燃燒源典型污染物控制.docx

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1、通過(guò)NO-焦炭反應(yīng)影響研究來(lái)降低氮氧化物排放一、課題研究背景1.1NOx排放及危害我國(guó)是世界上煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭占能源消費(fèi)的比例很高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年全國(guó)煤炭總產(chǎn)量為23.8億噸，占世界總煤炭產(chǎn)量的37%[1]。占整體能源消費(fèi)總量的69.4%[2]。2009年，全國(guó)火電站的NOx排放總量為860萬(wàn)噸[3]，目前我國(guó)NOx生成以燃燒過(guò)程產(chǎn)生的為主，約占30%，而其中的70%源自于煤炭直接燃燒[4]。2011年我國(guó)煤炭總消耗量約為35.8億噸，其中發(fā)電用煤約占43%。在煤炭直接燃燒過(guò)程中，有三種NOx生成

2、形式：1.熱力型NOx：燃料燃燒過(guò)程中，會(huì)形成高溫環(huán)境，根據(jù)澤爾多維奇（Zelidovich）原理，在高溫條件下，N2會(huì)直接與O2反應(yīng)生成NO。熱力型NO與溫度、高溫區(qū)停留時(shí)間、O2濃度等因素有關(guān)，其中溫度對(duì)其影響最大。其具體的反應(yīng)式如下：O+N2NO+N(1-1)N+O2NO+O(1-2)N+OHNO+H(1-3)2.燃料型NOx：在多數(shù)現(xiàn)有燃料中，都含有N元素，它們以各種含N化合物的形式存在，在燃燒過(guò)程中，高溫會(huì)似的含N的環(huán)式結(jié)構(gòu)或鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[5]發(fā)生斷裂，經(jīng)過(guò)再次氧化，形成NO。在我國(guó)發(fā)電用煤煤炭在所有化石

3、燃料中N元素含量最多，燃料型NOx在煤燃燒產(chǎn)生NOx最主要的形式[6]。3.快速型NOx：當(dāng)碳?xì)淙剂蠠峤鈺r(shí)，會(huì)產(chǎn)生CH2、CH等活性基團(tuán)，這些基團(tuán)會(huì)與空氣中的N2發(fā)生反應(yīng)，生成中間產(chǎn)物HCN等，再經(jīng)過(guò)氧化轉(zhuǎn)化為NO?？焖傩蚇Ox在烴類燃燒的過(guò)程中比較常見。煤炭在高溫條件下燃燒會(huì)生成NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4和N2O5等氣體，它們均為對(duì)人體有害氣體，統(tǒng)稱NOx。其中，NO2為所有氮氧化物中最穩(wěn)定的存在形式，其余種類的氮氧化物在加熱、光照等條件下均會(huì)轉(zhuǎn)化為NO2。在煤燃燒產(chǎn)生的NOx中，主要組成部分為

4、NO，其余為NO2，二者均會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重傷害，并造成環(huán)境污染。氮氧化物的危害主要體現(xiàn)在以下方面：1.對(duì)人體的傷害NO是一種無(wú)色無(wú)味的劇毒氣體，其最大的危害就在于和血紅蛋白的結(jié)合能力極強(qiáng)，為氧氣的30萬(wàn)倍[7]，在NO濃度過(guò)高的氣氛中停留，會(huì)因?yàn)榻M織缺氧產(chǎn)生一系列癥狀，甚至危及生命。NO2是一種紅棕色有刺激性氣味的氣體，具有很強(qiáng)的粘膜刺激性，其毒性為NO的5~10倍，即為CO毒性的5000~10000倍，極易引發(fā)肺水腫等病癥。2.對(duì)環(huán)境造成污染NOx對(duì)環(huán)境造成污染可以體現(xiàn)在幾個(gè)方面：首先，會(huì)引起臭氧層破壞。

5、有一部分NO會(huì)隨著大氣環(huán)流進(jìn)入平流層，然后發(fā)生一系列反應(yīng)，主體反應(yīng)式可以表示為：NO+O3→NO2+O2（M催化）(1-4)NO2+O→NO+O2(1-5)其中M為空氣中懸浮顆粒物等物質(zhì)，這是一個(gè)連續(xù)反應(yīng)，會(huì)持續(xù)破壞臭氧層，是造成臭氧層空洞的元兇之一。其次，NOx與大氣中的水蒸氣反應(yīng)會(huì)形成酸雨降到地面，對(duì)地面植被及建筑物造成強(qiáng)烈的腐蝕作用。再次，NOx中的N2O為溫室氣體，其強(qiáng)度為CO2的250倍。1.2NOx減排及治理目前實(shí)行的NOx減排控制技術(shù)大致可以分為燃燒過(guò)程中控制及燃燒后控制兩類。1.低NOx燃燒器低

6、NOx燃燒器為典型的在燃燒過(guò)程中控制NOx排放的方法。對(duì)于燃煤鍋爐，其燃料型NOx占據(jù)總排放量的主要部分。低NOx燃燒器設(shè)計(jì)的主旨就是在噴口附近的著火區(qū)域形成“富燃料區(qū)域”，控制煤粉與二次風(fēng)的混合，實(shí)現(xiàn)在著火區(qū)抑制NOx形成的效果。2.燃燒后控制燃燒后控制是指對(duì)鍋爐產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行進(jìn)一步的處理，降低其中NOx的含量。目前普遍采用的是SCR、SNCR等技術(shù)。SCR稱為選擇性催化還原技術(shù)，在爐膛尾部煙道中噴入NH3使之與煙氣混合，在催化劑的作用下，將NO還原為N2，這種方法降低NOx排放的效率很高。SNCR稱為選擇性

7、非催化還原技術(shù)，是將NH3等還原劑在爐膛燃燒后的高溫區(qū)噴入，利用較高的溫度，在沒有催化劑的條件下降NOx還原為N2。這種方法的效率較SCR略低，通常可與低NOx燃燒技術(shù)配合使用，經(jīng)濟(jì)性較好。對(duì)于NOx的排放，我國(guó)有嚴(yán)格的法律法規(guī)限制，并且正在不斷的完善。2011年7月我國(guó)頒布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）》，于2012年開始實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定到2014年7月1日，燃煤鍋爐的NOx排放限制定為100mg/m3，部分地區(qū)為200mg/m3[8]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)有的燃煤鍋爐提出了嚴(yán)格的要求。對(duì)NOx

8、的減排已刻不容緩，對(duì)NOx反應(yīng)機(jī)理的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。二、NO-焦炭反應(yīng)的國(guó)內(nèi)外研究2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究者對(duì)于NO-焦炭反應(yīng)做了大量的研究工作，但是多數(shù)集中在<1473K的范圍內(nèi)。Aarna和Suuberg[9]研究了CO對(duì)NO-焦炭反應(yīng)影響，發(fā)現(xiàn)在有CO存在的條件下，NO-焦炭反應(yīng)體現(xiàn)出了與CO不存在時(shí)反應(yīng)完全不同的性質(zhì)?？梢杂孟旅娴姆磻?yīng)式來(lái)表示：NO+CO→1/2