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脱硝基础:高温陶瓷窑炉内NOx的生成机理

发布者:河北诚誉环境工程有限公司发表时间:2018-04-17
  早在90年代初期,国外陶瓷窑炉界就开始重视陶瓷窑炉中排出的NOx的污染这个问题,并企图从燃烧方式着手解决这个问题。我国近年来也开始逐步重视,科技界已有人跟踪国外,试图用脉冲燃烧来解决它;但陶瓷窑炉NOx的严重排放,不仅仅是改进燃烧系统就可以得到解决的问题,我们也进行过测试,同一种窑型,烧成不同的产品,其烟气中的NOx的含量就不同,窑内烧成气氛(氧化或还原)其所排放的烟气中NOx含量亦不同,故陶瓷窑炉中NOx的产生是一个系统工程。由此看来,研究陶瓷窑炉中NOx的生成与破坏机理,并在其基础上提出经济上、技术上可行的综合治理方案已迫在眉睫。
  燃烧矿物燃料如煤、原油、天然气等;生成氮氧化物污染有三种;即热力NOx,快速NOx,和燃料Nox[1~6]。
  1. 热力N0x
  关于热力NOx的生成机理是高温下空气的N2氧化形成NO;,其主成速度与燃烧温度有很大关系,当燃烧温度低于1400℃时热力NOx生成速度较慢,当温度高于1400℃反应明显加快,根据阿累尼乌斯定律,反应速度按指数规律增加。这说明,在实际炉内温度分别不均匀的情况下,局部高温的地方会生成很多的NOx;并会对整个炉内的NOx生成量起决定性影响。热力NOx的生成量则与空气过剩系数有很大关系,氧浓度增加,NOx生成量也增加。当出现15%的过量空气时,NOx生成量达到最大:当过量空气超过15%时。由于NOx被稀释,燃烧温度下降,反而会导致NOx生成减少。热力NOx的生成还与烟气在高温区的停留时间有关,停留时间越长,NOx越多。这是因为窑炉燃烧温度下,NOx的生成反应还未达到平衡,因而NOx的生成量将随烟气在高温区的停留时间增长而增加。至今认为研究得比较充分的是Zeldovick等人的生成理论,其主要反应如下:
  2. 快速NOx
  快速NOx是1971年Fenimore根据碳氢燃料预混火焰的轴向NOx分布实验结果提出的,是燃料在燃烧过程中碳氢化合物分解的中间产物N2反应生成的氮氧化合物,其生成速度极快,主要在火焰面上形成,且生成量较小,一般在5%以下,其主要反应如下:
  在温度低于2000K(1727℃)时,NOx主成主要通过CH一N2反应;在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时,需重点考虑快速NOX的生成。
  3.燃料NOx
  “燃料”NOx是由化学地结合在燃料中的杂环氮化物热分解,并与氧化合而生成的NOx,其生成量与燃料中氮的含量有很大关系,当燃烧中氮的含量超过0.1%时,结合在燃料的氮转化为NOx的量占主要地位,如煤的含氮量一般为0.5~2.5%;燃料NOx的形成可占生成总量的60%以上,燃料氮转化为NOx量主要取决于空气过剩系数,空气过剩系数降低,NOx的生成量也降低,这是因为在缺氧状态下,燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧,由于氮缺乏竞争能力,而减少了NOx的形成。其主要反应途径如下。(1)氮化物大量转化为HCN和NH3,(2)HCN和NH3被氧化。反应方程如下:
  国际上开展NOx生成机理及其控制的研究已有一二十年了。不过,目前关于燃烧过程中NOx生成的研究主要是以实验为主,还没形成完善的理论,如在煤粉燃烧领域内,主要是通过对具体过程进行实验研究与分析:希望找到一些规律,为解决实际问题提供依据、此外,从文献中也可以看到所有的研究都是公式少、实验曲线多、定量分析少而定性解释多的情况,这反映出NOX生成机理和控制是一个比较复杂、困难的领域,也是一个需要进行大量工作和大有可为的领域。特别对于陶瓷窑炉的NOX生成机理研究的报道不多,由其引起的环境污染也还没有引起足够的重视。
  脱硝即脱出烟气中的氮氧化物,脱硝系统使用脱硝喷枪,喷射还原剂,还原氮氧化物为氮气和水,减少对大气的污染。
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