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云洲环保-NOx的生成机理

点击次数:604  发布时间:2019-12-21
 1、热力型NOx的生成机理

 

热力型NOx的生成机理由捷里多维奇(Zeldovich)于1964年提出。热力NOx(又称温度型NOx)是燃料燃烧时,空气中氮在高温下氧化产生,其生成是在高温下由氧原子撞击氮分子而发生下列链式反应的结果:

 

其中,*一式起主导控制作用,而该式的反应条件是温度高于1500℃,所以NOx的生成与温度有关。按照这一机理,空气中的N2在高温下氧化,是通过如下一组不分支的连锁反应进行的,整个反应的速度,正比于氧原子的浓度,随着温度的上升,氧原子浓度增大,总的反应速度增大。

由于总反应是吸热反应,所以升温有利于提高NOx的转化率,同样降温会使热力型NOx的形成受到明显抑制。热力型NOx生成速度与燃烧温度关系很大,主要影响因素是燃烧温度、氧浓度和高温区的停留时间。

 

2、快速型NOx的生成机理

 

1)、快速型(也称瞬时型)NOx的生成机理。

 

快速NOx的生成机理目前尚有争议。弗尼莫尔(Fennimore)等人研究了减压甲烷火焰内HCN(氰)等浓度和温度的变化规律,随着燃烧温度的上升,首先出现HCN,并且在火焰面内达到最大值,然后再下降。在HCN浓度降低的同时,NOx浓度急剧上升。因此,弗尼莫尔等认为,快速NOx的生成机理与热力NOx不同,是碳氢化合物燃烧分解生成的CH、CH2和C2基团,并破坏了空气中N2分子键。

 

关于快速NOx的生成,一般可以认为:碳氢化合物燃料,在燃料过浓区域,火焰面上会生成大量的NOx,称为快速NOx。

 

快速NOx只有在碳氢燃料燃烧时,且燃料富裕的情况下,即碳氢化合物CH较多,氧浓度相对较低时才发生,它的生成速度快,就在火焰面上形成。

 

快速NOx的生成机理与热力NOx不同,而与燃料NOx的生成机理非常相似。要降低快速NOx的生成量,只要供给足够的氧气、以减少中间产物HCN、NH等即可。

 

2)、温度对快速型NOx的生成影响不大。

 

由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中氮气反应生成氰(HCN)和N,再进一步与氧气作用以极快的速度生成,快速NOx的生成受温度的影响不是很大。但燃料的种类对快速NOx生成的影响是很大的。只要达到一定温度,快速NOx的生成主要决定于过剩空气量和燃料的种类。

3)、过量空气系数对快速NOx的生成有很大的影响。

 

从快速NOx生成机理就可以知道,过量空气系数α对快速NOx的生成有很大的影响。在任何温度下,快速NOx的生成量在某一过量空气系数时有一个最大值。其原因在于,当α进一步下降后,虽然增加了碳氢化合物的浓度,提高了反应速度,增加了中间氮化合物的生成量,使快速NOx生成量向增加方向发展;但同时,氧浓度减少,有利于HCN向N2转变,而使快速NOx生成量又向减少方向发展。

 

根据NOx的生成动态和与过量空气系数的关系,可以把过量空气系数α的影响分成三个区域:

 

*一个区域α≥1,基本上不生成快速NOx,大部分NOx都是在火焰带的后端生成的。

 

第二个区域0.7≤α≤1,有相当数量的快速NOx生成,但还未达到与火焰*高温度相对应的NOx平衡浓度,NOx在火焰带后端的高温区域内生成。

 

第三个区域α<0.7,快速NOx的生成浓度与火焰*高温度时的平衡浓度大致相等,在火焰带的后方,已经几乎看不到NOx的生成。在第三个区域里,由于随着α的减少而使平衡浓度减少,故快速NOx的生成量也减少,因此,快速NOx生成量的最大值,在α=0.7附近。见图5

图中:1-快速NOx浓度变化曲线,2-火焰面内NOx浓度最大值变化曲线,3-火焰*高温度对应的NOx平衡浓度变化曲线。注:图中Tmax=(2119±5)K

 

3、燃料型NOx的生成机理

 

1)、燃料NOx的生成机理

 

燃料型NOx的生成机理非常复杂,虽然多年来世界各国许多学者为了弄清其生成和破坏的机理已进行了大量的理论和试验研究工作,但是对这一问题至今仍不是完全清楚。这是因为燃料型NOx的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解后在挥发分和焦炭的比例、成分和分布有关,而且大量的反应过程还和燃烧条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。总结近年来的研究成果,燃料型NOx的生成机理,大致认为:燃料中的N通常以原子状态与各种碳氢化合物相结合,形成环状化合物或链状化合物,经氧化反应后生成大量的NOx,这种NOx称为燃料NOx。

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