在監(jiān)測過程中探討氮氧化物的產(chǎn)生與抑制
氮氧化物包括N2O、NO、N2O3 、N2O4 和N2O5 ,總稱氮氧化物,用NOx 表示。NOx 的發(fā)生源較為廣泛,幾乎在自然界中隨處都有NOx 的產(chǎn)生,像火山爆發(fā)、雷電、濕地、微生物分解等,自然界產(chǎn)生的NOx 每年大約有五億噸左右,由于生態(tài)循環(huán)這些NOx 大氣環(huán)境容量是可以承受的。現(xiàn)今人類活動產(chǎn)生的NOx 每年大約有兩億噸左右,其中燃燒產(chǎn)生的量約占90 % ,當然,同時也伴有其他有害氣體的產(chǎn)生。燃燒產(chǎn)生廢氣的增加,污染負荷超出了大氣環(huán)境的容量,因此導致了世界各地出現(xiàn)不同程度的大氣污染。如美國洛杉磯光化學污染、英國倫敦煙霧事件等等,更為嚴重的是燃燒產(chǎn)生大量廢氣的排放,導致了全球氣候變暖,自十九世紀五十年代以來,全球氣溫平均上升了013 ℃～016 ℃,人類面臨著生存的考驗。
大量的分析結(jié)果說明,造成大氣污染和溫室效應都與NOx 的過量排放有密切關(guān)系。我國對于控制NOx 的排放制定了嚴于SO2 的排放標準。
但是,在NOx 的抑制與處理方面卻沒有像處理SO2 和煙塵那么重視和普及,這可能與NOx 氣體無色無味容易使人忽視,以及處理難度和費用較大有關(guān)。
在對工業(yè)窯爐排放廢氣的監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn),NOx 的排放濃度與燃燒時的風量供給和燃燒溫度有密切關(guān)系。為了摸清NOx 的變化規(guī)律,通過定性和定量的試驗工作,取得了一些令人滿意的結(jié)果。
燃燒產(chǎn)生的NOx 主要為NO ,其余NOx 大多由NO 轉(zhuǎn)化而成,抑制NO 會減少其他NOx 的產(chǎn)生。燃燒產(chǎn)生的NOx 主要來自兩條途徑:一是空氣中的氮與氧在高溫下反應生成NO ,通過這種途徑產(chǎn)生的NOx ,稱為高溫型NOx ;二是燃料中的氮經(jīng)燃燒分解產(chǎn)生的NOx ,稱為燃料型NOx。
高溫型NOx 的反應式為
N2 + O = NO + N
N + O2 = NO + O
試驗一:在一高溫小爐中通入乙炔與空氣不同當量的混合氣體進行燃燒,對廢氣進行測量,結(jié)果如圖1。
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可見,高溫型NOx 在1500 ℃以下時生成量甚小,而且氣體的混合比也對NOx 的生成影響較大,當空氣與乙炔混合比小于016 時,NOx 的產(chǎn)生量極少;當比值為1 時,NOx 達到最高,隨著供風量的增加,NOx 又趨減少？梢钥隙,通過控制氧濃度和火焰溫度的方法,抑制高溫型NOx 的生成是非常有效的。
燃料型NOx 主要是分解氧化了燃料中的有機氮。一般煤中的氮含量為014 %～315 % ,重油的氮含量為011 %～013 % ,有機氮在燃燒中被分解釋放后,首先形成NH3 、HCN 等中間產(chǎn)物,再進一步氧化還原,最終形成N2 和NOx。
試驗二:在一燃煤爐窯的不同風量、不同溫度的條件下,對NOx 的變化情況進行檢測,結(jié)果如圖2、圖3。
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圖 2 說明,隨著空氣過剩系數(shù)的增大,NOx 的生成濃度顯著提高,由此可見,調(diào)整好空氣量是降低燃料型NOx 的一個重要操作因素。圖3 說明,燃料中的有機氮在900 ℃左右就開始分解氧化,并且很快達到極點,即使溫度繼續(xù)升高,NOx 的變化很小。燃料型NOx 的產(chǎn)生量主要決定于燃料中氮的含量和供風量的多少,它對溫度的依賴性很小。
通過以上試驗,可以發(fā)現(xiàn)在燃燒過程中NOx的產(chǎn)生與其它氣體的產(chǎn)生相比有它的特殊性。像S、C 等元素,只要燃料中存在,燃燒后就會以氧化物的形態(tài)釋放出來,總的產(chǎn)生量不會因其他條件的改變而發(fā)生大的變化。而NOx 的產(chǎn)生量卻不同,由于燃燒條件的改變,它可以“無中生有”,也能“有而不顯”。“無中生有”是指盡管有些燃料中沒有有機氮存在(如氣體燃料) ,但在燃燒過程中空氣中的N2 在高溫條件下,同樣可以生成NOx ;相反,有些燃料本來就存在一定比例的有機氮,但若改變一下燃燒方式,大部分有機氮就會以N2 的形式出現(xiàn),極少形成NOx ,這就是“有而不顯”。
NOx 的這一生成特性表明,只要創(chuàng)造合適的條件,NOx 的產(chǎn)生量就會減少。
無論是高溫型NOx 還是燃料型NOx 均與空氣的混合量有關(guān)。圖2、圖3 表明,在燃燒初期呈缺氧狀態(tài)時,NOx 的產(chǎn)生量很低,說明在缺氧情況下,一部分有機氮和NOx 被還原成N2 ,這一特點對抑制NOx 的產(chǎn)生非常重要。為了尋找抑制NOx產(chǎn)生的措施,又進行了許多抑制NOx 產(chǎn)生的實驗,經(jīng)過反復比較,認為最經(jīng)濟、最可行的抑制辦法是二次燃燒技術(shù)。所謂二次燃燒就是在同一個燃燒室內(nèi)分兩次提供風量來完成一個燃燒過程。
一般, 第一次所供風量占總需風量的60 %～80 % ,二次供風量占30 %～50 % ,在不同位置分次供風便形成了兩個燃燒區(qū)域。
二次燃燒技術(shù)抑制NOx 產(chǎn)生的機理:在缺氧的狀態(tài)下第一燃燒區(qū)的火焰溫度受到了限制,可以明顯見到其火焰呈暗紅色,由試驗可知,如此低的溫度條件下,高溫型NOx 的產(chǎn)生量極少。對于燃料型NOx 而言,燃料中的有機氮雖然可以在低溫下釋放,但由于在這個區(qū)域只供了60 %～80 %的風量,所以該區(qū)域呈還原氣氛,大部分中間產(chǎn)物如NH3 、HCN 等,被還原成N2 ;在火焰下游二次供風時,由于是一種補充燃燒,盡管燃燒溫度提高了很多,但N2 在高溫區(qū)停留的時間縮短了,而且燃燒量也減少了三分之二,所以形成NOx 的機率較一次燃燒方式會大大減少。檢測結(jié)果表明,同樣的氣體燃料,同樣的供風量,采用二次燃燒與一次燃燒相比,NOx 可降低三分之一左右。對液體和固體燃料雖沒有做過試驗,但可以推斷出由于這兩種燃料中存在一定比例的有機氮,如果燃燒中沒有還原氣氛,NOx 的產(chǎn)生量必然會增大,如果應用二次燃燒技術(shù),NOx 的下降比數(shù)肯定要大于氣體燃料。
根據(jù)二次燃燒的原理設(shè)計出一種氣體降氮燃燒器,它的特點是不需要增加設(shè)備和改造爐膛,便可形成二次燃燒,其結(jié)構(gòu)和燃燒示意圖如圖4。
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該燃燒器形成二次燃燒的關(guān)鍵是兩次供風角度的改變和兩次風量分配。自燃燒器出口到小于α1 頂點形成第一燃區(qū),在這個區(qū)域內(nèi)供風量的大小由內(nèi)圈孔的數(shù)量及孔徑?jīng)Q定,并且要求供風量只能占總風量的60 %～80 % ,第一燃區(qū)伸展長度決定于孔徑角度。自<α1 的頂點到<α2 頂點形成第二燃區(qū),這個區(qū)域內(nèi)的供風量取決于外圈孔徑及孔數(shù),其大小以剛好滿足完全燃燒為準,外圈孔徑和角度要根據(jù)燃燒室的容量及長度而定,使用這種燃燒器后,不但NOx 降低了三分之一,而且廢氣量和排煙溫度都有所下降。這一現(xiàn)象說明,二次燃燒技術(shù)還具有降低空氣過剩系數(shù)的作用。
目前,在NOx 的后期處理方面也有很多方法,如氨催化還原法、活性炭吸附法等。應用這些方法處理廢氣中的NOx 在理論上是可行的,但其使用條件的嚴格和運行費用的昂貴,使大多數(shù)企業(yè)難以接受,即使安裝了脫氮設(shè)備,也保證不了連續(xù)穩(wěn)定的運行。二次燃燒技術(shù)的可行之處就在于該技術(shù)安全實用,沒有條件限制,無需增加任何的投資和運行費用,便可達到穩(wěn)定抑制NOx 產(chǎn)生的目的？梢,抑制NOx 產(chǎn)生應該放在首要的位置,后期處理可以作為一種補充手段來進一步降低NOx 的排放量。
此項技術(shù)可降低三分之一NOx 的排量,如果大多數(shù)燃點都能減少三分之一的排量,無疑對保護環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。
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