大氣污染控制工程2010-第10講 氮氧化物的污染控制

1、大氣污染控制工程第十講 氮氧化物的污染控制揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 氮氧化物的污染控制2l 1. 氮氧化物的性質(zhì)及來源l 2. 燃燒過程中氮氧化物的形成機(jī)理l 3. 低氮氧化物燃燒技術(shù)l 4. 煙氣脫硝技術(shù)揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 氮氧化物的性質(zhì)及來源 N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5 大氣中NOx主要以NO、NO2的形式存在 N2O：單個分子的溫室效應(yīng)為CO2的200倍，并參與臭氧層的破壞 NO：大氣中NO2的前體物質(zhì)，形成光化學(xué)煙霧的活躍組分3揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 NO2:強(qiáng)烈刺激性，

2、來源于NO的氧化，酸沉降l NO 的來源 固氮菌、雷電等自然過程（5108t/a） 人類活動（5107t/a）- 燃料燃燒占 90- 95以NO形式，其余主要為NO2氮氧化物的性質(zhì)及來源4揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 氮氧化物的來源5揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 氮氧化物的來源6揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理l 形成機(jī)理 燃料型NOx- 燃料中的固定氮生成的NOx 熱力型NOx- 高溫下N2與O2反應(yīng)生成的NOx 瞬時NO- 低溫火焰下由于含碳自由基的存在生成的NO7揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大

3、學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 熱力型NOx的形成產(chǎn)生NO和NO2的兩個重要反應(yīng)上述反應(yīng)的化學(xué)平衡受溫度和反應(yīng)物化學(xué)組成的影響平衡時NO濃度隨溫度升高迅速增加 2222NO2NO 11NOONO 22 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理8揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理l 平衡常數(shù)和平衡濃度9揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 平衡常數(shù)和平衡濃度燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理10揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l上述數(shù)據(jù)說明：室溫條件下，幾乎沒有NO和NO2生成，并且所有的NO都轉(zhuǎn)化為NO2800K左右，NO與NO2生成量仍然

4、很小，但NO生成量已經(jīng)超過NO21)常規(guī)燃燒溫度（1500K）下，有可觀的NO生成，但NO2量仍然很小燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理11揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 煙氣冷卻過程中，根據(jù)熱力學(xué)計算，NOx應(yīng)主要以NO2的形式存在，但實(shí)際9095的NOx以NO的形式存在，主要原因在于動力學(xué)控制 NO/NOx Ratio boilervehicles nature gas0.91.0 internal comb. engine 0.991.0 coal0.951.0 6# fuel oil0.961.0 diesel engine0.771.0燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理12揚(yáng)州

5、大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 熱力型NOx形成的動力學(xué)Zeldovich模型b NO生成的總速率121222NONON (4)NONOO (5)2OM2OM (3)424525dNOON NNONO ONO (6)dkkkkt燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理13揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 假定N原子的濃度保持不變 得到得到 代入（代入（6）式得）式得424552dNON NNOONONO 0dkkkkt425452ON ONON NOO kkkk穩(wěn)態(tài)2424552452242p,NO22452dNON (NO /O )2Od1(NO/O )2ON

6、1 NO /(N O ) =1(NO/O )kk kktkkkKkk燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理14揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 假定O原子的濃度保持不變l 最終得1/22 ep,NOe1/2O O()KRT21/ 24p,O21/ 21/ 2p,NO1/ 21/ 24p,NO21/ 252ed(1)d2(1)4N ()()()N O NO/NOYMYxCYk KMRTKkKCkY燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理15揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 積分得NO的形成分?jǐn)?shù)與時間t之間的關(guān)系Y=NO/ NOe0 0.5 1 1.5 2.0 Mt1.00.51

7、1(1)(1)exp()ccYYMt燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理16揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理17揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 在各種溫度下NO濃度隨時間的變化曲線(N2O240：1) 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理18揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 碳?xì)浠衔锶紵龝r，分解成CH、CH2和C2等基團(tuán)，與N2發(fā)生如下反應(yīng)b 火焰中存在大量O、OH基團(tuán)，與上述產(chǎn)物反應(yīng)22222CHNHCNNCHNHCNNHCN2CN2222HCNOHCNH OCNOCONOCNOCONNHOHNH ONHONOHNOHNO

8、HNONOO燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理19揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 燃料中的N通常以原子狀態(tài)與HC結(jié)合，CN鍵的鍵能較N N 小，燃燒時容易分解，經(jīng)氧化形成NOxl 火焰中燃料氮轉(zhuǎn)化為NO的比例取決于火焰區(qū)NO/O2的比例l 燃料中2080的氮轉(zhuǎn)化為NOxFuel NHCNN2NONHi(i=0,1,2)O,H,OHfastO,H,OHfastO,H,OHfastNHislowNHi,NOslow燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理20揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理21揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過

9、程N(yùn)Ox的形成機(jī)理22揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 燃燒過程N(yùn)Ox的形成機(jī)理23揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 低NOx燃燒技術(shù)l 控制NOx形成的因素 空氣燃料比 燃燒區(qū)溫度及其分布 后燃燒區(qū)的冷卻程度 燃燒器形狀24揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 傳統(tǒng)低NOx燃燒技術(shù) 1. 低氧燃燒- 降低NOx的同時提高鍋爐熱效率- CO、HC、碳黑產(chǎn)生量增加低NOx燃燒技術(shù)25揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 2. 降低助燃空氣預(yù)熱溫度 燃燒空氣由27oC預(yù)熱到315oC，NO排放量增加3倍低NOx燃燒技術(shù)

10、26揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 3. 煙氣循環(huán)燃燒 降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度主要減少熱力型NOx低NOx燃燒技術(shù)27揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 4. 兩段燃燒技術(shù) 第一段：氧氣不足，煙氣溫度低，NOx生成量很小 第二段：二次空氣，CO、HC完全燃燒，煙氣溫度低低NOx燃燒技術(shù)28揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 原理：低空氣過剩系數(shù)運(yùn)行技術(shù)分段燃燒技術(shù) 1. 爐膛內(nèi)整體空氣分級的低NOx直流燃燒器- 爐壁設(shè)置助燃空氣（OFA，燃盡風(fēng)）噴嘴- 類似于兩段燃燒技術(shù)低NOx燃燒技術(shù)29揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)

11、環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 2. 空氣分級的低NOx旋流燃燒器 一次火焰區(qū)：富燃，含氮組分析出但難以轉(zhuǎn)化 二次火焰區(qū)：燃盡CO、HC等低NOx燃燒技術(shù)30揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 3. 空氣/燃料分級的低NOx燃燒器 空氣和燃料均分級送入爐膛 一次火焰區(qū)下游形成低氧還原區(qū)，還原已生成的NOx低NOx燃燒技術(shù)31揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 低NOx燃燒技術(shù)32揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 煙氣脫硝技術(shù)l 脫硝技術(shù)的難點(diǎn) 處理煙氣體積大 NOx濃度相當(dāng)?shù)?NOx的總量相對較大33揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)

12、與工程學(xué)院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR） 催化劑：貴金屬、堿性金屬氧化物 還原反應(yīng) 潛在氧化反應(yīng)322232224NH4NOO4N6H O8NH6NO7N12H O32232224NH5O4NO6H O4NH3O2N6H O煙氣脫硝技術(shù)34揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)35揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 1. 選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝技術(shù)36揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR） 尿素或氨基化合物作為還原劑，較高反應(yīng)溫度 化

13、學(xué)反應(yīng) 同樣，需要控制溫度避免潛在氧化反應(yīng)發(fā)生3222222224NH6NO5N6H OCO(NH )2NO0.5O2NCO2H O煙氣脫硝技術(shù)37揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)38揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 2. 選擇性非催化還原法（SNCR）煙氣脫硝技術(shù)39揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 3. 吸收法 堿液吸收- 必須首先將一半以上的NO氧化為NOx- NO/NO21效果最佳2322222223322223222242NO2MOHMNOMNOH ONONO2MOH2MNOH O2NONa CONaNONaNOCONONONa CO2NaNOCOMK ,Na ,Ca,Mg ,(NH )煙氣脫硝技術(shù)40揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 3. 吸收法（續(xù)） 強(qiáng)硫酸吸收b 4. 吸附法吸附劑：活性炭、分子篩、硅膠、含氨泥煤NOx和SO2聯(lián)合控制技術(shù)22442NONO2H SO2NOHSOH O煙氣脫硝技術(shù)41揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 l 4. 吸附法（續(xù)） Nox和SO2聯(lián)合控制技術(shù)- 反應(yīng)式-