燃烧过程中氮氧化物的生成机理

燃烧过程中氮氧化物的生成机理一、本文概述氮氧化物（NOx）是燃烧过程中产生的一类重要污染物，对人类健康和环境质量构成了严重威胁。本文旨在深入探讨燃烧过程中氮氧化物的生成机理，为有效控制其排放提供理论基础。文章首先概述了氮氧化物的主要来源和危害，然后详细介绍了燃烧过程中氮氧化物的生成途径，包括热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx的生成过程。接着，文章分析了影响氮氧化物生成的主要因素，如燃烧温度、氧气浓度、燃料种类等。在此基础上，文章探讨了降低氮氧化物排放的技术措施，如低氮燃烧技术、烟气脱硝技术等。文章对氮氧化物生成机理的未来研究方向进行了展望，旨在为燃烧过程氮氧化物减排技术的研发和应用提供有益参考。二、氮氧化物的生成途径氮氧化物的生成主要发生在高温、富氧的燃烧环境中，其生成途径主要分为三种：热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。热力型NOx：在高温条件下，空气中的氮气与氧气直接发生反应，生成NO，这是热力型NOx的主要生成方式。这种反应通常在燃烧区域的温度高于1500℃时发生，且随着温度的升高，NO的生成速率会显著增加。快速型NOx：快速型NOx主要在碳氢燃料浓度较高的区域生成，其中燃料中的碳氢化合物与氮气、氧气以及羟基自由基（OH）等发生反应，生成NO。这种反应方式在火焰前锋的富燃料区域中特别显著，因为这里的碳氢化合物浓度最高。燃料型NOx：燃料型NOx的生成与燃料中的氮元素有关。在燃烧过程中，燃料中的氮元素首先被氧化为氨（NH3）和氰化氢（HCN）等中间产物，这些中间产物再进一步与氧气反应生成NO和NO2。燃料型NOx的生成量取决于燃料的种类和燃烧条件，如火焰温度、氧气浓度以及燃料与氧气的混合程度等。在燃烧过程中，这三种NOx生成途径可能同时发生，但在不同的燃烧条件和燃料类型下，它们对总NOx生成量的贡献可能会有所不同。例如，在燃气轮机和高温工业锅炉中，热力型NOx是主要的NOx生成途径；而在柴油机和某些燃煤锅炉中，燃料型NOx的贡献可能更为显著。因此，为了有效地控制NOx的排放，需要根据具体的燃烧条件和燃料类型，采取适当的燃烧控制策略或后处理技术。三、燃烧过程中氮氧化物生成的模型与模拟在燃烧过程中，氮氧化物的生成是一个复杂的过程，涉及多种反应路径和中间产物。为了更好地理解和控制氮氧化物的生成，科学家们已经建立了多种数学模型和模拟工具，用于描述和预测燃烧过程中的氮氧化物生成行为。这些模型通常包括详细的化学反应动力学模型、流体动力学模型和燃烧模型等。详细的化学反应动力学模型可以精确地描述燃烧过程中氮氧化物生成的各个反应步骤，包括氮分子的氧化、氮氧化物的还原和再氧化等。流体动力学模型则可以模拟燃烧过程中气体流动、混合和热量传递等过程，对于理解氮氧化物生成的空间分布和影响因素具有重要意义。在模型的基础上，科学家们可以利用计算流体力学（CFD）等模拟工具，对燃烧过程中的氮氧化物生成进行数值模拟。通过输入燃烧条件、燃料成分、燃烧器结构等参数，模拟软件可以计算出燃烧过程中氮氧化物的生成量、分布和变化趋势，为燃烧设备的优化设计和运行控制提供重要依据。随着和机器学习技术的发展，基于数据驱动的氮氧化物生成预测模型也受到了广泛关注。这些模型可以利用大量的实验数据和模拟数据，通过机器学习算法建立起氮氧化物生成与燃烧条件之间的非线性关系，从而实现对氮氧化物生成的快速准确预测。通过建立数学模型和模拟工具，科学家们可以更加深入地理解燃烧过程中氮氧化物的生成机理和影响因素，为燃烧设备的优化设计和运行控制提供有力支持。未来随着技术的不断进步，相信氮氧化物生成的模拟和预测将变得更加精确和高效。四、氮氧化物生成机理的实验研究氮氧化物的生成机理是一个复杂的过程，涉及到多种化学反应和影响因素。为了更深入地理解这一过程，需要进行实验研究。本章节将介绍氮氧化物生成机理的实验研究方法和结果。实验采用了一种高温燃烧试验装置，该装置可以模拟实际燃烧过程中的高温、高压和富氧环境。实验中使用了不同的燃料和燃烧条件，以探究氮氧化物生成的影响因素。在实验中，通过调整燃料的类型和燃烧条件，发现氮氧化物的生成量会受到燃料中氮元素含量、燃烧温度、氧气浓度和反应时间等因素的影响。当燃料中氮元素含量较高时，氮氧化物的生成量也会相应增加。同时，燃烧温度的升高也会促进氮氧化物的生成。氧气浓度的增加也会加速氮氧化物的生成。为了更深入地了解氮氧化物生成的化学过程，实验还采用了一些先进的分析技术，如质谱仪和红外光谱仪等。这些技术可以实时监测反应过程中的气体成分和浓度变化，从而揭示氮氧化物生成的详细机理。通过实验研究，我们可以得出以下氮氧化物的生成是一个复杂的化学过程，受到多种因素的影响。在实际应用中，我们可以通过调整燃烧条件和燃料类型等方式来减少氮氧化物的生成，从而降低对环境的污染。也需要继续深入研究氮氧化物生成的机理，以开发更加高效的减排技术。在未来的研究中，我们可以进一步拓展实验条件和范围，探究不同类型的燃料和燃烧方式下氮氧化物的生成特性。也可以采用更加先进的实验技术和分析方法，以揭示氮氧化物生成的更深层次机理。这些研究将有助于我们更好地理解氮氧化物生成的过程，为开发更加环保和高效的燃烧技术提供有力支持。五、氮氧化物减排技术氮氧化物（NOx）的减排对于减轻大气污染、改善空气质量以及应对全球气候变化具有重要意义。为了有效地减少氮氧化物的排放，科学家们已经开发出多种减排技术，这些技术涵盖了燃烧过程的优化、燃料的选择、以及后处理等多个方面。燃烧过程的优化是减少氮氧化物生成的关键。通过调整燃烧温度、氧气浓度和燃料与空气的混合程度，可以控制燃烧过程中的氮氧化物生成。例如，采用低氮燃烧技术，如低NOx燃烧器、分级燃烧和富氧燃烧等，可以显著降低燃烧过程中氮氧化物的生成量。燃料的选择对于减少氮氧化物排放也具有重要影响。使用低氮燃料，如天然气、生物质燃料等，可以降低燃烧过程中氮氧化物的生成。燃料预处理技术，如燃料脱氮、燃料重整等，也可以进一步减少氮氧化物的排放。后处理技术是实现氮氧化物减排的重要手段。目前，常用的后处理技术包括选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）等。这些技术通过在燃烧后添加还原剂，将氮氧化物转化为无害的氮气和水蒸气，从而实现氮氧化物的减排。氮氧化物减排技术是一个综合性的过程，需要综合考虑燃烧过程、燃料选择和后处理等多个方面。随着科技的不断进步，相信未来会有更多高效、环保的氮氧化物减排技术问世，为我们创造更加清洁、健康的生活环境。六、结论与展望本文详细探讨了燃烧过程中氮氧化物的生成机理，包括热力型、快速型和燃料型NOx的生成路径。我们深入分析了这些反应过程的动力学和热力学特性，并探讨了影响NOx生成的关键因素，如燃烧温度、氧浓度、燃料种类以及燃烧方式等。研究结果显示，热力型NOx在高温富氧环境中占据主导地位，而快速型NOx则在碳氢燃料火焰中占据重要地位。燃料型NOx的生成则与燃料中的含氮化合物密切相关，其生成量取决于燃料含氮量以及燃烧条件。尽管我们已经对燃烧过程中氮氧化物的生成机理有了较为深入的理解，但仍有许多挑战和问题需要我们去面对和解决。例如，如何在实际应用中实现低NOx排放，尤其是在工业锅炉、内燃机和燃气轮机等设备中。未来的研究方向可能包括：开发新型的低NOx燃烧技术，优化燃烧过程以减少NOx生成；研究新型的NOx脱除技术，如选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）等；以及深入探索燃料型NOx的生成机理，以便从源头上减少NOx的生成。我们期待通过持续的研究和努力，能够为实现清洁、高效的燃烧过程，减少氮氧化物排放，保护环境做出更大的贡献。参考资料：煤粉锅炉是工业和电力生产中广泛应用的设备，其燃烧过程涉及到复杂的物理和化学反应。在燃烧过程中，氮氧化物的生成是一个重要问题，它不仅对环境造成污染，还可能对人体健康产生负面影响。因此，对煤粉锅炉的燃烧特性进行深入研究，并寻求降低氮氧化物生成的方法，具有重要的理论和实践意义。煤粉锅炉的燃烧过程可以分为三个阶段：预热、着火和燃烧。预热阶段主要是对煤粉进行加热，使其达到着火温度；着火阶段是煤粉开始燃烧的阶段；燃烧阶段则是煤粉完全燃烧并产生热能的阶段。在燃烧过程中，温度、氧气浓度、煤粉的粒度和分布等因素都会影响燃烧效率和污染物排放。氮氧化物的生成主要是在高温条件下，煤中的氮元素与氧气反应的结果。因此，降低氮氧化物生成的关键在于控制燃烧温度和氧气浓度。目前，主要有以下几种降低氮氧化物生成的技术：低氧燃烧技术：通过降低炉膛内的氧气浓度，控制燃烧温度，从而减少氮氧化物的生成。烟气再循环技术：将部分低温烟气循环回炉膛，降低炉膛温度和氧气浓度，从而达到抑制氮氧化物生成的目的。燃料分级燃烧技术：将燃料分为多次燃烧，降低一次燃烧区的温度，减少氮氧化物的生成。催化剂燃烧技术：通过在燃烧过程中加入催化剂，促进氮氧化物的还原反应，从而降低氮氧化物的排放。本文对煤粉锅炉的燃烧特性和降低氮氧化物生成的技术进行了研究。结果表明，控制燃烧温度和氧气浓度是降低氮氧化物生成的关键。低氧燃烧技术、烟气再循环技术、燃料分级燃烧技术和催化剂燃烧技术等都可以有效地降低氮氧化物的生成。未来，我们还需要进一步研究煤粉锅炉的燃烧特性，探索更加高效、环保的降低氮氧化物生成的方法。低氮氧化物燃烧技术是改进燃烧设备或控制燃烧条件，以降低燃烧尾气中NOx浓度的各项技术。影响燃烧过程中NOx生成的主要因素是燃烧温度、烟气在高温区的停留时间、烟气中各种组分的浓度以及混合程度，因此，改变空气—燃料比、燃烧空气的温度、燃烧区冷却的程度和燃烧器的形状设计都可以减少燃烧过程中氮氧化物的生成。工业上多以减少过剩空气和采用分段燃烧、烟气循环和低温空气预热、特殊燃烧器等方法达到目的。国外从20世纪50年代开始就对燃煤在燃烧过程中NOx的生成机理和控制方法进行研究，研究结果表明：影响NOx生成和排放最主要的因素是燃烧方式，也即燃烧条件。因此当燃煤设备的运行条件发生变化时，NOx的排放也随之发生变化。燃烧温度、烟气中ONHi、CHi、CO、C和H2浓度是影响NOx生成和破坏的最重要的因子，因此凡通过改变燃烧条件来控制上述因子，以抑制NOx的生成或破坏已生成的NOx，达到减少NOx排放的措施，都称为低NOx燃烧技术。低NOx燃烧技术的主要特点是：工艺成熟、投资和运行费用低。在对NOx排放要求非常严格的国家(如德国和日本)，均是先采用低NOx燃烧器减少一半以上的NOx后再进行烟气脱硝，以降低脱硝设施入口的NO。浓度，减少投资和运行费用。低NOx燃烧技术是各种降低NOx排放技术中采用最广、相对简单、经济有效的方法，但他们减少氮氧化物的排放有一定的限度。由于降低燃烧温度、减少烟气中氧的浓度等都不利于煤燃烧过程本身，因此，各种低氮燃烧技术都必须以不会影响燃烧的稳定性，不会导致还原性气氛对受热面的腐蚀，以及不会不合理地增加飞灰含碳量而降低锅炉效率为前提。国外低氮燃烧技术的发展已经历三代。第一代技术不对燃烧系统做大的改动；第二代技术以空气分级燃烧器为特征；第三代技术则是在炉膛内同时实施空气、燃料分级的三级燃烧方式(或燃烧器)。这一代技术不要求对燃烧系统做大的改动，只是对燃烧装置的运行方式或部分运行方式做调整或改进。因此简单易行，可方便地用于现役装置，但NOx的降低幅度十分有限，主要通过以下几种方式来实现降低NOx排放浓度。这是一种优化装置燃烧、降低NOx生成量的简单方法。它不需对燃烧装置做结构修改低过量空气系数运行抑制NOx生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式及排渣方式有关。电站锅炉实际运行时的过量空气系数不能做大幅度的调整。对于燃煤锅炉而言，降低过量空气系数会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温特性的变化及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言，主要限制在于CO浓度超标。降低助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型NOx的生成量。这一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉，则有降低NO。排放的明显效果。这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧，即燃料过浓燃烧；另一部分燃料在空气过剩的条件下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧，其过量空气系数α都不等于1。前者α<1，后者α>1，故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。浓淡燃烧时，燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以燃料型NOx和热力型NOx都会减少。燃料过淡部分因空气量过大，燃烧温度低，热力型NOx生成量也减少。总的结果是NOx生成量低于常规燃烧。把烟气掺入助燃空气，降低助燃空气的氧浓度，是一种降低燃煤液态排渣炉，尤其是燃气、燃油锅炉NOx排放的方法。通常的做法是从省煤器出口柚出烟气，加入二次风或一次风中。加入二次风时，火焰中心不受影响，其唯一作用是降低火焰温度，有利于减少热力型NOx的生成。对固态排渣锅炉而言，大约80%的NOx是由燃料氮生成的，这种方法的作用就非常有限。对于不分级的燃烧器，在一次风中掺人烟气效果较好，但由于燃烧器附近的燃烧工况会有所变化，要对燃烧过程进行调整。这种方法适用于燃烧器多层布置的电站锅炉。具体做法是停止最上层或几层燃烧器的燃料供应，只送空气。这样所有的燃料从下面的燃烧器送入炉内，下面的燃烧器区实现富燃料燃烧，上层送人的空气形成分级送风。这种方法尤其适用于燃气、燃油锅炉而不必对燃料输送系统进行重大改造。德国把这种方法用在褐煤大机组上，效果不错。这一代技术的特征是助燃空气分级送人燃烧装置，从而降低初始燃烧区(也称一次区)的氧浓度，相应地也降低火焰的峰值温度。属于这一代措施的有现阶段广泛应用于电站锅炉的各种低NOx空气分级燃烧器。如ABB—CE公司的整体炉膛空气分级直流燃烧器、同轴燃烧系统(CFSI、CFS11)、低NOx同轴燃烧系统(LNCFS)及其种类繁多的变异形式、TFS2000燃烧系统；B&W公司的双调风旋流燃烧器(DRB、DRB—CL)；Steinmuller公司、德国Babcock公司的各种旋流燃烧器等。这一代技术的主要特征是空气和燃料都是分级送人炉膛（如图1所示）。在一次区内，主燃料在稀相条件下燃烧，还原燃料投入后，形成欠氧的还原区，在高温(>1200℃)和还原气氛下析出的NHHCN、CmHn等原子团与来自一次区已生成的NOx反应，生成N2。燃尽风投入后，形成燃尽区，实现燃料的完全燃烧。属于这一代措施是空气/燃料分级低NOx旋流燃烧器和用于切圆燃烧方式的三级燃烧。这类低NOx燃烧技术以Steimuller公司的MSM型燃烧器日本三菱公司开发的MACT低NOx燃烧系统为典型代表。影响燃烧过程中NOx形成的因素包括：①空气-燃料比；②燃烧空气的预热温度；③燃烧区的冷却程度；④燃烧器的形状设计。可降低氮氧化物浓度的方法有：①减少送入燃烧器的过剩空气；②降低热风温度；③降低燃烧室的热强度；④采用双面露光水冷壁;⑤人为地使燃料与空气缓慢混合；⑥采用二段燃烧；⑦烟气再循环。在燃用气体燃料或重油的锅炉上，运用技术手段减少NOx的浓度获得了一定的结果。但如何运用技术措施，减少固体燃料燃烧尾气中NOx浓度，尚处在探索性研究中。SNCR工艺(可选择性非催化降解)依据氨在高温下的反应来减少氮氧化物的生成量，在反应中，氮氧化物由NH3转化成氮气和水蒸气：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O有效脱氮的温度范围较窄，最佳温度为950℃。温度下降时，气体反应速率会迅速下降，脱氮能力亦下降。当高于最佳温度时，形成NO的同时会加快NH3的氧化，即降低脱氮效率。脱氮用的氨气宜液态存贮，应使用未加压、25%液态的NH3溶液。NH3气化后，应添加空气或蒸汽稀释，混合气体中NH3的质量浓度应小于5%。应在要求的温度范围内吹入含氨混合气体，且其应在烟气流中均匀分布。1)由于温度随锅炉负荷和运行周期变化，及锅炉中NOx浓度的不规律性，该工艺应用时变得较复杂。因此，在很大区域内、在锅炉不同高度装有大量的入气口。甚至将每段高度再分成几小段，每小段分别装有入气口和NH3测量仪。这增加了测量和控制NH3的难度，因此该工艺的脱氮效率不高。2)在吹入氨气量较多、温度降至最佳值以下、吹气均匀度较低、吹气量较少导致温度和氮氧化物含量不对称时，未反应的氨气比例将增加，会有氨气逸出。当氨气逸出时，它与烟道内的剩余物反应发生堵塞，如堵塞空气加热器等。因为NH3与SO3和烟气中的水分析出，会在较冷部件中形成硫化氢氨，形成黏性沉积物，增加了飞灰的堵塞、腐蚀和频繁冲洗空气加热器的几率。NH3向飞灰逸出会降低飞灰的可综合利用性，使飞灰处置更复杂;NH3逸出还可导致脱硫装置后面的冲洗水中氨含量升高。还不能计算出SCR工艺的脱氮效率。设定的脱氮效率越高，随着脱氮效率的增加，单位NH3消耗也越高，该工艺的NH3耗量高于SCR工艺在NH3与NOx摩尔比为1时的耗量，氮氧化物可减少约50%(取决于初始氮氧化物含量、吹入氨气和混合质量等)。理论上，脱氮效率最高可达80%，但此时NH3与NOx摩尔比不成比例(为2～3)，NH3逸出量高。为此，当采用SCR工艺时，脱氮效率应限制在接近50%。SNCR工艺由美国Exxon和日本三菱公司开发，已在许多燃气和燃油电厂使用。在日本和欧洲的一些垃圾焚烧厂也使用该工艺，因为脱氮效率接近50%，所以满足排放要求。在德国，燃煤电厂采用SNCR工艺的进行各种适用性试验，如Mainz-Wies-beden电厂。但是，德国在二次除NOx工艺中采用该工艺的还不到3%。正在改进SNCR工艺，如试验将燃用过的空气送入降解介质中，并进入锅炉;还有使用尿素溶液作为降解介质来替代NH3;有时用额外的添加剂来增加降解温度等。SCR工艺(选择性催化降解)用加氨方法使氮氧化物反应为氮气和水蒸气，反应式如下：利用催化剂来增加反应速率，使该工艺可在温度280～400℃时使用。蜂窝式催化是广泛使用的方式，有时也用板式催化。催化材料通常由二氧化钛构成，向其添加V2O5(和其他材料，如WO3)作为活性成分。催化元件的构成和其几何形状的变化可使催化剂的性能和活性在一定范围内改变，以适应不同的运行条件。SCR反应器由烟气入口/出口、过滤器等组成。过滤器中，用单独的催化元件(或片)组合成模块，将模块分层安装在SCR反应器内形成若干层的反应层。催化作用与烟气流量和成分、燃料和燃烧类型、脱硝程度、NH3逸出量和催化剂在烟道内的分布等有关。由于催化剂的活性随运行时间的增加而降低，所以设计时应考虑催化剂使用期限。SCR装置可在低NH3逸出时运行(低于SNCR装置)。然而，硫酸氢铵的形成会引起腐蚀和沉积，反应如下：当NH3和SO3含量增加时，临界温度会上升，至于是生成(NH4)2SO4还是NH4HSO4，取决于NH3和SO3含量的比值。除SCR反应器前烟气中含的SO3外，还应考虑SO2在二次反应期中被催化氧化成SO3的量。SO2氧化成SO3的氧化率主要由活性成分V2O5决定。若其活性高，则SO2向SO3转化率高，氮氧化物的降低率也高。为含二氧化硫烟气进行催化时应考虑此因素，以抑制硫酸氢铵的形成。SCR工艺的灰尘沉积会造成催化元件通道堵塞和有效面积下降。如褐煤烟气中会产生侵蚀性灰，它使催化材料磨损;另外，某些烟气成分(如As)是催化抑制剂，可快速降低催化剂的活性。SCR反应器可以设置在锅炉和烟囱之间烟道的不同位置处。燃煤炉膛可有两种布置方式。在高灰尘结构中，它安装在空气预热器前或脱硫装置出口的有灰烟道内，即在静电除尘器和脱硫装置后(尾部)的烟道系统内。1月10日上午，2019年度国家科技奖励大会在人民大会堂隆重举行。中国科学院生态环境研究中心贺泓院士主持的“燃烧废气中氮氧化物催化净化基础研究”项目荣获国家自然科学二等奖。大气中氮氧化物（NOx）是造成灰霾、光化学烟雾的重要原因。“燃烧废气中氮氧化物催化净化基础研究”项目针对移动源和固定源燃烧废气NOx排放控制开展系统研究，发现了氨选择性催化还原NOx（NH3-SCR）催化剂双位点紧密耦合的普适性规律，创制了高效NH3-SCR催化剂新体系；发现了HC-SCR关键反应中间体与普适机理，提出了实现柴油-SCR的新途径；发现电子/结构助剂调变N2O分解规律，确立了N2O分解催化剂设计新原则。8篇代表性论文他引1703次，项目成果跻身本领域国际先进行列，为我国NOx减排做出实质性贡献。