焦化廠生產焦爐燃燒過程中氮氧化物形成原因分析及控制技術方案

10/14焦化廠生產焦爐燃燒過程中氮氧化物形成緣由分析及掌握技術方案一、概述1、燃氣在焦爐立火道燃燒時會產生氮氧化物(NO

)，氮氧化x物通常多指NONO2

的混合物，大氣中的氮氧化物破壞臭氧層，造成酸雨，污染環(huán)境。掌握標準根本上是氮氧化物〔廢氣中O5％時〕，用焦爐煤氣加熱的質量濃度以NO2 x500mg/m3,用貧煤氣〔混合煤氣〕加熱的質量濃度不大于350mg/m3(170ppm)。2、在燃燒生成的NOx

5％左右，在大氣2的形成機理。

，故在探討NO2

形成機理時，主要爭論NO二、氮氧化物形成機理焦爐燃燒過程中生成氮氧化物的形成機理有 一是溫度熱力型NO;二是碳氫燃料快速型NO;NNO。也有資料將前兩種合稱溫度型NO。1、溫度熱力型NO燃燒過程中，空氣帶入的氮被氧化為NO，NO2

=2NO，NO2生成由如下一組鏈式反響來說明，其中原子氧主要來源于高溫下O2O+NN+O

=NO+N，2=NO+O；2由于原子氧和氮分子反響，需要很大的活化能，所以在燃料燃燒前和燃燒火焰中不會生成大量的NO，只有在燃燒火焰的下游高溫區(qū)〔從理論上說，只有火焰的下游才積聚了全部的熱焓而使該處溫度最高，燃燒火焰前部與中部都不是高溫區(qū)〕，才能發(fā)O的離解，也才能生成NO。2關于燃燒高溫區(qū)的溫度，綜合有關資料，選擇以《煉焦爐中氣體的流淌和傳熱》的論述為依據(jù)，當α =1.1，空氣預熱到1100焦爐煤氣的理論燃燒溫度為23502150一般認為，實際燃燒溫度要低于此值，實際燃燒溫度介于理論燃燒溫度和測定的火道砌體溫度之間。如測定的火道溫度不小于1350溫度不小于18501750《大氣污染掌握工程》中對NOx

的生成機理及掌握有所論述，并列出了NOx

的生成量和燃燒溫度關系圖表2-5該圖表顯示，氣體燃料燃燒溫度一般在1600～1850間，燃燒溫度稍有增減，其溫度熱力型NO〔這種關系在有關焦爐廢氣中NOx現(xiàn)明顯。

濃度與火道溫度之關系中也表有資料說明，火道溫度1300～135010℃時，則30mg/m3左右〕。x燃燒溫度對溫度熱力型NO1350NO1600NO很少，但當溫度高于1600NO固然，該書不是焦爐燃燒的專著，但所顯示的數(shù)據(jù)與焦爐燃燒的實際相近。如在沒有廢氣循環(huán)和分段加熱的條件下，焦爐立火道溫度在1350℃時，用焦爐煤氣加熱時，其NO600ppmNO2

1300mg/m3，相當于實際燃燒溫度不小于1850溫度熱力型NO煙氣在高溫區(qū)的停留時間和供給燃燒的氧氣量兩個因素。在焦爐立火道中，氣流流速一般在0.5m/s溫區(qū)停留時間大體在2s左右，按上述資料的圖表2-6NO200ppmα值應不大于0.8氣量應不大于α=1.270%。掌握溫度熱力型NO措施：掌握溫度熱力型NO生成量?？沙惺芡惺熘膹U氣循環(huán)技術。其作用是：①廢氣循環(huán)可使相當數(shù)量下降氣流的廢氣進入上升氣流，降低了氣流的溫度。②廢氣循環(huán)在肯定程度上淡化了燃氣和空氣濃度，而減緩了燃燒強度。上述兩種作用使燃燒溫度降低。廢氣循環(huán)技術使實際燃燒溫度降低，從而降低NO來說效果大于用貧煤氣加熱，如廢氣循環(huán)的焦爐，當立火道溫度1350NONO21300mg/m3800mg/m3以下。而用貧煤氣加熱時，其NO降幅大，這是由于貧煤氣中惰性成分較多，而降低了廢氣循環(huán)的效果。其結果見表1。焦爐煤氣加熱貧煤氣加熱焦爐煤氣加熱貧煤氣加熱≮1350≮1800≮1700＜800～500～13251780～17901680～1690～650～400〔≯500〕130017751670～1680～600≯4001250≯1750≯1650≯500≯350從上述關系中可見，掌握廢氣中NO從上述關系中可見，掌握廢氣中NO不大于500mg/m3和不x350mg/m3的關鍵在于掌握實際燃燒溫度，用焦爐煤氣加熱時，不大于17501650另外，承受廢氣循環(huán)的焦爐，只有在立火道溫度不高于1250NOx產效率。

才能到達目標，這明顯會影響焦爐的生因而需要進一步實行技術措施，以降低實際燃燒溫度，使焦爐火道溫度高于1300NOx承受分段加熱技術。

也不超標。表表1、NO濃度與立火道及燃燒室溫度的關系。x火道溫度，℃燃氣實際燃燒溫度，℃NO，mg/m3x分段加熱一般是只用空氣分段，也有空氣和貧煤氣皆分段的〔焦爐煤氣不分段〕。分段供空氣或空氣、貧煤氣皆分段，就是形成分散燃燒，而使燃燒強度降低，從而降低燃燒溫度。XXX7.1m13Carl-still爐型，分62Otto3段供空氣，1號焦爐的火道溫度13202134031310℃〔未加校正值〕。據(jù)報導，其NOx

實測濃度為390mg/m3。XXX6.25m焦爐，分三段供空氣和貧煤氣。該廠介紹火道溫度1350℃〔未加校正值〕，根本用貧煤氣11次焦爐煤氣加熱，其NOx290～310mg/m3。

月平均為XXXXXX明，在無廢氣循環(huán)的條件下，承受分段加熱技術，是可以降低燃燒溫度，從而降低NOx

濃度的。假設在分段加熱的根底上，針對NOx

生成機理，掌握供給空氣量，即掌握α值，使燃燒根本是在遠離理論空氣比的條件下進行，則對掌握NOx

生成量將是格外有效的措施。分段供空氣對炭化室高7m7m為三段，第一段在火道底部，在火道適當高度上設其次段和第三段出口。只用空氣分段時，在立火道底部的第一段燃燒時，使α不大于0.8〔“燃煤氮化物排放掌握技術”一書指出，當α =0.8時，生成的NO量比α=1.2削減50%，如α=1.2時，供給的空氣量為100%，則α=0.8，供給的空氣量應＜70%)。其次段供空氣量不宜大，供入其次段空氣后，α最好小于1。其次段供氣位置應避開上升氣流高溫區(qū)的部位送入〔一般認為不分段加熱焦爐上升氣流火道溫度最高部位，大體為距炭化室1000～1500mm處，故其次段供氣出口位置，對炭化室高7m7m以上的焦爐，宜不小于1700mm)到第三段時，火道中的α值到達1.2其次段都在遠離理論空氣比的條件下進展，到了第三段雖然α達1.2段大量廢氣的沖淡，所以第三段供的空氣在很大程度上是保證上升氣流燃燒完全。從理論上說，第一段空氣系數(shù)越小，對氮氧化物掌握效果越好，對焦爐來說，一段空氣量過小，會消滅焦爐炭化室底部溫度低，而上部溫度高，故將第一段的α值保持在0.8承受分段加熱與廢氣循環(huán)相結合的技術。分段加熱和廢氣循環(huán)技術各有所長，XXX來，對降低焦爐燃燒過程中的NOx

濃度有疊加作用，固然，這會使焦爐構造變得簡單。XXX7.63m供空氣，并掌握α值，廢氣循環(huán)量估量為40％左右，其保證值NO

〔NOx 2

計〕濃度約500mg/m3，用貧煤氣NOx

濃度不大于350mg/m3。2、含氮組分燃料型NO、含氮組分燃料型NO形成機理。燃氣中含有如NH

、HCN、吡啶、喹啉等含氮組分時，這些化3合物中的氮在燃燒過程中首先在火焰中〔而不是像熱力型 NO是在火焰下游〕轉化為HCN，所以要特別留意燃料中的含HCN量，然后轉化為NHNH2NHNH2

能與氧反響生成NOH

O,2NH2

+2O2

=NO+2H2

O?；蛘?NONHO。2 2在火焰中，燃料氮轉化為NONO/O2α0.7時，幾乎沒有燃料型NO

之比，當試驗說明，燃燒過程中，燃料中的氮組分有 20%～80％轉化為NO。如燃燒過程中氧量缺乏〔α<1)，已形成的NONNO2焦爐加熱用的焦爐煤氣是經過凈化的，凈化前的荒煤氣中的含氮組分，大體NH3

7g/m3、HCN1.5g/m3。此外，還含有喹啉和吡啶等?；拿簹饨涍^凈化后，一般含NH0.03g/m3、HCN0.15～0.25g/m3。31噸焦炭為例，加熱需焦爐煤氣190m3，焦爐煤氣中

、HCN0.03g/m3、0.20g/m3計，再考慮少量喹啉、3吡啶等含氮化合物，并皆以HCN0.3g/m3，則加熱焦爐煤氣帶入的含氮組分為1900.3=57gHCNNO，重度發(fā)生變化，則57×〔NO／HCN〕＝57×1.1＝63g80%〔最大轉化率〕計，則NO63×0.8=50.4g=50400mg190m焦爐煤氣燃燒生成廢氣約為1000m3，則廢氣中的NO50400/1000＝50mg/m3。即對焦爐來說，用焦爐煤氣加熱，由含氮組分燃料型生成的NO量充其量最多也只有50mg/m3左右。所以焦爐燃燒廢氣中生成的NO，當燃燒溫度不低于1850NO600ppm～1300mg/m3，而含氮組分燃料型NO50mg/m35%。但當焦爐老化，荒煤氣竄漏較大時，漏入的荒煤氣中含有NH7g/m3、HCN1.5g/m3，還有喹啉和吡啶等，當焦爐立火道氣3O2

存在時，會有一局部轉化為NO。這可能是爐齡較長的焦爐，其廢氣中NO大的緣由之一。、掌握含氮組分燃料型NO生成的技術。從上述含氮組分燃料型NONO程中燃料的含氮組分轉化為HCNNH、NH2NO所以最有效的掌握技術：

后，由于氧的缺乏降一是承受分段供空氣掌握α值技術，使燃燒在遠離理論空氣比的條件下進展；二是用含氮組分低的燃料。3、碳氫燃料快速型NONOα為0.7～0.8所生成的，其生成區(qū)不在火焰下游，而是在火焰內部?？焖傩蚇O是碳氫類燃料燃燒，且燃料過濃時所特有的現(xiàn)象。快速型 NO生成機理至今沒有得出明確結論。有人認為快速型NO生成過程是碳氫燃料，首先與N2

反響生成中間產物N、CH、HCNO、OH、O2NO。HCN+O=NCO+H；

等反響生成HCN+OH=NCO+H；2CN+O2

=NCO+O；NCO+O=NO+CO；HCN90％的快速NOHCN的。從前述溫度熱力型NO成原子狀態(tài)，需要很大的活化能，而要在火焰下游燃燒高溫區(qū)才能實現(xiàn)。因而快速型NO在焦爐中，快速型NO時，由于焦爐煤氣中含有CH4

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等，而在它們離解時有可能形成局部燃料過濃，從而形成少量的 NO。NO都對掌握快速型NO最好的措施是不用碳氫燃料，而用以CO氣。六、爭論、焦爐燃燒過程中生成的NO。主要是溫度熱力型的，用含氮組分的焦爐煤氣加熱，其生成NO量所占比例最多不超過5%。而用貧煤氣加熱，則全部是溫度熱力型的NO。、承受廢氣循環(huán)技術?？梢越档徒範t燃燒過程中NO生成量。在工業(yè)試驗中，用分段加熱與廢氣循環(huán)相結合，當火道平均溫度 循環(huán)43％時，燃燒廢氣中NOx

313mg/m3,而將廢氣循環(huán)量4312％時，則NOx

濃度上升為520mg/m3。當廢氣循環(huán)量由120NOx

75ppm125ppmNOx

的作用不容無視。但廢氣循環(huán)技術中，廢氣與上升氣流的煤氣和空氣混勻狀況是關鍵，而混勻狀況又與燃燒空間的幾何外形以及煤氣、空氣、廢氣的流速、壓力等有關，而這些因素又難以用計算來表述，只有通過閱歷來摸索。廢氣、煤氣、空氣混勻程度好，則減緩燃燒強度的效果就NOx

的作用就大，否則就影響其作用。試驗證明，煤氣口、空氣口的位置本身對NOx關系。

生成量也很有如煤氣口與空氣口拉開距離或穿插排列以及將焦爐煤氣出口布置在一個角落，使煤氣與空氣出口后減小混合機率，從而減緩燃燒強度，降低燃燒溫度，也有利于削減NOx

生成量。上述狀況說明，用焦爐煤氣加熱時，承受廢氣循環(huán)技術，當1250NOx500mg/m3。

NO2

計，濃度不大于用貧煤氣加熱時，承受廢氣循環(huán)，當火道溫度不高于1300NOx、承受分段加熱。

NO2

400mg/m3。如分段供空氣并掌握α值，尤其對含氮組分燃料型 NO，由于燃燒過程中氧缺乏降低了向NO的轉化率，從而實現(xiàn)降低焦爐燃燒廢氣中氮氧化物濃度的目的。、用分段加熱和廢氣循環(huán)相結合的技術。用焦爐煤氣之所以廢氣中氮氧化物濃度高，是由于：①焦爐煤氣燃燒時燃燒溫度高，溫度熱力型 NO量增加；②焦爐煤氣中有含氮組分以及CH4

CHmn

等，在燃燒過程中這些組分都會增加廢氣中的NO、承受含氮組分低的燃料。加強焦爐煤氣的凈化和盡量多用貧煤氣。對焦爐煤氣的凈化程度應予以關注。焦爐煤氣中含NH

、HCN、吡啶和喹啉等，這些含氮組分，特3HCN如含量高，會增加廢氣中NO6m時，用焦爐煤氣加熱，火道平均溫度為1322NOx720mg/m3。

NO2檢測時，由于煤氣凈化系統(tǒng)的脫硫裝置未投產，含 高，如以1.5g/m3計，則僅此一項即為190×1.5=285g,設有50％轉化為NO，則：(NO/HCN)×(285/2)＝157g；也就是說,比用脫硫脫氰后的焦爐煤氣，其NO15750＝107mg/m3XXX6m氣，則燃燒廢氣中的NOx

濃度可能在720100＝620mg/m3。所以在煤氣凈化工藝中，從降低廢氣中NO①選擇脫硫脫氰效率高的工藝；②選擇對降低NH3的硫銨工藝為好。

效率高，并對降低吡啶也有益的以酸吸取此外，要關注初冷效率，初冷效率高對脫除吡啶和喹啉等有幫助。、降低火道溫度，從而降低NOx

濃度。很多資料都說明，焦爐廢氣中氮氧化物濃度與焦爐立火道溫度有關〔實際是與燃料燃燒溫度有關〕。當火道溫度1200～1250明顯，溫度高于1300NOx

明顯增加。當火道溫度由1300135010NO2

±30mg/m3左右。x如前所述，當火道溫度保持在不高于1250強度的降低，用焦爐煤氣加熱，承受廢氣循環(huán)技術，燃燒高溫區(qū)1750NOx500mg/m3。

NO2

計〔O2

5%〕也不會高于、焦爐老化后治理。焦爐老化后，由于荒煤氣漏氣率增加，以及爐體構造的嚴密性有所降低，使加熱系統(tǒng)氣流間受到干擾：①導致廢氣