焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制

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1、焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制关键词：焦炉 加热 燃烧 焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制钟英飞    燃气在焦炉立火道燃烧时会产生氮氧化物(NOx)，氮氧化物通常多指NO和NO2的混合物，大气中的氮氧化物破坏臭氧层，造成酸雨，污染环境。上世纪80代中期，发达国家就视其为有害气体，提出了控制排放标准。目前发达国家控制标准基本上是氮氧化物（废气中O2含量折算至5％时），用焦炉煤气加热的质量浓度以NOx计不大于500mg/m3,用贫煤气（混合煤气）加热的质量浓度不大于350mg/m3(170ppm)。   随着我国经济的快速发展，对焦炉排放氮氧化物的危害也日益重视，并准备

2、制订排放控制标准。本文将对氮氧化物在焦炉燃烧过程中的形成机理及控制措施进行论述。研究表明，在燃烧生成的NOx中，NO占95%,NO2为5％左右，在大气中NO缓慢转化为NO2，故在探讨NOx形成机理时，主要研究NO的形成机理。焦炉燃烧过程中生成氮氧化物的形成机理有3种类型：一是温度热力型NO;二是碳氢燃料快速型NO;三是含N组分燃料型NO。也有资料将前两种合称温度型NO。 1  温度热力型NO形成机理及控制   燃烧过程中，空气带入的氮被氧化为NO       N2+O2=2NO   NO的生成由如下一组链式反应来说明，其中原子氧主要来源于高温下O2的离解：       O+N2=

3、NO+N       N+O2=NO+O   由于原子氧和氮分子反应，需要很大的活化能，所以在燃料燃烧前和燃烧火焰中不会生成大量的NO，只有在燃烧火焰的下游高温区（从理论上说，只有火焰的下游才积聚了全部的热焓而使该处温度最高，燃烧火焰前部与中部都不是高温区），才能发生O2的离解，也才能生成NO。   关于燃烧高温区的温度，综合有关资料，选择以《炼焦炉中气体的流动和传热》的论述为依据，当α=1.1，空气预热到1100℃时。焦炉煤气的理论燃烧温度为2350℃；高炉煤气理论燃烧温度为2150℃。一般认为，实际燃烧温度要低于此值，实际燃烧温度介于理论燃烧温度和测定的火道砌体温度之间。如测

4、定的火道温度不小于1350℃，则焦炉煤气的实际燃烧温度不小于1850℃，而贫煤气不小于1750℃。   《大气污染控制工程》中对NOx的生成机理及控制有所论述，并列出了NOx的生成量和燃烧温度关系图表2-5。该图表显示，气体燃料燃烧温度一般在1600～1850℃之间，燃烧温度稍有增减，其温度热力型NO生成量增减幅度较大（这种关系在有关焦炉废气中NOx浓度与火道温度之关系中也表现明显。有资料表明，火道温度1300～1350℃，温度±10℃时，则NOx量为±30mg/m3左右）。燃烧温度对温度热力型NO生成有决定性的作用，当燃烧温度低于1350℃时，几乎没有NO生成，燃烧低于1600

5、℃,NO量很少，但当温度高于1600℃后，NO量按指数规律迅速增加。   当然，该书不是焦炉燃烧的专著，但所显示的数据与焦炉燃烧的实际相近。如在没有废气循环和分段加热的条件下，焦炉立火道温度在不小于1350℃时，用焦炉煤气加热时，其NO生成量＞600ppm，以NO2计约1300mg/m3，相当于实际燃烧温度不小于1850℃。温度热力型NO的生成，除了温度的主要因素外，还有高温烟气在高温区的停留时间和供应燃烧的氧气量两个因素。   在焦炉立火道中，气流流速一般在0.5m/s左右，所以在高温区停留时间大体在2s左右，按上述资料的图表2-6，要控制NO生成量在200ppm左右时，则α值

6、应不大于0.8，即供应的空气量应不大于α=1.2时的70%。控制温度热力型NO生成量的措施有如下几方面：   (1)控制温度热力型NO生成量，可采用国内同行熟知的废气循环技术.其作用是：   ①废气循环可使相当数量下降气流的废气进入上升气流，降低了气流的温度。   ②废气循环在一定程度上淡化了燃气和空气浓度，而减缓了燃烧强度。   上述两种作用使燃烧温度降低。废气循环技术使实际燃烧温度降低，从而降低NO生成量，但降低的幅度，对焦炉煤气加热来说效果大于用贫煤气加热，如废气循环的焦炉，当立火道温度不低于1350℃，用焦炉煤气加热时，其NO生成量以NO2计由1300mg/m3下降至80

7、0mg/m3以下。而用贫煤气加热时，其NO生成量降幅不如用焦炉煤气加热降幅大，这是由于贫煤气中惰性成分较多，而降低了废气循环的效果。中冶焦耐公司从2005年开始陆续对带废气循环的焦炉烟道废气中NOx量进行了检测，其结果见表1。 表1   NOx浓度与立火道及燃烧室温度的关系火道温度，℃燃气实际燃烧温度，℃NOx浓度，mg/m3焦炉煤气加热贫煤气加热焦炉煤气加热贫煤气加热≮1350≮1800≮1700＜800～500～13251780～17901680～1690～650～400（≯