大气污染控制工程ppt课件-第9章.ppt
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1、第,9,章,氮氧化物污染控制,?,教学内容,:,?,1,氮氧化物的性质及来源,?,2,燃烧过程中氮氧化物的形成机理,?,3,低氮氧化物燃烧技术,?,4,烟气脱硝技术,建议学时数:,4,学时,第,9,章,氮氧化物污染控制,?,1,、教学要求,?,要求了解氮氧化物性质和来源,,?,理解燃烧过程中氮氧化物的形成机理,?,掌握低氮氧化物燃烧技术和烟气脱硝技术。,?,2,、教学重点,?,燃烧过程中氮氧化物的形成机理,烟气脱硝技术,?,3,、教学难点,?,烟气脱硝技术、低氮氧化物燃烧技术,1,氮氧化物的性质及来源,?,1952,年,洛杉矶上空笼罩在浅蓝色的烟雾之中,这是在强烈阳光,照射下,污染物发生的化学
2、反应,,400,多名老人因此丧失了生命,.,附近农作物一夜之间严重受害;,6.5,万公顷的森林,,29,严重受害,,,33,中等受害,其余,38,也受轻度损害。美国光化学烟雾对农,业和林业的危害曾波及,27,个州。,?,之后,日本、英国、德国、澳大利亚先后出现过光化学污染,,我国兰州、上海也发生过类似的光化学烟雾事件。,氮氧化物(,NOx,),普通人并不熟悉的名字,它,就是上述,光化学烟雾的罪魁祸首,它还会造成大气层中臭氧含量减少、引,发硝酸雨,致使人们感染气喘病、肺水肿、鼻炎、头痛等疾病。,据测算,每燃烧一吨煤,就要产生,5,30kg,氮氧化物。可我,国能源结构中有,70%,80,由煤的燃烧
3、来提供。煤炭高温燃烧成,为我国排放氮氧化物的主要来源之一。,1,氮氧化物的性质及来源,?,就全球来看,空气中的氮氧化物主要来源于天然源,但城市大气,中的氮氧化物大多来自于燃料燃烧,即人为源,如汽车等流动源,,工业窑炉等固定源。,据计算,各种燃料燃烧产生的氮氧化物量为:,1,吨天然气,:6.35,公斤,1,吨石油,:9.1-12.3,公斤,1,吨煤,:8-9,公斤,而以汽油、柴油为燃料的汽车,尾气中氮氧化物的浓度相当高。,在非采暖期,北京市一半以上的氮氧化物来自机动车排放。,氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐,随着降,水和降尘从空气中去除。硝酸是酸雨的原因之一;它与其它污染,物在一
4、定条件下能产生光化学烟雾污染。,1,氮氧化物的性质及来源,?,NO,x,包括,?,N,2,O,、,NO,、,N,2,O,3,、,NO,2,、,N,2,O,4,、,N,2,O,5,?,大气中,NO,x,主要以,NO,、,NO,2,的形式存在,?,氮氧化物(,NO,X,)种类很多,造成大气污染的主要是,一氧化氮(,NO,)和二氧化氮(,NO,2,),因此环境学,中的氮氧化物一般就指这二者的总称。,NO,x,的性质,?,N,2,O,:单个分子的温室效应为,CO,2,的,200,倍,并参与臭,氧层的破坏,?,NO,:大气中,NO,2,的前体物质,形成光化学烟雾的活跃,组分,不同浓度的,NO,2,对人体
5、健康的影响,浓度,(ppm),影,响,1.0,闻到臭味,5.0,闻到很强烈的臭味,10-15,眼、鼻、呼吸道受到强烈刺激,50,1,分钟内人体呼吸异常,鼻受到刺激,80,3,5,分钟内引起胸痛,100-150,人在,30,60,分钟就会因肺水肿死亡,200,以上,人瞬间死亡,1,氮氧化物的性质及来源,?,NO,x,的性质(续),?,NO,2,:,强烈刺激性,来源于,NO,的氧化,酸沉降,?,NO,x,的来源,?,固氮菌、雷电等自然过程(,5,10,8,t/a,),?,人类活动(,5,10,7,t/a,),?,燃料燃烧占,90,?,95,以,NO,形式,其余主要为,NO,2,1,氮氧化物的来源,
6、2,燃烧过程,NO,x,的形成机理,?,在氮氧化物中,,NO,占有,90%,以上,二氧化氮占,5%-,10%,,产生机理一般分为如下三种:,燃料型,NO,x,?,燃料中的固定氮生成的,NO,x,?,热力型,NO,x,?,高温下,N,2,与,O,2,反应生成的,NO,x,?,瞬时,NO,?,低温火焰下由于含碳自由基的存在生成的,NO,一,.,热力型,NOx,形成的热力学,?,1.,热力型,NOx,的生成浓度与温度的关系,产生,NO,和,NO,2,的两个重要反应,上述反应的化学平衡受温度和反应物化学组成的影响,平衡时,NO,浓度随温度升高迅速增加,2,2,2,2,2,1,1,2,2,N,O,NO,
7、NO,O,NO,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1.,热力型,NOx,的生成浓度与温度的关系,0,100,200,300,400,500,600,700,800,1600,1650,1700,1750,1800,1850,1900,?,?,?,(,?,?,?,),N,O,?,?,(,p,p,m,),?,D,1,一,.,热力型,NOx,形成的热力学,?,平衡常数和平衡浓度,一,.,热力型,NOx,形成的热力学,?,2.,NO,与,NO,2,之间的转化,?,平衡常数和,?,平衡浓度,一,.,热力型,NOx,的形成的热力学,?,上述数据说明:,1),室温条件下,几乎没有,NO,和,N
8、O,2,生成,并且所有的,NO,都,转化为,NO,2,2),800K,左右,,NO,与,NO,2,生成量仍然很小,但,NO,生成量已,经超过,NO,2,3),常规燃烧温度(,1500K,)下,有可观的,NO,生成,但,NO,2,量仍然很小,一,.,热力型,NO,x,形成,的热力学,?,3.,烟气冷却对,NO,和,NO,2,平衡的影响,?,烟气冷却过程中,根据热力学计算,,NO,x,应主要以,NO,2,的形式,存在,但实际,90,95,的,NO,x,以,NO,的形式存在,主要原因,在于动力学控制,?,NO/NO,x,Ratio,boiler,vehicles,nature gas,0.9,1.0
9、,internal comb.engine,0.99,1.0,coal,0.95,1.0,6#fuel oil,0.96,1.0 diesel engine,0.77,1.0,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,燃烧时,空气中氮在高温下氧化产生,其中的生,成过程是一个不分支连锁反应。其生成机理可用,捷里多维奇,(Zeldovich),反应式表示。,随着反应温度,T,的升高,其反应速率按指数规,律增加。当,T1500,o,C,时,NO,的生成量很少,而当,T1500,o,C,时,T,每增加,100,o,C,反应速率增大,6-7,倍。,二,.,热力型
10、,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,O,NO,O,N,N,NO,N,O,N,O,N,O,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,2,2,2,2,2,2,2,1,2,NO,O,NO,NO,O,N,?,?,?,?,在高温下总生成式为,?,NO,生成的总速率,1,2,1,2,2,2,N,O,N,O,N,(4),N,O,N,O,O,(5),?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2,O,M,2O,M,(3),?,?,?,4,2,4,5,2,5,dNO,ON,NNO,NO,ONO(6),d,k,k,k,k,t,?,?,?,?,?,?,二,.,热力型,NO,x,形成的
11、动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,?,假定,N,原子的浓度保持不变,?,得到,?,代入(,6,)式得,4,2,4,5,5,2,dN,ON,NNO,ONO,NO,0,d,k,k,k,k,t,?,?,?,?,?,?,?,4,2,5,4,5,2,ON,ONO,N,NO,O,k,k,k,k,?,?,?,?,?,稳态,2,4,2,4,5,5,2,4,5,2,2,4,2,p,NO,2,2,4,5,2,dNO,N,(,NO,/,O,),2O,d,1,(,NO/,O,),2,ON,1,NO,/(,N,O,),
12、=,1,(,NO/,O,),k,k,k,k,t,k,k,k,K,k,k,?,?,?,?,?,?,?,?,?,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,?,假定,O,原子的浓度保持不变,?,最终得,1/,2,2,e,p,NO,e,1/,2,O,O,(,),K,RT,?,2,1,/,2,4,p,O,2,1,/,2,1,/,2,p,NO,1,/,2,1,/,2,4,p,NO,2,1,/,2,5,2,e,d,(1,),d,2(1,),4,N,(,),(,),(,),N,O,NO,/NO,Y,M,Y,x,CY,k,K,M,RT,K,k,K,C,k,Y,?,?,?
13、,?,?,?,?,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,?,积分得,NO,的形成分数与时间,t,之间的关系,Y,=,NO/NO,e,0 0.5 1 1.5 2.0,Mt,1.0,0.5,1,1,(1,),(1,),exp(,),c,c,Y,Y,Mt,?,?,?,?,?,?,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,各种温度下形成,NO,的浓度时间分布曲线,二,.,热力型,NO,x,形成的动力学,Zeldovich(,捷里多维奇,),模型,在各种温度下,NO,浓度随时间的变化曲线,(N,2,O,2,40,:,
14、1),?,三,.,瞬时反应型,(,快速型,),快速型,NOx,是,1971,年,Fenimore(,费尼莫尔,),通过实验发现的。,在碳氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时,在反应区附近会快,速生成,NOx,。,?,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,HCN,和,N,,再进一步与氧气作用以,极快的速度生成,其形成时间只需要,60ms,,所生成的与炉,膛压力,0.5,次方成正比,与温度的关系不大。,?,上述两种氮氧化物都不占,NOx,的主要部分,不是主要来源。,快速型,NOx,的费尼莫尔反应机理,CN,HCN,NCO,NO,N,2,NH,3,(a)CH,CH
15、,2,CH,3,C,2,O,2,(c)O,OH,H,(d)O,O,2,NO,N,三,.,瞬时,NO,的形成,?,碳氢化合物燃烧时,分解成,CH,、,CH,2,和,C,2,等基团,与,N,2,发生如下反应,?,火焰中存在大量,O,、,OH,基团,与上述产物反应,2,2,2,2,2,CH,N,HCN,N,CH,N,HCN,NH,C,N,2CN,?,?,?,?,?,?,?,?,2,2,2,2,HCN,OH,CN,H,O,CN,O,CO,NO,CN,O,CO,N,NH,OH,N,H,O,NH,O,NO,H,N,OH,NO,H,N,O,NO,O,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?
16、,?,?,?,?,?,?,?,四,.,燃料型,NOx,的形成,?,?,由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成。由于燃料中氮的,热分解温度低于煤粉燃烧温度,在,600,800,o,C,时就会生,成燃料型,它在煤粉燃烧,NOx,产物中占,60,80,。,?,在生成燃料型,NOx,过程中,首先是含有氮的有机化合物热,裂解产生,N,,,CN,,,HCN,和等中间产物基团,然后再氧化成,NOx,。由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和焦炭燃烧两个,阶段组成,故燃料型的形成也由气相氮的氧化(挥发份,)和焦炭中剩余氮的氧化(焦炭)两部分组成。,燃料中氮分解为挥发分,N,和焦炭,N,的示意图,煤粒,N,挥发分,挥发分,N,
17、焦,炭,焦炭,N,NO,N,2,N,2,热解温度对燃料,N,转化为挥发分,N,比例的影响,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,0,50,100,150,200,300,400,500,600,700,800,?,?,(ms),?,?,N,/,?,?,N,(,%,),?,D,1,?,D,2,?,D,3,?,D,4,1200,o,C,1000,o,C,800,o,C,600,o,C,煤粉细粒对燃料,N,转化为挥发分,N,比例的影响,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,0,50,100,150,200,300,400,500,600,700,800,?,?
18、,(ms),?,?,N,/,?,?,N,(,%,),120-150?,?,11,-,120?,?,70,-,100?,?,过量空气系数对燃料,N,转化为挥发分,N,比,例的影响,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,0,100,200,300,400,500,600,700,800,?,?,(ms),?,?,N,/,?,?,N,(,%,),?,?,?,y,?,0.6,?,?,?,y,?,0.8,?,?,?,y,?,1.2,挥发分,N,中最主要的氮化合物是,HCN,和,NH3,,,HCN,氧化的主要反应途径为:,燃料,N,挥发分,N,HCN,NCO,NO,N,2,N,NH,N
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