氮氧化物包括N₂O、NO、N₂O₃ 、N₂O₄ 和N₂O₅ ,總稱(chēng)氮氧化物,用NOx 表示。NOx 的發(fā)生源較為廣泛,幾乎在自然界中隨處都有NOx 的產(chǎn)生,像火山爆發(fā)、雷電、濕地、微生物分解等,自然界產(chǎn)生的NOx 每年大約有五億噸左右,由于生態(tài)循環(huán)這些NOx 大氣環(huán)境容量是可以承受的�，F(xiàn)今人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的NOx 每年大約有兩億噸左右,其中燃燒產(chǎn)生的量約占90 % ,當(dāng)然,同時(shí)也伴有其他有害氣體的產(chǎn)生。燃燒產(chǎn)生廢氣的增加,污染負(fù)荷超出了大氣環(huán)境的容量,因此導(dǎo)致了世界各地出現(xiàn)不同程度的大氣污染。如美國(guó)洛杉磯光化學(xué)污染、英國(guó)倫敦?zé)熿F事件等等,更為嚴(yán)重的是燃燒產(chǎn)生大量廢氣的排放,導(dǎo)致了全球氣候變暖,自十九世紀(jì)五十年代以來(lái),全球氣溫平均上升了013 ℃～016 ℃,人類(lèi)面臨著生存的考驗(yàn)。

大量的分析結(jié)果說(shuō)明,造成大氣污染和溫室效應(yīng)都與NOx 的過(guò)量排放有密切關(guān)系。我國(guó)對(duì)于控制NOx 的排放制定了嚴(yán)于SO₂ 的排放標(biāo)準(zhǔn)。

但是,在NOx 的抑制與處理方面卻沒(méi)有像處理SO₂ 和煙塵那么重視和普及,這可能與NOx 氣體無(wú)色無(wú)味容易使人忽視,以及處理難度和費(fèi)用較大有關(guān)。

在對(duì)工業(yè)窯爐排放廢氣的監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),NOx 的排放濃度與燃燒時(shí)的風(fēng)量供給和燃燒溫度有密切關(guān)系。為了摸清NOx 的變化規(guī)律,通過(guò)定性和定量的試驗(yàn)工作,取得了一些令人滿(mǎn)意的結(jié)果。

燃燒產(chǎn)生的NOx 主要為NO ,其余NOx 大多由NO 轉(zhuǎn)化而成,抑制NO 會(huì)減少其他NOx 的產(chǎn)生。燃燒產(chǎn)生的NOx 主要來(lái)自?xún)蓷l途徑:一是空氣中的氮與氧在高溫下反應(yīng)生成NO ,通過(guò)這種途徑產(chǎn)生的NOx ,稱(chēng)為高溫型NOx ;二是燃料中的氮經(jīng)燃燒分解產(chǎn)生的NOx ,稱(chēng)為燃料型NOx。

高溫型NOx 的反應(yīng)式為

N₂ + O = NO + N

N + O₂ = NO + O

試驗(yàn)一:在一高溫小爐中通入乙炔與空氣不同當(dāng)量的混合氣體進(jìn)行燃燒,對(duì)廢氣進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖1。

可見(jiàn),高溫型NOx 在1500 ℃以下時(shí)生成量甚小,而且氣體的混合比也對(duì)NOx 的生成影響較大,當(dāng)空氣與乙炔混合比小于016 時(shí),NOx 的產(chǎn)生量極少;當(dāng)比值為1 時(shí),NOx 達(dá)到最高,隨著供風(fēng)量的增加,NOx 又趨減少。可以肯定,通過(guò)控制氧濃度和火焰溫度的方法,抑制高溫型NOx 的生成是非常有效的。

燃料型NOx 主要是分解氧化了燃料中的有機(jī)氮。一般煤中的氮含量為014 %～315 % ,重油的氮含量為011 %～013 % ,有機(jī)氮在燃燒中被分解釋放后,首先形成NH3 、HCN 等中間產(chǎn)物,再進(jìn)一步氧化還原,最終形成N₂ 和NOx。

試驗(yàn)二:在一燃煤爐窯的不同風(fēng)量、不同溫度的條件下,對(duì)NOx 的變化情況進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖2、圖3。

圖 2 說(shuō)明,隨著空氣過(guò)剩系數(shù)的增大,NOx 的生成濃度顯著提高,由此可見(jiàn),調(diào)整好空氣量是降低燃料型NOx 的一個(gè)重要操作因素。圖3 說(shuō)明,燃料中的有機(jī)氮在900 ℃左右就開(kāi)始分解氧化,并且很快達(dá)到極點(diǎn),即使溫度繼續(xù)升高,NOx 的變化很小。燃料型NOx 的產(chǎn)生量主要決定于燃料中氮的含量和供風(fēng)量的多少,它對(duì)溫度的依賴(lài)性很小。

通過(guò)以上試驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)在燃燒過(guò)程中NOx的產(chǎn)生與其它氣體的產(chǎn)生相比有它的特殊性。像S、C 等元素,只要燃料中存在,燃燒后就會(huì)以氧化物的形態(tài)釋放出來(lái),總的產(chǎn)生量不會(huì)因其他條件的改變而發(fā)生大的變化。而NOx 的產(chǎn)生量卻不同,由于燃燒條件的改變,它可以“無(wú)中生有”,也能“有而不顯”。“無(wú)中生有”是指盡管有些燃料中沒(méi)有有機(jī)氮存在(如氣體燃料) ,但在燃燒過(guò)程中空氣中的N₂ 在高溫條件下,同樣可以生成NOx ;相反,有些燃料本來(lái)就存在一定比例的有機(jī)氮,但若改變一下燃燒方式,大部分有機(jī)氮就會(huì)以N₂ 的形式出現(xiàn),極少形成NOx ,這就是“有而不顯”。

NOx 的這一生成特性表明,只要?jiǎng)?chuàng)造合適的條件,NOx 的產(chǎn)生量就會(huì)減少。

無(wú)論是高溫型NOx 還是燃料型NOx 均與空氣的混合量有關(guān)。圖2、圖3 表明,在燃燒初期呈缺氧狀態(tài)時(shí),NOx 的產(chǎn)生量很低,說(shuō)明在缺氧情況下,一部分有機(jī)氮和NOx 被還原成N₂ ,這一特點(diǎn)對(duì)抑制NOx 的產(chǎn)生非常重要。為了尋找抑制NOx產(chǎn)生的措施,又進(jìn)行了許多抑制NOx 產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn),經(jīng)過(guò)反復(fù)比較,認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)、最可行的抑制辦法是二次燃燒技術(shù)。所謂二次燃燒就是在同一個(gè)燃燒室內(nèi)分兩次提供風(fēng)量來(lái)完成一個(gè)燃燒過(guò)程。

一般, 第一次所供風(fēng)量占總需風(fēng)量的60 %～80 % ,二次供風(fēng)量占30 %～50 % ,在不同位置分次供風(fēng)便形成了兩個(gè)燃燒區(qū)域。

二次燃燒技術(shù)抑制NOx 產(chǎn)生的機(jī)理:在缺氧的狀態(tài)下第一燃燒區(qū)的火焰溫度受到了限制,可以明顯見(jiàn)到其火焰呈暗紅色,由試驗(yàn)可知,如此低的溫度條件下,高溫型NOx 的產(chǎn)生量極少。對(duì)于燃料型NOx 而言,燃料中的有機(jī)氮雖然可以在低溫下釋放,但由于在這個(gè)區(qū)域只供了60 %～80 %的風(fēng)量,所以該區(qū)域呈還原氣氛,大部分中間產(chǎn)物如NH3 、HCN 等,被還原成N₂ ;在火焰下游二次供風(fēng)時(shí),由于是一種補(bǔ)充燃燒,盡管燃燒溫度提高了很多,但N₂ 在高溫區(qū)停留的時(shí)間縮短了,而且燃燒量也減少了三分之二,所以形成NOx 的機(jī)率較一次燃燒方式會(huì)大大減少。檢測(cè)結(jié)果表明,同樣的氣體燃料,同樣的供風(fēng)量,采用二次燃燒與一次燃燒相比,NOx 可降低三分之一左右。對(duì)液體和固體燃料雖沒(méi)有做過(guò)試驗(yàn),但可以推斷出由于這兩種燃料中存在一定比例的有機(jī)氮,如果燃燒中沒(méi)有還原氣氛,NOx 的產(chǎn)生量必然會(huì)增大,如果應(yīng)用二次燃燒技術(shù),NOx 的下降比數(shù)肯定要大于氣體燃料。

根據(jù)二次燃燒的原理設(shè)計(jì)出一種氣體降氮燃燒器,它的特點(diǎn)是不需要增加設(shè)備和改造爐膛,便可形成二次燃燒,其結(jié)構(gòu)和燃燒示意圖如圖4。

該燃燒器形成二次燃燒的關(guān)鍵是兩次供風(fēng)角度的改變和兩次風(fēng)量分配。自燃燒器出口到小于α1 頂點(diǎn)形成第一燃區(qū),在這個(gè)區(qū)域內(nèi)供風(fēng)量的大小由內(nèi)圈孔的數(shù)量及孔徑?jīng)Q定,并且要求供風(fēng)量只能占總風(fēng)量的60 %～80 % ,第一燃區(qū)伸展長(zhǎng)度決定于孔徑角度。自<α1 的頂點(diǎn)到<α2 頂點(diǎn)形成第二燃區(qū),這個(gè)區(qū)域內(nèi)的供風(fēng)量取決于外圈孔徑及孔數(shù),其大小以剛好滿(mǎn)足完全燃燒為準(zhǔn),外圈孔徑和角度要根據(jù)燃燒室的容量及長(zhǎng)度而定,使用這種燃燒器后,不但NOx 降低了三分之一,而且廢氣量和排煙溫度都有所下降。這一現(xiàn)象說(shuō)明,二次燃燒技術(shù)還具有降低空氣過(guò)剩系數(shù)的作用。

目前,在NOx 的后期處理方面也有很多方法,如氨催化還原法、活性炭吸附法等。應(yīng)用這些方法處理廢氣中的NOx 在理論上是可行的,但其使用條件的嚴(yán)格和運(yùn)行費(fèi)用的昂貴,使大多數(shù)企業(yè)難以接受,即使安裝了脫氮設(shè)備,也保證不了連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。二次燃燒技術(shù)的可行之處就在于該技術(shù)安全實(shí)用,沒(méi)有條件限制,無(wú)需增加任何的投資和運(yùn)行費(fèi)用,便可達(dá)到穩(wěn)定抑制NOx 產(chǎn)生的目的�？梢�(jiàn),抑制NOx 產(chǎn)生應(yīng)該放在首要的位置,后期處理可以作為一種補(bǔ)充手段來(lái)進(jìn)一步降低NOx 的排放量。

此項(xiàng)技術(shù)可降低三分之一NOx 的排量,如果大多數(shù)燃點(diǎn)都能減少三分之一的排量,無(wú)疑對(duì)保護(hù)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響。

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”