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�設(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�產(chǎn)生的煙氣中的污染物質(zhì)主要有CO、SO2和NOx，其中CO和SO2對環(huán)境的污染和對人體的危害已廣為人知，人們通過來取各種措施，有效地降低了CO和SO2的生成。NOx對環(huán)境的污染和對人類健康的危害，本世紀(jì)四十年代才引起科學(xué)家的注意。NOx包括NO、NO2，N2O、N2O3,N2O4、N2O5等，煙氣中的NOx主要是NO和NO2。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。NO2是黃棕色有刺激性氣味的氣體，毒性比NO高4—5倍，它能刺激呼吸系統(tǒng)，引起肺氣腫。人在NO2濃度為16．9ppm下暴露10分鐘，就會(huì)產(chǎn)生呼吸困難和支氣管痙攣現(xiàn)象，NO2濃度為90—100ppm時(shí)，接觸三小時(shí)即可致人死亡。NOx不僅造成一次污染，還會(huì)對環(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人有嚴(yán)重危害，對植物、建筑物、水源等都有嚴(yán)重的污染和損害。可見，NOx對環(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N(yùn)Ox的生成與排放是保護(hù)環(huán)境的根本方法。降低燃?xì)庥镁逳Ox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NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)，如80年代初美國和日本對小型燃?xì)忮仩t制定的NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)為100ppm和150ppm。我國雖于1982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。

1 NOx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NO2，故研究NOx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(T—NO)，還有一部分快速溫度型NO(P—NO)，亦稱瞬時(shí)NO。

1．1 T—NO生成機(jī)理

T—NO是空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠诟邷叵律�成的，其生成機(jī)理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldvich于1964年提出的。當(dāng)燃?xì)夂涂諝獾幕旌蠚馊紵龝r(shí)，生成NO的主要反應(yīng)過程如下：

N2+O＝NO+N ⑴

N+O2=NO+O 　　　　�、�

按化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和Zeldvich的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，NO的生成速度可以表示為：

⑶

式中：[NO]，[N2]，[O2]-NO，N2，O2的濃度(gmol/cm2)

t一時(shí)間(s)

T一反應(yīng)絕對溫度(K)

R一通用氣體常數(shù)(J／gmol．K)

對氧氣濃度大，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，NO生成速度與T、[N2]、[O2]有關(guān)，由于燃?xì)庠诳諝庵腥紵龝r(shí)，氮?dú)鉂舛茸兓�很小，故[N2]對NO生成速度影響很小，(3)式中[O2]取決于燃燒過程中燃?xì)馀c空氣的當(dāng)量比，所以燃燒過程的溫度及當(dāng)量比對NO的生成影響很大，如圖l、圖2所示：

當(dāng)燃燒溫度低于1500攝氏度時(shí)，T—NO生成量極少，當(dāng)燃燒溫度高于1500攝氏度時(shí)，T—NO生成量明顯增大。由圖1、圖2可見，溫度每增加100K， NO生成速度約增大5倍，NO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NO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)，NO的生成速度將急劇降低。同時(shí)NO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O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NO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—N0生成的主要因素是溫度、氧氣濃度和停留時(shí)間。

1．2． P—NO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0．7—0．8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—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P—NO是在碳?xì)浠�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)。

1．3 F—NO的生成

F—NO是以化合物形式存在于燃料中的氮原子，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NO，其生成溫度為600℃—700℃。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 NO，的生成

NO2是由NO氧化而成，其過程按如下反應(yīng)進(jìn)行：

NO十HO2=NO2+OH 　(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)能檢測出NO2的存在，而火焰面下游的高溫區(qū)產(chǎn)生極少。大量的NO轉(zhuǎn)化為NO2是在煙氣排入大氣后進(jìn)行的。⑹

上式反應(yīng)速度與空氣中NO的濃度關(guān)系很大，濃度高則NO2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�含量極小，燃燒時(shí)幾乎沒有燃料型NOx產(chǎn)生，快速型NOx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NOx排放主要應(yīng)抑制T—NOx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。

3 NOx生成影響因素的實(shí)驗(yàn)及理論分析

影響NOx生成的因素有很多，本文對一次空氣系數(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�引起的溫度和O2濃度變化的綜合影響。

對試驗(yàn)中內(nèi)外圈調(diào)風(fēng)板不同開度下NOx及CO生成量進(jìn)行測試，結(jié)果如下表：(所測得的值均已換算到過�？諝庀禂�(shù)為1.0的狀態(tài)，并以干煙氣計(jì)，對不同調(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CO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)風(fēng)板開(一次空氣系數(shù)a1) 1/3(0.6987) 1/2(0.7006) 2/3(0.7275) 1(0.8219) NOx CO NOx CO NOx CO NOx CO 1/3(0．4469) 73．5 58．2 74．1 59．3 72．6 56．6 76．4 71．5 1/2(0．5147) 72．7 52．9 69．9 58．2 68．3 46．7 75．8 53．2 2/3(0．5583) 81．9 65．5 78．9 62．5 78．9 63．2 76．6 67．6 1(0．7174) 79．4 56．5 77．7 63．8 77．7 55．9 85．7 62．8

從表中數(shù)據(jù)可以看出，外圍一次空氣系數(shù)在0．56-0.72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0．45，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處出現(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。可見，一次空氣系數(shù)對NOx生成影響很大，必須合理選取。從表中數(shù)據(jù)看，CO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NOx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，它們之間的距離越大，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CO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控制NOx面積過小，及CO的產(chǎn)生都是至關(guān)重要的。通過對人工煤氣、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、內(nèi)外圈頭部直徑的選取。

4．3影響NOx生成的因素有很多，有些因素不但影響NOx生成，且對CO及熱效率也有影響，因此，設(shè)計(jì)液化石油氣低NOx燃具時(shí)必須綜合考慮NOx CO及熱效率三方面的關(guān)系，以獲取最佳綜合效果。

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