烧结过程中氮氧化物生成机理及控制

1、2017年年4月月2日日NOx的形成机理（一）的形成机理（一）一、一、 NOx的形成机理的形成机理 在燃料的燃烧过程中，在燃料的燃烧过程中，NOx的生成通过三种机理，三种机理所生成的的生成通过三种机理，三种机理所生成的NOx分别称作燃料型分别称作燃料型NOx（ Fuel NOx）、温度型或热力型）、温度型或热力型NOx（Thermal NOx）和快速型（或速度型）和快速型（或速度型）NOx（Prompt NOx）：）：1燃料型燃料型NOx 燃料本身所含的氮的有机物诸如喹啉燃料本身所含的氮的有机物诸如喹啉(C5H5N)、吡啶、吡啶(C9H7N)等，在高温下释放出氮和氧化等，在高温下释放出氮和氧化

2、合生成的合生成的NOx，称作燃料型，称作燃料型NOx。2温度型或热力型温度型或热力型NOx 燃烧时空气中的燃烧时空气中的2在高温下氧化生成的在高温下氧化生成的NOx，称作温度型或热力型，称作温度型或热力型NOx。3快速型（或速快速型（或速度型）度型）NOx碳氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的碳氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的NOx，称作快速型（或速度型），称作快速型（或速度型）NOx，对于大多数的矿，对于大多数的矿物燃料，这类物燃料，这类NOx含量较小含量较小3快速型（或速度型）快速型（或速度型）NOx碳氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的碳氢燃料在燃料过多时燃烧所产生的NOx，称作快速型（或，称作快速型

3、（或速度型）速度型）NOx，对于大多数的矿物燃料，这类，对于大多数的矿物燃料，这类NOx含量较小含量较小NOx的控制方法分类的控制方法分类见诸于文献资料上有关见诸于文献资料上有关NOx的治理方法有几十种之多，这些方法大体上可以分为两大类的治理方法有几十种之多，这些方法大体上可以分为两大类 一级污染预防措施和二级污染预防措施。一级污染预防措施和二级污染预防措施。一级污染预防措施是指在一级污染预防措施是指在NOx生成前的所有控制措施。生成前的所有控制措施。一级污染预防措施主要是通过改进燃烧方式减少一级污染预防措施主要是通过改进燃烧方式减少NOx的生成量。基于的生成量。基于NOx的形成受温度的的形成

4、受温度的影响极大这一规律，可以通过改进燃烧方式避开使影响极大这一规律，可以通过改进燃烧方式避开使NOx大量生成的温度区间，从而实现大量生成的温度区间，从而实现NOx的减排。的减排。燃烧方式的改进通常是一种相对简便易行的减少燃烧方式的改进通常是一种相对简便易行的减少NOx排放的措施排放的措施 ，但这种措施，但这种措施会带来燃烧效率的降低，不完全燃烧损失增加，而且会带来燃烧效率的降低，不完全燃烧损失增加，而且NOx的脱除率也不够高，的脱除率也不够高，因此随着环保要求的不断提高，燃烧的后处理越来越成为必然。因此随着环保要求的不断提高，燃烧的后处理越来越成为必然。二级污染预防措施是指在二级污染预防措施

5、是指在NOx的生成后的控制措施，即对燃烧后产生的含的生成后的控制措施，即对燃烧后产生的含NOx的烟气的烟气(尾气尾气)进行脱氮处理，又称为烟气脱硝（进行脱氮处理，又称为烟气脱硝（Flue gas deNOx）或废气脱硝）或废气脱硝（Waste gas deNOx）。）。NOx的危害性及排放情况的危害性及排放情况氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括一氧化氮氮氧化物是化石燃料与空气在高温燃烧时产生的，包括一氧化氮(NO)、二氧化氮、二氧化氮(NO2)和氧化二氮和氧化二氮(N2O)。还有。还有NmOn氮氧化物的危害性表现在：氮氧化物的危害性表现在：对人体健康的直接危害。对人体健康的直接危

6、害。参与形成光化学烟雾，形成酸雨，造成环境污染。参与形成光化学烟雾，形成酸雨，造成环境污染。氧化二氮是一种温室气体，会破坏臭氧层。氧化二氮是一种温室气体，会破坏臭氧层。 光化学反应使光化学反应使NO2分解为分解为NO和和O3，大气中臭氧对人体健康十分有害。，大气中臭氧对人体健康十分有害。光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化合物：臭氧浓度超光化学烟雾中对植物有害的成分主要为臭氧和氮氧化合物：臭氧浓度超过过0.1ppm时便对植物产生危害。时便对植物产生危害。NO2浓度达浓度达1ppm时，某些植物便会受时，某些植物便会受害。害。氮氧化物在大气的催化反应中可形成硝酸。氮氧化物在大气的催化反应

7、中可形成硝酸。热力型热力型 燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反燃烧时，空气中氮在高温下氧化产生，其中的生成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用捷里多维奇应。其生成机理可用捷里多维奇(Zeldovich)反应式表示。反应式表示。 随着反应温度随着反应温度T的升高，其反应速率按指数规律增加。当的升高，其反应速率按指数规律增加。当T1500oC时时,T每增加每增加100oC,反应速率增大反应速率增大6-7倍。倍。 因烧结温度低于因烧结温度低于1500，一般不宜产生。，一般不宜产生。热力型热力型NOx源于在燃烧过程中空气中的源于在燃烧过程中空气中的N2被氧化而成被氧

8、化而成NO，它主要产生于温度高于，它主要产生于温度高于1800K的高温区，其反应机理：的高温区，其反应机理： N2ONON NO2NOO NOHNOH 分子氮比较稳定，它被氧原子氧化为分子氮比较稳定，它被氧原子氧化为NO的过程需要较大的活化能，整个反应的速度决定于第一式的反应速度。的过程需要较大的活化能，整个反应的速度决定于第一式的反应速度。氧原子在反应中起活化链的作用，它来源于高温下氧原子在反应中起活化链的作用，它来源于高温下O2的分解。的分解。2. 热力型热力型NOx的主要影响因素是温度和氧浓度。随温度和氧浓度的增加，热力型的主要影响因素是温度和氧浓度。随温度和氧浓度的增加，热力型NOx的

9、浓度增加。的浓度增加。3. 控制对策：（控制对策：（1）降低燃烧温度，避免其生成所需要的高温条件；（）降低燃烧温度，避免其生成所需要的高温条件；（2）降）降低分子氮的浓度；（低分子氮的浓度；（3）降低分子氧的浓度；（）降低分子氧的浓度；（4）缩短在热力型）缩短在热力型NOx生产区的生产区的停留时间；停留时间；4. 工程实践中常用手段（工程实践中常用手段（1）通过向火焰面喷射水）通过向火焰面喷射水/水蒸气来降低燃烧温度；水蒸气来降低燃烧温度；（2）通过烟气循环使一部分烟气和新鲜空气混合，既降低氧浓度，同时可以降）通过烟气循环使一部分烟气和新鲜空气混合，既降低氧浓度，同时可以降低火焰的温度；（低火

10、焰的温度；（3）分级燃烧和浓淡燃烧等技术控制热力型）分级燃烧和浓淡燃烧等技术控制热力型NOx1.燃料型燃料型NOx指燃料中的氮在燃烧过程中经过一系列的氧化还原反应而生成指燃料中的氮在燃烧过程中经过一系列的氧化还原反应而生成NOx，它是，它是煤燃烧过程煤燃烧过程NOx生成的主要来源。反应机理生成的主要来源。反应机理：2.燃料型燃料型NOx既受燃烧温度、过量空气系数、煤种、煤颗粒大小等影响同时既受燃烧温度、过量空气系数、煤种、煤颗粒大小等影响同时也受燃烧过程中燃料空气混合条件的影响以及高温下的自由基。也受燃烧过程中燃料空气混合条件的影响以及高温下的自由基。3.控制方法（控制方法（1）通过改变煤或其

11、它化石燃料的燃烧条件，从而减少燃料型）通过改变煤或其它化石燃料的燃烧条件，从而减少燃料型NOx的生成量，即燃烧过程中的生成量，即燃烧过程中NOx的脱除；（的脱除；（2）对燃烧后的含）对燃烧后的含NOx的烟气的烟气进行进行烧结一般属于这种类型烧结一般属于这种类型氮痒化合物：氮痒化合物： 是指空气中主要以一氧化碳和二氧化碳形式存在的氮痒化合物。空气中含氮的氧化物有是指空气中主要以一氧化碳和二氧化碳形式存在的氮痒化合物。空气中含氮的氧化物有一氧化二氮（一氧化二氮（N2O）一氧化氮（）一氧化氮（NO）、二氧化氮（）、二氧化氮（NO2）、三氧化二氮）、三氧化二氮(N2O3)、等、但、等、但是主要成分是是

12、主要成分是NO和和N2O，一般将这两者统称为氮痒化物，用，一般将这两者统称为氮痒化物，用Nox表示。表示。 钢铁厂各种设备排出的氮氧化物，总量占固定污染源的第二位，其中烧结占一半左右。钢铁厂各种设备排出的氮氧化物，总量占固定污染源的第二位，其中烧结占一半左右。 烧结过程中氮氧化物主要来源于烧结过程中燃料的燃烧。烧结生产中的燃料分点火燃料和烧结过程中氮氧化物主要来源于烧结过程中燃料的燃烧。烧结生产中的燃料分点火燃料和烧结燃料。烧结燃料。点火燃料一般为气体燃料和液体燃料。点火燃料一般为气体燃料和液体燃料。成分成分/%质量分质量分数数CO2COCH4CmHnH2N2O2焦炉煤气焦炉煤气1.5-2.5

13、25-3123-282-354-593-50.3-0.6高炉煤气高炉煤气14-2220-260.3-0.52-355-58工业部门各种燃料类型的工业部门各种燃料类型的Nox排放因子排放因子燃料燃料/kg/t排放因子排放因子燃料燃料/kg/t排放因子排放因子煤7.5焦炭9原油5.09汽油16.7煤油7.46柴油9.62燃料油5.84LPG2.63炼厂干气0.53天然气20.85煤气9.5点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本降低燃烧过程降低燃烧过程Nox排放措施排放措施： 技术主要有降低技术主要有降低Nox燃烧技术和终端治理（也即是脱硝）我们只说控制燃烧技术。燃烧技术和终端治理（也即是脱硝）我们只说控制燃烧技术。 通过氮氧化物生成机理我们可以看出，燃烧条件对通过氮氧化