煤化工生产中污染物NOx 的生成及其控制

第7期总第185期内蒙古科技与经济No.7,the185thissue2009年4月InnerMongoliaScienceTechnology&EconomyApr.2009煤化工生产中污染物NOx的生成及其控制�白雅琴1,孙喜平2(1.呼和浩特职业学院;2.内蒙古机电职业学院,内蒙古呼和浩特010051)摘要:文章重点分析了一氧化氮的生成机理,介绍了一氧化氮的控制方法,探讨了燃煤中一氧化氮的转化技术。关键词:煤化工;NOx;NO生成机理;控制方法中图分类号:X784文献标识码:A文章编号:1007—6921(2009)07—0028—03煤炭是世界上最丰富的化石燃料,同时也是许多重要化工产品的主要原料,在世界能源结构中占有不可动摇的重要地位。中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭占一次能源消费的75%左右。相当长的时间内这种一次能源格局不会发生大的变化。而煤炭利用中最突出问题是对环境造成严重污染,特别是空气污染问题。燃煤过程中排放的NOx能引起酸雨,N2O既是温室效应气体又能破坏臭氧层。另外,氮氧化合物吸收太阳光与碳氢化合物反应生成臭氧、硝酸过氧化乙酰及醛类等物质对人的眼睛和喉部有刺激性作用,并有难闻的气味,对动植物具有一定的危害。当NO浓度较大时对人体的毒害很大,它可以和血液中血红蛋白结合成亚硝酸基血红蛋白高铁血红蛋白,降低血液输氧能力,引起组织缺氧,甚至损害中枢神经系统。所以,研究燃煤过程中氮氧化合物生成机理及控制方法,降低氮氧化合物的排放量是煤的洁净、高效利用的重要内容之一。1一氧化氮的生成人们对氮氧化合物的形成进行了大量研究,由于煤燃烧的物理化学过程极为复杂,其中包括一系列的平行反应与连续反应、均相反应与多相反应、自由基反应与分子反应,所以氮氧化合物生成的机理问题至今仍在进一步研究中。NOx包括NO和NO2,煤在燃烧过程中生成的氮氧化合物主要是NO(90%以上),NO2是由NO被O2在低温下氧化而生成的。反应可以概括地表示为:N2+O2→NONO+1/2O2→NO2一般将NO根据其生成方式分为三种类型:热力型NO、瞬发型NO和燃料型NO。1.1热力型NO的形成热力型NO是指高温条件下,燃烧空气中的N2和O2反应生成的。氮的氧化机理是由前苏联科学家Zeldovich提出的,因而称为Zeldovich机理。按这一机理,NO的生成可用如下的链反应来说明,其中原子氧主要来源于高温下O2的离解:N2+O→NO+NN+O2→NO+O热力型NO的生成速度比较缓慢,主要是在火焰带的下游的高温区生成。在1000℃条件下,热力型NO高达12%,但热力型NO随温度的下降而迅速下降,大约800℃时基本消失。热力型NO的主要影响因素是温度和氧浓度,随温度和氧浓度的增加,热力型NO的浓度增加。1.2瞬发型NO的形成在燃烧器的初级区域,NO的生成速率较大,如果仅用热力型NO形成机理难以解释,为此提出了瞬发型NO的生成机理。瞬发型NO生成的条件是有碳氢化合物存在的情况,是碳氢燃料分解产生比较多的CHi自由基与N2反应生成中间产物HCN,HCN可进一步氧化生成NO。Hayhurst等把瞬发型NO的生成反应简化为下面的两个反应:CH+N2→HCN+N(1)CH2+N2→HCN+NH(2)以上两个反应的活化能很小,它们的反应速度很快,并与火焰中的O、OH等基团进一步反应生成NO:HCN+OH→CN+H2O(3)NH+O→NO+H(4)N+OH→NO+H(5)实验证实,这一机理在富燃料的碳氢化合物火焰中较为重要。有关碳氢化合物碎片与NO的反应是很多的。1.3燃料型NO的形成燃料型NO是指燃料中的氮在燃烧过程中,经过一系列的氧化-还原反应而生成的。根据煤种的·28·�收稿日期:2009-02-03作者简介:白雅琴(1961-),女,蒙古族,内蒙古鄂尔多斯人。呼和浩特职业学院生物化学工程学院副院长,职称:副教授;研究方向为煤化工。白雅琴,等·煤化工生产中污染物NOx的生成及其控制2009年第7期不同,煤中的氮含量一般在0.4%～4%之间,氮含量与煤阶之间只存在一定的依赖关系。一般氮含量随煤阶的升高而略有增大,碳含量85%时达到最大。现代分析技术XPS和XANES已广泛用于煤中氮官能团的研究,研究表明,煤中氮一般均为有机氮,主要以吡咯氮、吡啶氮和铵盐的形式存在。煤中吡啶氮的百分率随煤阶的升高而增大,而吡咯氮却相反。原因是煤化过程是生成更稳定的芳香结构的过程,吡啶官能团比吡咯官能团显然呈现出较高的稳定性,因而部分吡咯氮随着煤阶升高逐渐转化成吡啶氮。煤燃烧过程中,煤中含有的氮(燃料氮)被氧化生成NO。燃料氮是燃煤过程中NOx的主要来源(75%～95%)。原因是燃烧温度不太高,燃料中氮以N—C或N—H键的形式存在,N—C与N—H比氮分子中的N≡N键能弱,更易于氧