液化石油氣低NOx燃燒技術探討

液化石油氣低NOx燃燒技術探討

隨著燃氣事業的發展，我國燃料結構發生了很大的變化，燃煤向燃氣轉換，天然氣置換人工煤氣，既滿足了人民生活水平提高的要求，也使環境質量有了很大的改善。一直以來，液化石油氣就是燃氣供應中不可缺少的重要組成部分，特別是在城市煤氣管網達不到的地方以及城市煤氣的發展不能及時滿足供應的城鄉地區，都需要大量使用液化石油氣。

任何燃氣燃燒設備在供給熱能的同時，都要產生大量煙氣p煙氣中的有害成分會直接污染大氣或首先污染室內空氣而后再污染大氣。燃氣燃燒產生的煙氣中的污染物質主要有CO、SO2和NOx，其中CO和SO2對環境的污染和對人體的危害已廣為人知，人們通過來取各種措施，有效地降低了CO和SO2的生成。NOx對環境的污染和對人類健康的危害，本世紀四十年代才引起科學家的注意。NOx包括NO、NO2，N2O、N2O3,N2O4、N2O5等，煙氣中的NOx主要是NO和NO2。NO的毒性很大，它極易與血液中的血色素Hb結合，造成血液缺氧而引起中樞神經麻痹，NO與血紅蛋白的親合能力約為CO的數百倍至千倍。NO2是黃棕色有刺激性氣味的氣體，毒性比NO高4—5倍，它能刺激呼吸系統，引起肺氣腫。人在NO2濃度為16．9ppm下暴露10分鐘，就會產生呼吸困難和支氣管痙攣現象，NO2濃度為90—100ppm時，接觸三小時即可致人死亡。NOx不僅造成一次污染，還會對環境造成二次污染，排放到大氣中的NOx遇到碳氫化合物時，在太陽光中紫外線的作用下發生光化學反應，生成具有刺激性的淺藍色煙霧，造成嚴重的光化學煙霧污染。此外，由氮氧化物生成的硝酸與氧化硫生成的硫酸等一起將形成酸雨。

光化學煙霧污染和酸雨不僅對人有嚴重危害，對植物、建筑物、水源等都有嚴重的污染和損害。可見，NOx對環境污染及人體健康的危害是極其嚴重的。

大氣中的NOx主要來自燃料燃燒，因此控制燃燒過程NOx的生成與排放是保護環境的根本方法。降低燃氣用具NOx的生成與排放，以保護環境質量，是急待解決的問題。一些發達國家早在七十年代就開始制定燃氣設備NOx的排放標準，如80年代初美國和日本對小型燃氣鍋爐制定的NOx的排放標準為100ppm和150ppm。我國雖于1982年制定了大氣環境質量標準，但尚未就燃氣設備NOx的排放制定標準，但越來越多的業內人士已開始呼吁，北京市環保局已對燃氣鍋爐NOx的排放指標提出要求。

影響NOx生成的因素有很多，不同燃氣氣質對NOx生成有重要的影響，在焦爐氣、天然氣、液化石油氣三種氣源中，燃燒液化石油氣產生的NOx最多，其數值遠遠高于其它兩種氣體。因此，減少液化石油氣燃具NOx的排放量更具有重要的意義。

1 NOx的生成機理

煙氣中的NOx主要是NO，約占90％左右，排入大氣后部分再氧化成NO2，故研究NOx的生成機理，主要是研究NO的生成機理。NO的生成形式有燃料型、溫度型和快速溫度型三種。燃燒過程生成的NO，主要是溫度型NO(T—NO)，還有一部分快速溫度型NO(P—NO)，亦稱瞬時NO。

1．1 T—NO生成機理

T—NO是空氣中的氮氣和氧氣在高溫下生成的，其生成機理是由前蘇聯科學家Zeldvich于1964年提出的。當燃氣和空氣的混合氣燃燒時，生成NO的主要反應過程如下：

N2+O＝NO+N ⑴

N+O2=NO+O 　　　　　⑵

按化學反應動力學方程和Zeldvich的實驗結果，NO的生成速度可以表示為：

⑶

式中：[NO]，[N2]，[O2]-NO，N2，O2的濃度(gmol/cm2)

t一時間(s)

T一反應絕對溫度(K)

R一通用氣體常數(J／gmol．K)

對氧氣濃度大，燃料少的預混合火焰，用(3)式計算的NO生成量，其計算結果與實際結果相當一致。但在小于化學當量比，即燃料過濃時，還存在下述反應：

N+OH=NO+H

從(3)式可知，NO生成速度與T、[N2]、[O2]有關，由于燃氣在空氣中燃燒時，氮氣濃度變化很小，故[N2]對NO生成速度影響很小，(3)式中[O2]取決于燃燒過程中燃氣與空氣的當量比，所以燃燒過程的溫度及當量比對NO的生成影響很大，如圖l、圖2所示：

當燃燒溫度低于1500攝氏度時，T—NO生成量極少，當燃燒溫度高于1500攝氏度時，T—NO生成量明顯增大。由圖1、圖2可見，溫度每增加100K， NO生成速度約增大5倍，NO的生成量在燃料過多時，隨氧氣濃度增大而成比例增大。燃燒溫度在當量比等于1附近出現最大值，相應的NO的生成速度也達到最大值。在過量空氣系數遠離1時，NO的生成速度將急劇降低。同時NO的生成量隨煙氣在高溫區內的停留時間增加而增大。

另外，由于(1)式即原子氧哦O和氮分子N，反應的活化能比原子氧和燃料中可燃成分反應的活化能大，故NO的生成速度比燃燒反應慢，所以在火焰中不會生成大量的NO，NO的生成過程是在火焰帶的后端進行的，也就是說在火焰下游大量生成的。

綜上所述，影響T—N0生成的主要因素是溫度、氧氣濃度和停留時間。

1．2． P—NO生成機理

快速溫度型NO是碳氫系燃料在過量空氣系數為0．7—0．8并預混燃燒時生成的，其生成地點不是在火焰面的下游，而是在火焰內部。它的生成機理至今還沒有明確的結論。Bowman認為P—NO的產生，是由于氧原子濃度遠超過氧分子離解的平衡濃度的緣故Fenimore認為P—NO是在碳氫化合物燃料過濃燃燒時，先通過燃料產生的CH原子團撞擊N2分子，生成CN類化合物，生成的中間產物N、CN、NCH等，再進一步被氧化而生成NO。

通常，P—NO的生成量受溫度影響不大，且比T—NO生成量小一個數量級。

1．3 F—NO的生成

F—NO是以化合物形式存在于燃料中的氮原子，在燃燒過程中被氧化而生成的。燃料中的氮比空氣中的氮更容易生成NO，其生成溫度為600℃—700℃。氣體燃料燃燒，由于其氮含量很低，燃燒過程所生成的燃料型NO很少，可以忽略不計。

1．4 NO，的生成

NO2是由NO氧化而成，其過程按如下反應進行：

NO十HO2=NO2+OH 　(5)

一般在預混火焰及擴散火焰的反應區或火焰面下游的低溫區能檢測出NO2的存在，而火焰面下游的高溫區產生極少。大量的NO轉化為NO2是在煙氣排入大氣后進行的。⑹

上式反應速度與空氣中NO的濃度關系很大，濃度高則NO2轉化快，否則轉化慢。

2 燃氣燃燒時NOx的抑制方法

燃氣中氮含量極小，燃燒時幾乎沒有燃料型NOx產生，快速型NOx的生成量比溫度型NOx小一個數量級，因此降低煙氣中的NOx排放主要應抑制T—NOx的生成。根據T—NOx的生成機理，其相應的抑制手段有：

(1)降低燃燒溫度，注意減少燃燒局部高溫區；

(2)降低氧氣濃度；

(3)使燃燒過程在遠離理論空氣比條件下進行；

(4)縮短煙氣在高溫區內的停留時間。

3 NOx生成影響因素的實驗及理論分析

影響NOx生成的因素有很多，本文對一次空氣系數、火孔形狀與NOx生成的關系進行研究，建立如下圖所示試驗系統。

本試驗所用氣源為液化石油氣，燃燒器為大氣式(為設計計算方便，選用純丙烷氣)，壓力為3KPa，熱負荷為11KW，燃燒氣分內外兩圈，火孔采用豎向矩形狀，內側開孔，火孔不易堵塞，且有利于熱效率的提高。

3．1 混合特性對NOx生成量的影響

氣體燃料預混燃燒和擴散燃燒的NOx生成特性不同，從降低生成量的角度看，預混燃燒比擴散燃燒有優越性。

預混火焰中NOx生成量受空氣、燃氣混合比改變而引起的溫度和O2濃度變化的綜合影響。

對試驗中內外圈調風板不同開度下NOx及CO生成量進行測試，結果如下表：(所測得的值均已換算到過剩空氣系數為1.0的狀態，并以干煙氣計，對不同調風板開度下的混合氣進行取樣，用色譜分析混合氣成分，計算出一次空氣系數)

不同內外圈開度下NOx及CO生成量

內圈調風板開度一次空氣系數a)外因調風板開(一次空氣系數a1) 1/3(0.6987) 1/2(0.7006) 2/3(0.7275) 1(0.8219) NOx CO NOx CO NOx CO NOx CO 1/3(0．4469) 73．5 58．2 74．1 59．3 72．6 56．6 76．4 71．5 1/2(0．5147) 72．7 52．9 69．9 58．2 68．3 46．7 75．8 53．2 2/3(0．5583) 81．9 65．5 78．9 62．5 78．9 63．2 76．6 67．6 1(0．7174) 79．4 56．5 77．7 63．8 77．7 55．9 85．7 62．8

從表中數據可以看出，外圍一次空氣系數在0．56-0.72之間變化時，NOx生成量變化不大，隨著外圈一次空氣系數從0．55降到0．45，NOx的生成量先下降后升高，最低點在外圈一次空氣系數為0．51處出現。內圈調風板從1／3開度升到1／2開度，一次空氣系數增加很小，當內圈調風板從1／2開度升到全開時，一次空氣系數從0．70增加到0．82，NOx生成量隨一次空氣系數加大呈增加趨勢。可見，一次空氣系數對NOx生成影響很大，必須合理選取。從表中數據看，CO的生成量都在幾十ppm之間，遠遠低于國標要求。

3．2 矩形火孔對降低NOx生成量的作用

理論分析和試驗觀察，豎向矩形火孔有利于降低NOx的生成量。當豎向矩形火孔燃燒時，外火孔與內圈燃燒器頭部外側之間、內火孔與中心軸線之間都存在一溫度場，它們之間的距離越大，溫度梯度越小，距離越小，溫度梯度越大，但是，在逼近火焰面處，無論距離大小，溫度梯度都非常大。齊浮升力的作屈下，煙氣向上運行，同時，由于吸附效應及濃度擴散原理，煙氣貼著火孔壁向上運行。因此，由于這種煙氣的擾動作用，火焰溫度降低，從而抑制了的NOx生成。隨著內外圈環縫、內圈火孔與中心軸線之間的距離加大，擾動作用減小，內外圈環縫、內圈火孔與中心軸線之間的距離越小，擾動作用增加，但距離過小，二次空氣二次空氣不足將導致CO的大量產生，因此，合理選取豎向矩形火孔的長度、內外圍燃燒器頭部直徑對控制NOx面積過小，及CO的產生都是至關重要的。通過對人工煤氣、天然氣、液化石油氣三種氣體的試驗，發現豎向矩形火孔對降低液化石油氣燃具的NOx生成量效果尤為顯著。

4結論與建議

4．1合理選擇一次空氣系數將降低預混火焰的NOx生成量；

4．2豎向矩形火孔有利于降低NOx生成量，特別是對降低液化石油氣燃具NOx的排放，效果顯著。同時，應注意豎向矩形火孔長度、內外圈頭部直徑的選取。

4．3影響NOx生成的因素有很多，有些因素不但影響NOx生成，且對CO及熱效率也有影響，因此，設計液化石油氣低NOx燃具時必須綜合考慮NOx CO及熱效率三方面的關系，以獲取最佳綜合效果。

參考文獻：

1．莊永茂、施惠幫．燃燒與污染控制．上海：同濟大學出版社，1998

2．白麗萍、傅忠誠．火焰冷卻體降低燃氣熱水器NOx排放的研究．煤氣與熱力，1999年第6期

3．姜正侯． 燃氣工程技術手冊．上海：同濟大學出版社，1993

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