ANOX的生成机理详解.ppt

第6章 NOX的生成机理 燃烧与污染控制技术 中国科学技术大学 热科学和能源工程系 林其钊 氮的来源与反应介质 空气中的N2： N?N，键能945kJ/mol 燃料中的N： N?C，键能791kJ/mol N-C和N-H，键能450 kJ/mol 受热时，燃料中的N原子容易释出 碳氢化合物火焰的燃烧反应介质 火焰面上（氧化性区域）：碳氢化合物基团，燃料分子碎片 燃烧产物：H \ OH \ O 等基团 由于N2的键能以及与氮反应的介质不同有三种反应机理 热力NOx : 燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物 快速NOx : 碳化氢系燃料在燃烧时分解，其分解的中间产物和N2反应生成的氮氧化物 燃料NOx : 燃料中的有机氮化合物，在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物 氮的来源 反应介质 反应机理 (空气中的)N2 ——燃烧产物————?热力NOx 有机氮化合物N2 —氧化区域(火焰面上) — ?燃料NOx ?快速NOx §6-1 热力NOX 的生成 §6-1-1 热力NOX 的生成机理 热力NOX的生成机理—Zeldovich机理 空气中的N2在高温条件下的氧化，一组不分支的连锁反应进行 N2+O?k1/k-1?N+NO E1=314 kJ/mol, E-1=0 O2+N?k2/k-2?NO+O E2=29 kJ/mol, E-2=165 kJ/mol NO的生成速度为: d[NO]/dt=k1[N2][O]-k-1[N][NO]+k2[O2][N]-k-2[NO][O] N原子是中间产物，认为N原子达到稳态近似 即: d[N]/dt = 0 d[N]/dt=k1[N2][O]-k-1[N][NO]-k2[O2][N]+k-2[NO][O] [N] = {k1[N2][O] +k-2[NO][O]} / {k-1 [NO] +k2[O2]} 将上式代入d[NO]/dt得到: d[NO]/dt=k1[N2][O]-k-1[N][NO] +k2[O2][N]-k-2[NO][O] / {k-1[NO] +k2[O2]} 与[NO]相比，[O2]很大，k2、k-1属于同一个数量级，因此可以认为： k-1[NO] k2[O2] 则： d[NO]/dt=2k1[N2][O] 如果认为O2?k0?O+O处于平衡状态, 则[O] =k0[O2]1/2 则： d[NO]/dt=2k0k1[N2][O2]1/2 按照泽尔多维奇的实验结果，K= 2k0k1=3?1014exp(-542000/RT) 最后可得: d[NO]/dt= 3?1014[N2][O2]1/2 exp(-542000/RT) 式中 [O2]、[N2]、[NO]为对应组分的浓度，gmol/cm3；T 绝对温度，K；R 通用气体常数，J/(gmol.K)；t 时间，s 式（8）和式（9）就是泽尔多维奇机理的NOX生成速度表达式 对氧气浓度大，燃料少的贫燃预混燃烧火焰，用这一表达式计算NO生成量，其计算结果与试验结果相吻合 但是，当燃料过浓时，还需要考虑下式所示的反应 N+OH??NO+H 式（1）、（2）、（10）一起，称为扩大的泽尔多维奇机理 从工程角度看，上述泽尔多维奇机理已经充分说明问题 所以，在讨论NO的生成与控制时，我们仅介绍泽尔多维奇机理 式（8）的意义是很简单的，由于氮分子的分解所需要的活化能较大，故该反应必须在高温下才能进行 因此，整个链式反应速度就取决于最慢的反应[式 (1)] 由式（1）、（2）可知，一个氧原子O首先和氮分子N2反应，生成一个NO和一个N 接着，N立即与O2反应，生成另一个氧化氮 也就是，每产生一个氧原子O，同时生成两个NO分子 显然，氧原子在这整个链式反应中起着活化链的作用 氧原子源于氧分子O2的高温分解，或被氢原子H撞击分解而生成 因而： k0[O2]1/2 =[O] 这样NO的生成速度可由式（8）表示 由式（9）可以看出，生成NO的活化能很大 其原因在于，式（1）中O与N2的反应比较困难 通常，氧原子与燃料中可燃成分之间反应的活化能较小，反应较快 这一情况表明，NO不会在火焰面上生成，而是在火焰的下游区域生成 只要有燃料，O就会优先与其反应，火焰面上不会有NOX大量生成 丙烷与空气的预混火焰的实验结果如图1所示 当量比?值大，表示过量空气系数?小，为富燃火焰 ?值小，过量空气系数?大，为贫燃火焰 可以看到 在贫燃火焰中，NO主要在火焰