高等燃烧学讲义第15章(郑洪涛4学时)

1、高等燃烧高等燃烧学学第十五章第十五章 污染物排放污染物排放主讲人：主讲人：郑郑洪涛洪涛第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.1概述15.2污染物的危害15.3排放的定量描述15.3.1排放因子15.3.2折算浓度15.3.3各种特定的排放测量15.4预混燃烧过程的排放15.4.1氮氧化物15.4.2一氧化碳15.4.3未燃烃15.4.4催化后处理技术15.4.5颗粒物15.5非预混燃烧的排放15.5.1氮氧化物15.5.2未燃烃和一氧化碳15.5.3颗粒物15.5.4硫氧化物15.6小结 现代燃烧系统设计中，污染物排放控制是主要因素之一。 污染物包括：碳烟、飞灰、金属烟雾和各种气溶胶等在

2、内的颗粒物；硫氧化物，如SO2和SO3；未燃尽或部分燃烧的碳氢化合物，如醛；氮氧化物NOx，包括NO和NO2；一氧化碳；以及温室气体，如N2O，尤其是CO2。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.1 概述 表15.1总结了目前关注的问题以及由燃烧产生的相关的污染物的情况。 一次污染物：直接从源头排放出来的。 二次污染物：由一次污染物在大气中通过化学反应形成的。 大气对流层内空气污染物的4 种主要影响: (1) 改变大气和降水的特性; (2) 对植被有害; (3) 污染和破坏了各种材料; (4) 可能提高人类的发病率和死亡率。 对局部地区大气性质的影响包括： 由大气中出现的碳类颗粒物、硫酸

3、盐、硝酸盐、有机化合物和二氧化氮引起的能见度降低；空气中SO2浓度过高，形成硫酸液滴并进一步凝结成核，造成雾和降雨增多；降低太阳辐射；改变温度和风力分布。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.2 污染物的危害 对地表植被有害的物质有: SO2、硝酸过氧化乙酰(PAN)、C2H4及其它有害物质会破坏植被叶绿素而中断光合作用。 对各种材料的污染和破坏：颗粒物会污染衣服、房屋等建筑物，降低观感质量，增加清洗费用；含有酸性或碱性的颗粒会腐蚀金属结构物、绘画、石雕、电路以及纺织品，同时臭氧会严重腐蚀橡胶。 提高人类的发病率和死亡率：SO2和颗粒物等污染物可以加重呼吸系统疾病，如发生在美国多诺拉(D

4、onora)(1948年)、英国伦敦(1952年)和美国纽约(1966年)的重大空气污染事件，造成了许多死亡及其他影响；光化学烟雾的二次污染会导致眼睛受刺激；臭氧、有机硝酸盐、氧化碳氢化合物和光化学气溶胶等污染物是由一氧化氮和各种碳氢化合物的反应形成的；同时，碳类颗粒还可能包含吸附的致癌性物质。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.2 污染物的危害 一氧化碳对于健康的影响已被证明。图15.1显示了人暴露在不同浓度一氧化碳下对其健康的影响。 O3在第一个反应中被NO破坏，而NO又在第二个反应中再生而继续进入第一个反应。平流层中臭氧的破坏使得太阳辐射中大量有害的紫外线穿透大气层直接照射到地球

5、表面。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.2 污染物的危害 上面是污染物对对流层的污染。此外，民航将NOx排放到平流层也引起了关注。 NO对平流层内臭氧的催化反应机理如下: NO+O3NO2+O2 NO2+ONO+O2 最近的研究表明，因燃料中痕量硫而产生的硫酸盐的排放会使NO 破坏臭氧的催化反应程度减弱，但是同时又能通过含有ClO、BrO和OH的反应加大对臭氧的破坏。 用于超声速运输机的低NOx燃烧器的发展引起了NASA( 美国航空航天局)和发动机制造商的高度重视。同时，低NOx燃烧技术也将成为决定未来高速民航运输机(HSCT)发展方向的主要因素。第十五章第十五章 污染物污染物排放排

6、放15.2 污染物的危害 组分i的排放因子是组分i的质量与燃烧过程中所消耗燃料质量的比，即 排放因子是一个无量纲量，类似于雷诺数等无量纲数。但为避免出现非常小的数值，也经常用mg/kg等这样的单位。 排放因子明确地表征了单位质量的燃料所产生污染物的量，而不会受产物稀释或者燃烧效率的影响。因此，排放因子可用来衡量特定燃烧过程产生特定污染物的效率，与实际应用设备无关。 对于碳氢化合物在空气中的燃烧，排放因子可以由指定测量的组分浓度(摩尔分数)和所有含碳组分的浓度来决定。设燃料中的碳都在CO2和CO中，则排放因子可以表示为：第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述排放因子 其中

7、，为摩尔分数；x是燃料中碳元素的物质的量，即CxHy中的x；MWi和MWF是组分i和燃料的摩尔质量。 上式中第一个括号表示燃料中每摩尔碳对应的i 组分物质的量，第二个括号表示燃料中碳物质的量的转换以及它们各自相对于质量单位的转换。 从上式中可以明显看出，排放因子的测量与任何的空气稀释效果无关，由于所有测量的浓度都以比例的形式出现，稀释的影响即可以消除了。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述排放因子 例15.1 对一台火花点火发动机进行测功试验，并对排放物进行了测量，数据如下：CO2为12.47%，CO为0.12%，O2为2.3%，C6H14(等价物)为36710-6，

8、NO为7610-6。所有量都是干燥基下体积比(摩尔分数)。燃料采用异辛烷。试用当量正己烷来确定未燃碳氢化合物的排放因子。 解：事实上，并非所有的燃料都会变为CO和CO2，但如果忽略这一点，认为所有燃料燃烧后都转化为CO和CO2，就可以直接运用公式(15.2)。正己烷和异辛烷的摩尔质量分别为86.2kg/kmol和114.2kg/kmol。有： 若在上式(15.2)第一个括号的分母中加入未燃的正己烷，即在CO+CO2中加入C6H14重新计算得：第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述排放因子 第二个值低于第一个计算值1.7个百分点。可以说，燃料中的未燃碳氢化合物对污染指标的

9、计算结果影响不大。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述排放因子 在许多文献及实际应用中，通常将排放浓度折算为燃烧产物中特定氧量下的值。目的在于排除各种稀释情况的影响，从而能够对污染物排放客观地比较，且仍可使用类似摩尔分数的变量形式。 在讨论折算浓度之前，先定义燃烧产物中任意组分的湿和干浓度(摩尔分数)，由于折算浓度很有可能分别用湿基和干基来表示。 假定化学当量或贫燃料燃烧，即只有痕量的CO，H2和污染物生成，1mol燃料在空气中燃烧的化学平衡式为：CxHy+aO2+3.76aN2xCO2+(y/2)H2O+bO2+3.76aN2+痕量组分 在许多应用中，水分将首先从被

10、分析的燃气中去除，得到所谓的干基浓度，但有时加热后的样品水分会依然留在其中。假设所有的水分都已经被去除，则有第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述折算浓度 而相应的湿基摩尔分数为： 根据上式(15.4)和氧原子的平衡，可以得到湿基混合物与干基混合物总的摩尔比为： 其中，氧气系数a 由测量的氧气摩尔分数确定，即 或： 用干、湿基浓度定义式可以进行干、湿基浓度换算，即：第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述折算浓度 上述关系都是在假定化学当量或贫燃料燃烧下得到的。对于富燃料燃烧，需要考虑CO和H2，这使情况变得复杂。 下面进行折算浓度计算。测得的摩尔

11、分数(湿基或干基)可以用折算到特定氧气摩尔分数下该污染物的摩尔分数(湿基或干基)来表示。比如折算到3%O2下200ppmNO。 为了将测量浓度从一个氧气量折算到另一个氧气量下的浓度，可以简单地采用以下公式： 对于湿基浓度有 对于干基浓度有第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述折算浓度 例15.2 用例15.1给出的数据，将给定的NO浓度转换为湿基浓度(摩尔分数)。 解：计算干、湿基总摩尔比，即 NO 的湿基浓度为 可以看出，NO的湿基浓度比干基浓度要低12.7%。 注：从湿基与干基总摩尔比的计算可以看出，产物中原先含有12.7%的水分。据推断，几乎所有的水分都在气体样品

12、被分析前去除了。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述折算浓度 例15.3 在例15.1中，7610-6(干基)的NO摩尔分数是在含氧2.3% 的烟气中测得的，试问含氧5% 的烟气中NO浓度(摩尔分数)是多少? 解：把NO的浓度从2.3%的氧量水平折算到5%的氧量水平，首先分别计算两种情况下总的物质的量为： 折算浓度为 注：折算NO浓度低了15%。用浓度比较时要考虑稀释影响。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.3 排放的定量描述折算浓度 1. 化学机理 形成NO的机理分为以下3 类: (1)扩展的泽利多维奇机理(或热力型机理)。其中O、OH和N2处在平衡值，而N

13、原子近似为稳态。 (2)快速NO机理。NO形成速度远远快于上述热力型机理时，可以采用以下3种方式来解释：费尼莫尔的CN和HCN反应路径；有N2O中间体的反应路径；O原子和OH基的超平衡浓度与扩展的泽利多维奇机理相结合的结果。 (3)燃料氮机理，其中燃料中固有的氮转化为NO。 尽管在某些系统中，会有一些可预见的NO2生成，通常情况下这些NO2是由非预混燃烧系统在低温混合区由NO转化来的，但是燃烧系统产生的一次氮氧化物是NO。 所以讨论重点是NO生成计算。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 NO的形成可通过O和OH自由基的热平衡机理来计算。忽略逆反应，可以得

14、到： 其中，klf是速率限制反应O+N2NO+N的正向速率系数。当NO的量足够大时，需要考虑逆反应。 运用上式(15.13)的前提是NO的化学反应过程要远远慢于燃烧的化学反应过程。这样，O-和OH-的原子浓度才有足够的时间达到平衡。 当O和OH在火焰区内的形成量超过平衡状态时(甚至上升到103)，燃烧与NO形成无关联的假设将不再适用。这样，通过泽利多维奇反应生成的NO会远远高于O原子在平衡状态下形成的NO 。 超平衡自由基浓度的计算非常复杂，必须与燃料氧化的动力学特性结合考虑。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 在火焰区内，费尼莫尔快速型NO的形成路径很

15、重要，而且还有可能通过NNH形成NO。 在热力型NO占主导作用的燃烧器中，上述简单机制的计算还是特别有用的。 表15.2 列出了预混燃烧系统中各种机理对NO形成的贡献。 层流火焰中，压力对于NO形成的影响可以由第一组数据示出。可以看到，低压条件下NO的形成由费尼莫尔(HC-N2)以及O和OH的超平衡路径来控制。 在10atm的条件下，简单热力型机制产生了一半以上的NOx，其他的由另外三种途径形成。 表15.2中第二组数据显示了富燃料情况下的当量比的影响。主要结论是，随着混合物中燃料逐渐增多，费尼莫尔机理起主导作用，在=1.32时形成了约95%NO。但是如果混合物中的燃料进一步增多，这一机理就不

16、再适用了。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 表15. 2 中没有给出，但同样值得注意的是：什么机理适用于燃料含量极低的情况，这种情况通常出现在低NOx、预混、预蒸发的燃气轮机中。 虽然仍然处在研究阶段，但文献认为中间产物N2O产生的路径也起着控制作用。 表15.2中，全混流反应器的数据显示，在反应物与产物发生强烈的返混时，超平衡的O和OH的反应路径控制贫燃混合物的反应。相对而言，费尼莫尔型机理则控制化学当量下乃至富燃混合物的燃烧过程。 第(3)个NO形成机理燃料N途径，在预混燃烧

17、中并不是很重要，因为大多数用于预混燃烧的燃料(天然气和汽油)含有很少甚至不含燃料氮。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 2. NOx控制策略 对于热力型NO形成的主要过程，时间、温度和氧气是影响NOx生成的首要变量。 O+N2NO+N的反应速率常数需要一个很高的活化温度(EA/Ru=38370K)，温度高于1800K 时，反应速率会迅速增加。 从图2.14中可以看到，对于绝热定压燃烧，O的摩尔分数最第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物大平衡值出现在=0.9附近。 同一下，火花点火发动机中热力型NO也会达到最大值，如图

18、15.2所示。 然而，对于大多数设备来讲，最高效率也恰恰出现在这个值的附件，这对于污染的控制尤其不利。 降低峰值温度可以明显地降低NOx的排放。在工业燃烧器和火花点火发动机中，可以通过将烟气与新鲜空气或燃料混合来降低峰值温度。 图15.3显示了火花点火发动机中废气再循环(EGR)的试验结果。废气再循环或者烟气再循环(FGR)的作用在于，在给定热释放量的条件下，增加了燃气的比热容，从而相应降低了燃烧温度。 图15.4显示了SI发动机中NO排放随稀释气比热容增加而降低的关系。超贫燃运行条件也可以增加燃烧产物的比热容，并进而降低燃烧温度，达到控制NOx的目的。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放1

19、5.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 例15.4 常压、化学当量条件下丙烷-空气混合物燃烧，考虑气体产物中氮氧化物形成。假设是绝热情况，采用泽利多维奇热力型机理，试比较没有稀释和加入空气体积25%的氮气稀释两种条件下NO的初始生成速率。反应物和氮气稀释剂的初始温度都为298K。 解：首先采用平衡程序来计算两种工况下绝热火焰温度和相应的平衡组分，结果列于下表。 NO生成速率为：第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 速率常数k1f 为 对于无稀释的情况有： 将浓度转换为摩尔分数得： 对于有

20、25% 的氮气稀释情况有第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 稀释与无稀释生成速率的比为： 可以看到，无稀释时初始NO的生成速率比稀释情况下的速率约高50 倍。 注：这个例子可以看出，用冷的惰性物质稀释燃气可以有效地降低热力型NOx的产生。降低NO形成速率的两个主要因素是，反应速率常数的降低(约等于7)和达到平衡时O原子的浓度的降低(约等于9)。这两个因素都受温度的控制。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 另一种降低火花点火发动机燃烧温度的方法是延迟火花点火时间。较晚的点火时间使最高压力刚好出现在发动机的上止点上，从

21、而降低压力和温度。 从图15.2 中可以看到这种效果，其中每条曲线各代表一个不同的点火时间。延迟点火时间的代价是牺牲了经济性。 热力型NOx的生成量依赖于燃烧产物在高温区的停留时间。当NO的浓度远低于平衡值时(逆反应可以忽略)，NO的生成量将与时间成正比(见例4.4) 。 在设计燃烧系统时，燃烧过程的温度与时间的对应关系是控制NO生成与排放的关键。 在燃烧过程中，气流性质的剧烈变化使时间与温度的关系也随之变化，这对有效安全利用燃烧设备造成了很大威胁。 如果一个炉子的NOx排放量很低，但是产生的热量却达不到载荷要求，那也是毫无用处的。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的

22、排放氮氧化物 分级燃烧也是控制NOx生成的一种方法，分级燃烧有富燃-贫燃或贫燃-富燃两种次序。 富燃-贫燃的机理由图15.5给出。采用这种燃烧方法的目的是，利用富燃燃烧的高稳定性和低NOx形成特性完成初步过程，然后在贫焰燃烧阶段将产生的CO和H2完全烧完，这一过程NOx的生成依然较少。 为了使分级燃烧效率更高，富燃的产物和空气的再混合必须相当迅速，或者要在级与级的过渡段转移走大量的热。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 图15.5中，0-1-2-2表示理想的分级燃烧情况，钟形的曲线则代表在固定滞留时间t(=t富) 内产生的NOx。 在富燃料阶段，0-1段

23、表示在t富时间内产生的NOx的量。 随后的1-2段， 二次风瞬间(t混合=0)加入，与产物混合，这一过程中没有NOx产生。 在贫燃料阶段(2-2)， CO和H2被氧化，同时又生成一些NOx，时间用t贫表示。 在实际过程中，混合并不是瞬间完成的，在这一段时间里，会有一些NOx形成，而反应的路径也将随着混合的进行达到当量混合，从而进入高速生成NOx的区域(1-3)。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 因此，分级燃烧的成功与否主要依赖于混合过程的实际控制情况。 分级燃烧实际上许多过程都会由于富燃的产物和二次空气的局部混合而变成非预混的状态。 文献30用两汽缸的

24、火花点火发动机实现了理想分级燃烧。第一个汽缸中富燃料的产物被冷却并再度与空气混合，然后再进入第二个汽缸完成第二级的完全燃烧。 在这一过程中， NOx的生成量很少，但是如果不进行后续处理，生成的CO和未燃尽碳氢化合物会比预计的多得多。 对于机动车来讲，单独调整燃烧系统是无法将NOx的排放量降低到排放标准以下的，因此，在处理废气时，催化转化也被用来降低NOx的排放。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放氮氧化物 CO是富燃料燃烧产物的主要组分之一。 在普通设备中，一般要避免富燃料情况的出现。但是在火花点火发动机中，会在开始阶段运用富燃料燃烧以防止延迟，并且会在截流阀全开

25、的情况下提供最大能量。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放一氧化碳 对于当量或略微贫燃料的状态下，CO会在某个特定的燃烧温度下通过CO2的离解而大量形成。 图15.6中产物的CO浓度是1.2%(体积比，=1)到8.310-4(=0.8)。当温度1500K时，CO浓度将大幅减小。 所以，如果CO能在燃烧系统输出有用功的同时维持平衡，那么废气中的CO浓度将会大大减少。 在窑炉中，停留时间是以秒记的，平衡很容易达到，但是，在火花点火发动机中，温度会随膨胀做功和排气过程迅速下降，CO无法达到平衡就进入了废气中，并会保持在最高温度、压力和废气温度、压力之间的某个状态。 计算

26、指出，在膨胀和排气过程中，一个重要的反应：CO+OHCO2+H 会达到平衡。但是，第三体重新结合过程：H+OH+MH2O+M 由于速度较慢而无法维持所有基团的平衡。这将导致部分平衡CO浓度远高于完全平衡的CO浓度。 其他CO的生成机理包括:冷壁面熄火、未燃尽燃料部分氧化过程。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放一氧化碳 在大多数预混反应的燃烧设备中，通常不考虑未燃烃。 但在非绝热的壁面处，会存在一层很薄的未燃的燃料-空气混合物。这一熄火层是否会对未燃烃排放有贡献则取决于随后的扩散、对流和氧化过程。 内燃机中，壁面熄火所产生的烃绝大多数最终都会与高温气体混合并被氧化

27、。但在缝隙里和入口处，会产生未燃烃，比如在活塞的端环槽脊上和密封环处就会有烃形成。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放未燃烃 螺旋火花塞的缝隙中也常形成未燃烃类。 图15.7显示了发动机中由细缝机理产生未燃烃的情况。 圆柱形壁面上油层对于燃料的吸附以及相继的解吸附也会形成未燃烃(图15.7)。 类似的过程在含碳无铅燃料的壁面沉积中也会出现。 在汽缸燃烧空间中火焰的不完全传播也会产生未燃烃。这种情况发生在贫和(或)稀释混合物接近可燃极限的状态下。 废气中约有1/3的未燃烃是燃料分子。其余的由燃料高温热解及部分氧化得到，如表15.3所示。碳氢化合物的部分氧化会生成CO

28、、醛类及其他不良成分。 贫燃料情况下，裂缝、油吸附、沉积层中碳氢化合物的部第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放未燃烃分 氧 化 是C O 形 成 的主要途径，前 面 的 C O生成机理分析没有考虑到这一层。 内燃机催化后处理是同时控制氮氧化物、一氧化碳和未燃烃排放的首选技术。 图15.8和图15.9所示的是目前主要的两种催化转化形式，其中铂、钯、铑等贵金属提供反应所需的活性位，用来氧化一氧化碳和未燃烃，并同时还原氮氧化物。为了达到较高的转化效率，需要流过催化转化器的混合物成分保持在化学当量附近(=1)。典型的三效催化转化效率见图15.10。第十五章第十五章 污染物

29、污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放催化后处理技术 预混燃烧中颗粒物的排放只在富燃料燃烧或者添加燃料添加剂的情况下才发生。 由于去除了汽油中含有的四乙基铅，火花点火发动机中不会出现由于该因素而产生的颗粒物。 与典型工况相比，在出现故障的情况下，燃料-空气混合物很有可能过量而产生碳烟。 表15. 4 显示了各种燃料的常压预混火焰产生碳烟的极限当量比c。当量比大于等于c时，开始有碳烟产生。 预混燃烧中，各种燃料形成碳烟的趋势与燃料结构和火焰温度有关。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.4 预混燃烧过程的排放颗粒物 1. 简单湍流射流火焰 在碳氢化合物射流火焰中，简单热力型、超平衡型和

30、费尼莫尔快速型都有NO生成，但各占多少比例目前仍在研究。在火焰温度特别高的场合中，NOx的排放很有可能由泽利多维奇热力型机理来控制。 泽利多维奇机理中，温度、组分和反应时间是决定NOx生成的重要变量。只是在非预混射流火焰中，组分受流体的机械混合影响而变化。温度分布可以通过守恒标量与组分的分布联系起来。 需要知道热力型NO主要在接近当量比处高温、高O和高OH 浓度的火焰中形成。 这样的区域有可能出现在位于火焰较低处的薄的类层流火焰区或者火焰尖端。这种区域内具体的温度和组分的分布由流体力学、化学动力学以及热损失效应来决定。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 图

31、15. 11 显示了简单丙烷-空气和乙烯-空气射流火焰的NOx排放。可以发现热释放速度会随燃料类型以及初始射流直径的不同而变化。 这个趋势可以用停留时间和温度的偏置效应来解释。矛盾? 增加燃料的流速(或者释热速率)来降低总体和局部的停留时间可以降低NO的形成。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 降低停留时间可降低辐射热损失，使火焰更趋向绝热。 小火焰(喷嘴直径dj较小) 停留时间短。 明亮且尺寸大的火焰，由于温度的作用使得在释热时增加NOx的生成。 图15.12显示了火焰辐射的重要性，图中分别描述了4 种不同发光特性(即辐射特性)的燃料。 图15.12(a

32、)中，按照辐射分数的大小依次是乙烯、丙烷、甲烷以及CO/H2混合气。 加入N2的作用：一是稀释，使温度低于绝热火焰温度；二第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物是N2可减少碳烟形成。 最明亮的乙烯火焰，辐射热损失的减少补偿了绝热火焰温度的影响，其特征火焰温度增加(图15.12(b)。 对不发光(无碳烟生成)的CO-H2火焰，绝热燃烧温度起控制作用。 从图15.12(c)可以看到NOx生成与N2稀释的关系完全是火焰温度与稀释关系的直接反映，这说明热损失对于NOx排放的影响是非常重要的，但与快速NO形成有关的有限化学反应速率也起一定作用。 对于向环境辐射热量的简单

33、烃-空气湍流射流火焰，可以将特征火焰温度Tf (K)与总体停留时间G(s)和NOx的排放联系起来，形如下式: 其中，A=1.1146，B= -0.7410，C= -16 347。NOx定义为化学当量条件及非绝热火焰温度Tf (K)下，每立方厘米NOx的物质的量。总体停留时间定义为 其中，f、Wf、Lf分别是火焰的密度、最大可视宽度及长度； F,0是冷燃料的密度；fstoic是化学当量混合下燃料的质量分数。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 2. 工业燃烧设备 图15.13给出了降低燃气设备NOx排放的各种方法。这些技术也可应用于燃油设备。NOx的减排技术可

34、以大体上分为两类:一类是燃烧过程控制，一类是燃烧后烟气处理控制。其中每一类中都有一些特定的技术第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (1)低过量空气。热力型NOx排放的最大值出现在略小于化学当量的情况(如图15.2所示)。这项技术会降低空气的供应，从而将NOx-曲线从最高值降到化学当量对应的值。但效果有限，因为随着过量空气的减少，CO的排放会相应增多。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (2)分级燃烧。这种控制NOx的方法是将已有的燃烧器结合成多级燃烧器，形成典型的浓-淡分级燃烧。即：上游燃烧器在富燃状况下运行，下游燃烧

35、器只提供空气；或部分燃烧器用富燃形式，另一些用贫燃形式燃烧；再或者将所有级的燃烧器都调成富燃料型燃烧，而在下游入口额外提供空气。利用这样的技术，使NOx的减排可达10%40 %。 (3)温度降低。空气预热可以提高燃烧的热效率。降低被预热的空气量可以降低燃烧温度并因此降低NOx 的形成。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 向燃烧器中喷水也可以降低火焰温度。另外，水的注入与烟气再循环(FGR) 还同时具有稀释作用。FGR 的效果由再循环烟气量及其温度来决定。 图15.14 给出了在环境温度及533K下，FGR对NOx减排的作用。在燃气锅炉中，FGR技术可减排N

36、Ox50%85%。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (4)低NOx燃烧器。即有燃料分级或空气分级的低NOx燃烧器。燃料分级会产生淡浓(次贫燃)燃烧过程(图15.15)，而空气分级则产生浓-淡燃烧过程(图15.16)。 另一类低NOx燃烧器叫作纤维排列燃烧器。这类燃烧器是在金属或者陶瓷纤维阵列的上方或内部实行预混燃烧。由于纤维阵列的辐射和对流传热，燃烧温度会变得很低，从而抑制NOx的生成和排放(图15.17)。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (5)富氧燃料燃烧。通过向燃烧系统中加入额外的氧气来降低氮气的浓度。若加入

37、的氧气使N2浓度降低到超过了燃烧温度增加的影响，则NOx生成量会减小。在理想的纯氧气的环境下将没有NOx形成(假设不含燃料氮)。 (6)再燃。此项控制NOx的技术中，燃料总量的15%将被直接送往贫燃区的下游进行再燃。 在再燃区(1)内，与费尼莫尔机理相类似，NO会和碳氢化合物及中间物质(如HCN)反应而消耗。 最后加入额外的空气以保证再燃燃料最终能燃烧完全。 运用再燃技术的锅炉一般都能将NOx的排放量减小60%。图15.18描述了这一再燃过程。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (7)选择性非催化还原(SNCR)。在这项燃烧后控制技术中，含氮的添加剂如氨、

38、尿素、 或者氨尿酸被注入到燃气中，在无需催化的条件下，利用化学反应将NO转化为N2。 喷氨法常被称为热力型脱除NOx的过程。温度是决定性的变量，必须控制在很窄的变化范围内(图15.19)。实际NOx的减排量会小于图中给出的实验室测量所能达到的最大值。 (8)选择性催化还原(SCR)。催化剂与喷氨法共同作用使NO转化为N2。还原温度由催化剂的性质决定，在480780K之间。SCR优于SNCR之处在于NOx的减排可以更大，操作温度更低。SCR几乎是所有脱硝技术中成本最高的。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 (9)电站锅炉。由于含有化合氮，燃煤和燃重油的设备会

39、生成更多的NOx。表15. 7 比较了煤和液体燃料的含氮量。 对于燃气设备，前面讨论过的燃烧中及燃烧后处理技术都可以用来还原NOx。 对于燃油和燃煤锅炉，一是限制氧气反应，形成低过量空气或分级燃烧，可以同时减少热力型和燃料型NOx的排放；二是降低燃烧温度(如FGR或喷水)，减少热力型NOx排放。 燃油和燃煤中燃料氮的2040%转换为NOx，超过NOx总排放量的一半。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 燃烧后NOx还原技术的应用(SNCR 或SCR)要考虑煤或渣油中存在的硫和颗粒物的问题。 在SNCR和SCR中，氨可能会与三氧化硫反应形成硫酸氢氨(NH4HS

40、O4)，这是一种腐蚀性极强的物质。 在燃油或燃煤的设备中，燃烧产生的三氧化硫可以使催化剂中毒，而颗粒物也会覆盖在催化剂表面。 目前同时脱除NOx和SO2的技术正在研究中。 (10)燃气轮机和柴油发动机。上面所讨论的非预混燃烧系统的NOx排放基本上都是关于常压、固定源的。 对于燃气轮机和柴油机来说，无论是移动源还是固定源，都是在高压下运行的。 燃气轮机工作压力1040atm。柴油机的工作压力在100atm 左右。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 压缩空气会使进入燃烧器的空气温度升高，燃烧的最高温度也将随之升高，最终大大加快NO的形成速率。 在不加排放控制措

41、施的柴油机和燃气轮机中， NO形成于高温且浓度接近当量比的火焰区域。 因此需要想办法降低燃烧温度以控制NOx的形成。 在柴油机中运用的是尾气再循环技术，而在固定的燃气轮机中采用的是喷水或水蒸气的技术。 延迟燃料注入柴油机的时间，可以降低最高燃烧温度，从而控制NOx的排放。 柴油机内燃烧过程属于扩散燃烧，其性质使得它不像燃气轮机那么容易控制或进行改进。 为大幅度降低柴油机的排放，只能更多地在燃烧的后处理技术中想办法。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放氮氧化物 柴油机一般用以下两种措施来降低NOx的排放：选择性非催化还原(用氰尿酸做还原剂)；氨的选择性催化还原。 燃气

42、轮机用低NOx排放技术，最为常用的是贫燃预混燃烧和浓-淡分级燃烧(图15.20)。第十五章第十五章 污染物污染物排放排放15.5 非预混燃烧的排放未燃烃和一氧化碳 在非预混燃烧系统中，根据系统固有特性，会有两种途径形成未燃烃和一氧化碳。 一种途径是因为存在过度贫燃区域，难以支持快速的燃烧反应，火焰在此区域内不能传播，该区域中燃料会发生高温热解形成部分氧化的产物(醛类和一氧化碳)。 在低负荷情况下，过量空气很多，极易形成这种状况。 其中，燃料喷嘴特性和燃料-空气混合方式是两个重要参数。 第二种产生不完全燃烧产物的途径是火焰中形成过度富燃料的区域，而且没有额外的空气补充进来，或者没有足够的时间使氧化反应进行完全。 在高负载下，过量空气很少，容易出现这种情况。 另外，其他可以生成未燃尽或部分燃烧组分的途径还有 壁面熄火(柴油机)；第十五章第十