燃烧理论第七讲NOx机理讲述.ppt

第七章 氮氧化物的生成与分解机理 烟气中CO、NOx和SO2(SO3)对人的危害最大。正常条件下，气体燃料是经过脱硫净化的，只要燃烧完全，CO的含量也是很小的，因此如何减少氮氧化物的发生量，就成为一个比较突出的问题。大气中的氮氧化物对人类及其生存的自然环境有很大的影响，主要体现在对人类健康、对作物生长及对全球大气环境的影响。 氮有多种氧化物，包括氧化亚氮、一氧化氮、二氧化氮、四氧化二氮、三氧化氮和五氧化二氮等。燃烧过程产生的氮氧化物是在燃料与空气高温燃烧时产生的，燃烧产生的氮氧化物基本上是一氧化氮和二氧化氮，其中NO约占95%（体积分数），NO2占5% （体积分数）。因此，氮氧化物NOx在此仅指NO2和NO。 NO在大气中容易被氧化生成NO2。 一、氮氧化物的危害 NOx对人类健康的影响 NO2毒性是NO的4~5倍，空气中的NO2含量为3.5ppm时持续1小时，开始对人有影响，含量为（20~50）ppm时对人眼有刺激作用，达到150ppm时，对人的呼吸器官有强烈的刺激性。NO2参与光化学烟雾的形成，具有致癌作用。 NOx对森林和作物的影响 可能引起农作物和森林树木枯黄，农作物产量降低、品质变差。还会形成酸雨，破坏作物和树根系统的营养循环，损坏细胞膜破坏光合作用。在树木生长季节结束后，由于酸雾导致树木接受过量的氮，从而降低抗寒和抗干旱的能力。 NOx对气候变化的影响 N2O会引起温室效应。同时N2O会到达同温层，在光合作用下释放出氮原子，破坏臭氧分子，导致臭氧层减少。 二、氮氧化物的生成机理 一般把NOx的生成分成热力NOx(T-NOx)、快速NOx(P-NOx)和燃料NOx(F-NOx)。热力NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物。快速型NOx的生成机理是指碳氢系燃料在过剩空气系数小于1的情况下，在火焰面内急剧生成大量的NOx。燃料NOx的生成取决于燃料中的含氮化合物，城市燃气中一般不含燃料氮，所以不必考虑燃料NOx。 燃烧过程中排放出来的氮氧化物主要是一氧化氮，以后再氧化成二氧化氮。 热力NOx的生成： 空气中的氮在高温下氧化，是通过一组链反应进行的（捷里道维奇机理）： 按照化学反应动力学 N原子是中间产物，短时间内假定其增长与消失速度相等 代入上式得 cNO属于微量级，上式可简化为 如果认为氧气的离解反应处于平衡状态，则可得 则 实验得 这就是捷里道维奇机理的NO生成速度表达式 由于氮分子的分解所需活化能较大，所以反应必须在高温下才能进行。氧原子在链反应中起着活化链的作用。它来源于氧的高温分解，或被H原子撞击分解而成。 生成NO的活化能很大，而氧原子与可燃成分之间的反应活化能较小，反应很快。这说明NO不会在火焰面上生成，而是在火焰的下游区域生成。 热力型NOx的影响因素 温度的影响 热力NOx又称为温度型NOx ，上述表达式反映了温度与NO之间的函数关系。当燃烧温度低于1800K时NOx热力生成极少，随着温度的升高， NOx的量急剧升高。局部高温也会导致NOx大量生成。 过剩空气系数的影响 热力NOx与氧的浓度的平方根成正比。在高温下氧浓度增大会使其分解的氧原子浓度增大，导致生成NOx量增加，但过剩空气系数增大也会导致火焰温度降低。因此总的趋势是随着过剩空气系数的增大， NOx的生成先是增加到一个极值后就会下降。预混火焰的极值出现在α=1的位置，扩散火焰的极值会出现在α＞1的地方。 停留时间的影响 停留时间的影响是由于NOx的生成反应还没有达到化学平衡造成的。气体在高温区停留时间增加或提高燃烧温度， NOx生成量迅速增加。同一过剩空气系数下， NOx随停留时间的增大而增大，当停留时间达到一定值后， NOx不再受影响。 燃料种类的影响 燃料种类对热力NOx影响很小 其他影响因素 热力NOx与压力的1.5次方成正比。 湍流对热力NOx有一定间接影响，因为湍流会改变燃烧速率和放热状态，致使温度与压力的时间历程不同。 快速NOx的生成 在火焰面上不会生成热力NOx ，但碳氢化合物燃烧时在火焰面上也会生成大量的NOx 。这种在α＜1时，在火焰面内急剧生成的大量NOx，称为快速NOx 。其它燃料没有这种现象。对于α＞1的情况，即使是碳氢化合物，也可以用前述的热力NOx来描述。 快速NOx的生成机理 有人认为快速NOx也是高温下氮氧化而成，因而也将其归入热力NOx类。有人认为快速NOx可用扩大的捷里道维奇机理来解释，但弗尼莫尔不认同这一说法，提出了新的理论。 通过对减压甲烷火焰实验研究，发现HCN在火焰内达到最大值后迅速下降，在HCN降低的同时， NOx浓度急剧上升，因此弗尼莫尔等认为，是碳氢化合物燃烧时分解成CH、CH2、C2等基团，并破坏了空气中N2的分子键其反应式如