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液化石油氣低NOx燃燒技術(shù)探討
液化石油氣低NOx燃燒技術(shù)探討 隨著燃氣事業(yè)的發(fā)展，我國燃料結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，燃煤向燃氣轉(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，液化石油氣就是燃氣供應中不可缺少的重要組成部分，特別是在城市煤氣管網(wǎng)達不到的地方以及城市煤氣的發(fā)展不能及時滿足供應的城鄉(xiāng)地區(qū)，都需要大量使用液化石油氣。 任何燃氣燃燒設備在供給熱能的同時，都要產(chǎn)生大量煙氣p煙氣中的有害成分會直接污染大氣或首先污染室內(nèi)空氣而后再污染大氣。燃氣燃燒產(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，本世紀四十年代才引起科學家的注意。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，就會產(chǎn)生呼吸困難和支氣管痙攣現(xiàn)象，NO2濃度為90—100ppm時，接觸三小時即可致人死亡。NOx不僅造成一次污染，還會對環(huán)境造成二次污染，排放到大氣中的NOx遇到碳氫化合物時，在太陽光中紫外線的作用下發(fā)生光化學反應，生成具有刺激性的淺藍色煙霧，造成嚴重的光化學煙霧污染。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。 光化學煙霧污染和酸雨不僅對人有嚴重危害，對植物、建筑物、水源等都有嚴重的污染和損害�？梢�，NOx對環(huán)境污染及人體健康的危害是極其嚴重的。 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環(huán)境的根本方法。降低燃氣用具NOx的生成與排放，以保護環(huán)境質(zhì)量，是急待解決的問題。一些發(fā)達國家早在七十年代就開始制定燃氣設備NOx的排放標準，如80年代初美國和日本對小型燃氣鍋爐制定的NOx的排放標準為100ppm和150ppm。我國雖于1982年制定了大氣環(huán)境質(zhì)量標準，但尚未就燃氣設備NOx的排放制定標準，但越來越多的業(yè)內(nèi)人士已開始呼吁，北京市環(huán)保局已對燃氣鍋爐NOx的排放指標提出要求。 影響NOx生成的因素有很多，不同燃氣氣質(zhì)對NOx生成有重要的影響，在焦爐氣、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)值遠遠高于其它兩種氣體。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的生成機理，主要是研究NO的生成機理。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NO。 1．1 T—NO生成機理 T—NO是空氣中的氮氣和氧氣在高溫下生成的，其生成機理是由前蘇聯(lián)科學家Zeldvich于1964年提出的。當燃氣和空氣的混合氣燃燒時，生成NO的主要反應過程如下： N2+O＝NO+N ⑴ N+O2=NO+O �、� 按化學反應動力學方程和Zeldvich的實驗結(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一時間(s) T一反應絕對溫度(K) R一通用氣體常數(shù)(J／gmol．K) 對氧氣濃度大，燃料少的預混合火焰，用(3)式計算的NO生成量，其計算結(jié)果與實際結(jié)果相當一致。但在小于化學當量比，即燃料過濃時，還存在下述反應： N+OH=NO+H 從(3)式可知，NO生成速度與T、[N2]、[O2]有關(guān)，由于燃氣在空氣中燃燒時，氮氣濃度變化很小，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氣與空氣的當量比，所以燃燒過程的溫度及當量比對NO的生成影響很大，如圖l、圖2所示： 當燃燒溫度低于1500攝氏度時，T—NO生成量極少，當燃燒溫度高于1500攝氏度時，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，隨氧氣濃度增大而成比例增大。燃燒溫度在當量比等于1附近出現(xiàn)最大值，相應的NO的生成速度也達到最大值。在過量空氣系數(shù)遠離1時，NO的生成速度將急劇降低。同時NO的生成量隨煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間增加而增大。 另外，由于(1)式即原子氧哦O和氮分子N，反應的活化能比原子氧和燃料中可燃成分反應的活化能大，故NO的生成速度比燃燒反應慢，所以在火焰中不會生成大量的NO，NO的生成過程是在火焰帶的后端進行的，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、氧氣濃度和停留時間。 1．2． P—NO生成機理 快速溫度型NO是碳氫系燃料在過量空氣系數(shù)為0．7—0．8并預混燃燒時生成的，其生成地點不是在火焰面的下游，而是在火焰內(nèi)部。它的生成機理至今還沒有明確的結(jié)論。Bowman認為P—NO的產(chǎn)生，是由于氧原子濃度遠超過氧分子離解的平衡濃度的緣故Fenimore認為P—NO是在碳氫化合物燃料過濃燃燒時，先通過燃料產(chǎn)生的CH原子團撞擊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生成量小一個數(shù)量級。 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。 1．4 NO，的生成 NO2是由NO氧化而成，其過程按如下反應進行： NO十HO2=NO2+OH (5) 一般在預混火焰及擴散火焰的反應區(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行的。⑹ 上式反應速度與空氣中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 燃氣燃燒時NOx的抑制方法 燃氣中氮含量極小，燃燒時幾乎沒有燃料型NOx產(chǎn)生，快速型NOx的生成量比溫度型NOx小一個數(shù)量級，因此降低煙氣中的NOx排放主要應抑制T—NOx的生成。根據(jù)T—NOx的生成機理，其相應的抑制手段有： (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)使燃燒過程在遠離理論空氣比條件下進行； (4)縮短煙氣在高溫區(qū)內(nèi)的停留時間。 3 NOx生成影響因素的實驗及理論分析 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)系進行研究，建立如下圖所示試驗系統(tǒng)。 本試驗所用氣源為液化石油氣，燃燒器為大氣式(為設計計算方便，選用純丙烷氣)，壓力為3KPa，熱負荷為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 氣體燃料預混燃燒和擴散燃燒的NOx生成特性不同，從降低生成量的角度看，預混燃燒比擴散燃燒有優(yōu)越性。 預混火焰中NOx生成量受空氣、燃氣混合比改變而引起的溫度和O2濃度變化的綜合影響。 對試驗中內(nèi)外圈調(diào)風板不同開度下NOx及CO生成量進行測試，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，對不同調(diào)風板開度下的混合氣進行取樣，用色譜分析混合氣成分，計算出一次空氣系數(shù)) 不同內(nèi)外圈開度下NOx及CO生成量 內(nèi)圈調(diào)風板開度一次空氣系數(shù)a)外因調(diào)風板開(一次空氣系數(shù)a1)1/3(0.6987)1/2(0.7006)2/3(0.7275)1(0.8219)NOxCONOxCONOxCONOxCO1/3(0．4469)73．558．274．159．372．656．676．471．51/2(0．5147)72．752．969．958．268．346．775．853．22/3(0．5583)81．965．578．962．578．963．276．667．61(0．7174)79．456．577．763．877．755．985．762．8 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，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，最低點在外圈一次空氣系數(shù)為0．51處出現(xiàn)。內(nèi)圈調(diào)風板從1／3開度升到1／2開度，一次空氣系數(shù)增加很小，當內(nèi)圈調(diào)風板從1／2開度升到全開時，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�？梢�，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，遠遠低于國標要求。 3．2 矩形火孔對降低NOx生成量的作用 理論分析和試驗觀察，豎向矩形火孔有利于降低NOx的生成量。當豎向矩形火孔燃燒時，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，煙氣向上運行，同時，由于吸附效應及濃度擴散原理，煙氣貼著火孔壁向上運行。因此，由于這種煙氣的擾動作用，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，擾動作用增加，但距離過小，二次空氣二次空氣不足將導致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，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，應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，設計液化石油氣低NOx燃具時必須綜合考慮NOx CO及熱效率三方面的關(guān)系，以獲取最佳綜合效果。 參考文獻： 1．莊永茂、施惠幫．燃燒與污染控制．上海：同濟大學出版社，1998 2．白麗萍、傅忠誠．火焰冷卻體降低燃氣熱水器NOx排放的研究．煤氣與熱力，1999年第6期 3．姜正侯． 燃氣工程技術(shù)手冊．上海：同濟大學出版社，1993
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