氏度時(shí)，tn0生成量極少， 當(dāng)燃燒溫度高于1500攝氏度時(shí)，tn0生成量明

7、顯增大。 由圖1、圖2可見，溫度每增加10 ok, n0生成速度約增大 5倍，n0的生成量在燃料過多時(shí)，隨氧氣濃度增大而成比 例增大。燃燒溫度在當(dāng)量比等于1附近出現(xiàn)最大值，相應(yīng) 的n0的生成速度也達(dá)到最大值。在過量空氣系數(shù)遠(yuǎn)離1 時(shí)，n0的生成速度將急劇降低。同時(shí)n0的生成量隨煙氣在 高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間增加而增大。另外，由于(1)式即原子氧哦0和氮分子n,反應(yīng)的活 化能比原子氧和燃料中可燃成分反應(yīng)的活化能大，故n0的 生成速度比燃燒反應(yīng)慢，所以在火焰中不會(huì)生成大量的 no, no的生成過程是在火焰帶的后端進(jìn)行的，也就是說在 火焰下游大量生成的。綜上所述，影響t-no生成的主要因素是溫度、氧氣

8、濃度和停留時(shí)間。1. 2. pno生成機(jī)理快速溫度型no是碳?xì)湎等剂显谶^量空氣系數(shù)為0. 70. 8并預(yù)混燃燒時(shí)生成的，其生成地點(diǎn)不是在火焰面的下 游，而是在火焰內(nèi)部。它的生成機(jī)理至今還沒有明確的結(jié) 論。bowman認(rèn)為p一no的產(chǎn)生，是由于氧原子濃度遠(yuǎn)超過 氧分子離解的平衡濃度的緣故fenimore認(rèn)為pno是在碳 氫化合物燃料過濃燃燒時(shí)，先通過燃料產(chǎn)生的ch原子團(tuán)撞 擊n2分子，生成cn類化合物，生成的中間產(chǎn)物n、cn、 nch等，再進(jìn)一步被氧化而生成no。通常，p-no的生成量受溫度影響不大，且比t-no生 成量小一個(gè)數(shù)量級(jí)。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 燒過程中被氧化而生成的。燃料中的氮比空氣中的氮更容 易生成n 0,其生成溫度為60 0°c700°co氣體燃料燃燒, 由于其氮含量很低，燃燒過程所生成的燃料型no很少，可 以忽略不計(jì)。1. 4 n0,的生成no 2是由no氧化而成，其過程按如下反應(yīng)進(jìn)行：n0 十 h02=n0 2+0h (5)一般在預(yù)混火焰及擴(kuò)散火焰的反應(yīng)區(qū)或火焰面下游的 低溫區(qū)能檢測(cè)出n 02的存在，而火焰面下游的高溫區(qū)產(chǎn)生 極少。大量的n0轉(zhuǎn)化為n 02是在煙氣排入大氣后進(jìn)行的。 上式反應(yīng)速度與空氣中n0的濃度關(guān)系很大，濃度高則 n02轉(zhuǎn)化快，否則轉(zhuǎn)化慢。2燃?xì)馊紵龝r(shí)nox的抑制方法燃?xì)庵械?/p>

10、量極小，燃燒時(shí)幾乎沒有燃料型nox產(chǎn)生， 快速型n ox的生成量比溫度型nox小一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此降 低煙氣中的no x排放主要應(yīng)抑制tnox的生成。根據(jù)t nox的生成機(jī)理，其相應(yīng)的抑制手段有：(1) 降低燃燒溫度，注意減少燃燒局部高溫區(qū)；(2) 降低氧氣濃度；(3) 使燃燒過程在遠(yuǎn)離理論空氣比條件下進(jìn)行；(4 )縮短煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間。3n0x生成影響因素的實(shí)驗(yàn)及理論分析影響no x生成的因素有很多，本文對(duì)一次空氣系數(shù)、 火孔形狀與nox生成的關(guān)系進(jìn)行研究，建立如下圖所示試 驗(yàn)系統(tǒng)。本試驗(yàn)所用氣源為液化石油氣，燃燒器為大氣式(為設(shè) 計(jì)計(jì)算方便，選用純丙烷氣)，壓力為3kpa,熱負(fù)荷為

11、11kw,燃燒氣分內(nèi)外兩圈，火孔采用豎向矩形狀，內(nèi)側(cè)開 孔，火孔不易堵塞，且有利于熱效率的提高。3. 1混合特性對(duì)nox生成量的影響氣體燃料預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒的nox生成特性不同， 從降低生成量的角度看，預(yù)混燃燒比擴(kuò)散燃燒有優(yōu)越性。預(yù)混火焰中nox生成量受空氣、燃?xì)饣旌媳雀淖兌?起的溫度和02濃度變化的綜合影響。對(duì)試驗(yàn)中內(nèi)外圈調(diào)風(fēng)板不同開度下nox及c0生成量進(jìn) 行測(cè)試，結(jié)果如下表：（所測(cè)得的值均已換算到過?？諝庀?數(shù)為的狀態(tài)，并以干煙氣計(jì)，對(duì)不同調(diào)風(fēng)板開度下的混合 氣進(jìn)行取樣，用色譜分析混合氣成分，計(jì)算出一次空氣系 數(shù))不同內(nèi)外圈開度下nox及c0生成量內(nèi)圈調(diào)風(fēng)板開度一次空氣系數(shù)a)外因調(diào)

12、風(fēng)板開(一次空 氣系數(shù) 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從表中數(shù)據(jù)可以看出，外圍一次空氣系數(shù)在0.之間變 化時(shí)，nox生成量變化不大，隨著外圈一次空氣系數(shù)從0. 55降到0.

13、45, nox的生成量先下降后升高，最低點(diǎn)在外圈一次空氣系數(shù)為0. 51處岀現(xiàn)。內(nèi)圈調(diào)風(fēng)板從1 /3開度升到1/2開度，一次空氣系數(shù)增加很小，當(dāng)內(nèi)圈調(diào)風(fēng)板 從1/2開度升到全開時(shí)，一次空氣系數(shù)從0. 70增加到 0. 82, nox生成量隨一次空氣系數(shù)加大呈增加趨勢(shì)?？梢?一次空氣系數(shù)對(duì)no x生成影響很大，必須合理選取。從表中數(shù)據(jù)看，c0的生成量都在幾十ppm之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo) 要求。3. 2矩形火孔對(duì)降低nox生成量的作用理論分析和試驗(yàn)觀察，豎向矩形火孔有利于降低n ox 的生成量。當(dāng)豎向矩形火孔燃燒時(shí)，外火孔與內(nèi)圈燃燒器 頭部外側(cè)之間、內(nèi)火孔與中心軸線之間都存在一溫度場(chǎng)， 它們之間的距離

14、越大，溫度梯度越小，距離越小，溫度梯 度越大，但是，在逼近火焰面處，無論距離大小，溫度梯 度都非常大。齊浮升力的作屈下，煙氣向上運(yùn)行，同時(shí)， 由于吸附效應(yīng)及濃度擴(kuò)散原理，煙氣貼著火孔壁向上運(yùn)行。 因此，由于這種煙氣的擾動(dòng)作用，火焰溫度降低，從而抑 制了的nox生成。隨著內(nèi)外圈環(huán)縫、內(nèi)圈火孔與中心軸線 之間的距離加大，擾動(dòng)作用減小，內(nèi)外圈環(huán)縫、內(nèi)圈火孔 與中心軸線之間的距離越小，擾動(dòng)作用增加，但距離過小, 二次空氣二次空氣不足將導(dǎo)致c0的大量產(chǎn)生，因此，合理 選取豎向矩形火孔的長度、內(nèi)外圍燃燒器頭部直徑對(duì)控制 nox面積過小，及co的產(chǎn)生都是至關(guān)重要的。通過對(duì)人工 煤氣、天然氣、液化石油氣三種氣體的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)豎向矩 形火孔對(duì)降低液化石油氣燃具的nox生成量效果尤為顯著。 4結(jié)論與建議4. 1合理選擇一次空氣系數(shù)將降低預(yù)混火焰的nox生 成量；4. 2豎向矩形火孔有利于降低nox生成量，特別是對(duì) 降低液化石油氣燃具nox的排放，效果顯著。同時(shí)，應(yīng)注 意豎向矩形火孔長度