大氣污染控制工程2010-第10講 氮氧化物的污染控制

1、大氣污染控制工程第十講 氮氧化物的污染控制揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 氮氧化物的污染控制2l 1. 氮氧化物的性質及來源l 2. 燃燒過程中氮氧化物的形成機理l 3. 低氮氧化物燃燒技術l 4. 煙氣脫硝技術揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 氮氧化物的性質及來源 N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5 大氣中NOx主要以NO、NO2的形式存在 N2O：單個分子的溫室效應為CO2的200倍，并參與臭氧層的破壞 NO：大氣中NO2的前體物質，形成光化學煙霧的活躍組分3揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 NO2:強烈刺激性，

2、來源于NO的氧化，酸沉降l NO 的來源 固氮菌、雷電等自然過程（5108t/a） 人類活動（5107t/a）- 燃料燃燒占 90- 95以NO形式，其余主要為NO2氮氧化物的性質及來源4揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 氮氧化物的來源5揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 氮氧化物的來源6揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過程NOx的形成機理l 形成機理 燃料型NOx- 燃料中的固定氮生成的NOx 熱力型NOx- 高溫下N2與O2反應生成的NOx 瞬時NO- 低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO7揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大

3、學環(huán)境科學與工程學院 l 熱力型NOx的形成產生NO和NO2的兩個重要反應上述反應的化學平衡受溫度和反應物化學組成的影響平衡時NO濃度隨溫度升高迅速增加 2222NO2NO 11NOONO 22 燃燒過程NOx的形成機理8揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過程NOx的形成機理l 平衡常數和平衡濃度9揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 平衡常數和平衡濃度燃燒過程NOx的形成機理10揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l上述數據說明：室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉化為NO2800K左右，NO與NO2生成量仍然

4、很小，但NO生成量已經超過NO21)常規(guī)燃燒溫度（1500K）下，有可觀的NO生成，但NO2量仍然很小燃燒過程NOx的形成機理11揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 煙氣冷卻過程中，根據熱力學計算，NOx應主要以NO2的形式存在，但實際9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于動力學控制 NO/NOx Ratio boilervehicles nature gas0.91.0 internal comb. engine 0.991.0 coal0.951.0 6# fuel oil0.961.0 diesel engine0.771.0燃燒過程NOx的形成機理12揚州

5、大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 熱力型NOx形成的動力學Zeldovich模型b NO生成的總速率121222NONON (4)NONOO (5)2OM2OM (3)424525dNOON NNONO ONO (6)dkkkkt燃燒過程NOx的形成機理13揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 假定N原子的濃度保持不變 得到得到 代入（代入（6）式得）式得424552dNON NNOONONO 0dkkkkt425452ON ONON NOO kkkk穩(wěn)態(tài)2424552452242p,NO22452dNON (NO /O )2Od1(NO/O )2ON

6、1 NO /(N O ) =1(NO/O )kk kktkkkKkk燃燒過程NOx的形成機理14揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 假定O原子的濃度保持不變l 最終得1/22 ep,NOe1/2O O()KRT21/ 24p,O21/ 21/ 2p,NO1/ 21/ 24p,NO21/ 252ed(1)d2(1)4N ()()()N O NO/NOYMYxCYk KMRTKkKCkY燃燒過程NOx的形成機理15揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 積分得NO的形成分數與時間t之間的關系Y=NO/ NOe0 0.5 1 1.5 2.0 Mt1.00.51

7、1(1)(1)exp()ccYYMt燃燒過程NOx的形成機理16揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過程NOx的形成機理17揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 在各種溫度下NO濃度隨時間的變化曲線(N2O240：1) 燃燒過程NOx的形成機理18揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 碳氫化合物燃燒時，分解成CH、CH2和C2等基團，與N2發(fā)生如下反應b 火焰中存在大量O、OH基團，與上述產物反應22222CHNHCNNCHNHCNNHCN2CN2222HCNOHCNH OCNOCONOCNOCONNHOHNH ONHONOHNOHNO

8、HNONOO燃燒過程NOx的形成機理19揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 燃料中的N通常以原子狀態(tài)與HC結合，CN鍵的鍵能較N N 小，燃燒時容易分解，經氧化形成NOxl 火焰中燃料氮轉化為NO的比例取決于火焰區(qū)NO/O2的比例l 燃料中2080的氮轉化為NOxFuel NHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslow燃燒過程NOx的形成機理20揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過程NOx的形成機理21揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過

9、程NOx的形成機理22揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 燃燒過程NOx的形成機理23揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 低NOx燃燒技術l 控制NOx形成的因素 空氣燃料比 燃燒區(qū)溫度及其分布 后燃燒區(qū)的冷卻程度 燃燒器形狀24揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 傳統(tǒng)低NOx燃燒技術 1. 低氧燃燒- 降低NOx的同時提高鍋爐熱效率- CO、HC、碳黑產生量增加低NOx燃燒技術25揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 2. 降低助燃空氣預熱溫度 燃燒空氣由27oC預熱到315oC，NO排放量增加3倍低NOx燃燒技術

10、26揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 3. 煙氣循環(huán)燃燒 降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度主要減少熱力型NOx低NOx燃燒技術27揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 4. 兩段燃燒技術 第一段：氧氣不足，煙氣溫度低，NOx生成量很小 第二段：二次空氣，CO、HC完全燃燒，煙氣溫度低低NOx燃燒技術28揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 原理：低空氣過剩系數運行技術分段燃燒技術 1. 爐膛內整體空氣分級的低NOx直流燃燒器- 爐壁設置助燃空氣（OFA，燃盡風）噴嘴- 類似于兩段燃燒技術低NOx燃燒技術29揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學

11、環(huán)境科學與工程學院 l 2. 空氣分級的低NOx旋流燃燒器 一次火焰區(qū)：富燃，含氮組分析出但難以轉化 二次火焰區(qū)：燃盡CO、HC等低NOx燃燒技術30揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 3. 空氣/燃料分級的低NOx燃燒器 空氣和燃料均分級送入爐膛 一次火焰區(qū)下游形成低氧還原區(qū)，還原已生成的NOx低NOx燃燒技術31揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 低NOx燃燒技術32揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 煙氣脫硝技術l 脫硝技術的難點 處理煙氣體積大 NOx濃度相當低 NOx的總量相對較大33揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學

12、與工程學院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR） 催化劑：貴金屬、堿性金屬氧化物 還原反應 潛在氧化反應322232224NH4NOO4N6H O8NH6NO7N12H O32232224NH5O4NO6H O4NH3O2N6H O煙氣脫硝技術34揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術35揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術36揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR） 尿素或氨基化合物作為還原劑，較高反應溫度 化

13、學反應 同樣，需要控制溫度避免潛在氧化反應發(fā)生3222222224NH6NO5N6H OCO(NH )2NO0.5O2NCO2H O煙氣脫硝技術37揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術38揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術39揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 3. 吸收法 堿液吸收- 必須首先將一半以上的NO氧化為NOx- NO/NO21效果最佳2322222223322223222242NO2MOHMNOMNOH ONONO2MOH2MNOH O2NONa CONaNONaNOCONONONa CO2NaNOCOMK ,Na ,Ca,Mg ,(NH )煙氣脫硝技術40揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 3. 吸收法（續(xù)） 強硫酸吸收b 4. 吸附法吸附劑：活性炭、分子篩、硅膠、含氨泥煤NOx和SO2聯合控制技術22442NONO2H SO2NOHSOH O煙氣脫硝技術41揚州大學環(huán)境科學與工程學院揚州大學環(huán)境科學與工程學院 l 4. 吸附法（續(xù)） Nox和SO2聯合控制技術- 反應式-