燃气轮机nox生成机理及降低措施

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1、燃气轮机NOx生成机理及降低措施一燃烧过程中NOx生成机理1.热力型NOx生成机理（泽尔道维奇机理）热力型NOx是指空气中的N2在高温条件下氧化生成的氮氧化物，其主要成分是NO。按照这一机理，空气中的N2在高温下氧化，是通过如下一组不分支的链式反应进行的，生成速率如下式所示：生成NO所需的活化能很大，通常氧原子与燃料中可燃成分之间的活化能较小，反应较快，因此，NO通常不在火焰面上生成，主要生成区域位于火焰下游高温区。温度对热力型NOx的影响是非常明显的，当温度低于1800K时，热力型NOx生成量很少，当温度高于1800K时，

2、反应逐渐明显，而且随着温度的升高，NOx生成量急剧升高。从图中可以大致看出，温度在1800K左右时，温度每升高l00K，反应速度将增大6一7倍。由于在实际燃烧过程中，燃烧室内温度分布通常是不均匀的，如果有局部的高温区域，则在这个区域会生成较多的NOx，它可能会对整个燃烧室内的NOx生成起到关键的作用。因此，在实际的燃烧器设计过程中应尽量避免局部高温区的形成。过量空气系数对热力型NOx的影响也是非常明显的，热力型NOx生成量与氧浓度的平方根成正比，即氧浓度增大，在较高的温度下会使氧分子分解的氧原子浓度增加，从而使热力型NOx的

3、生成量增加。但在实际燃烧过程中情况会更复杂一些，因为过量空气系数的增加一方面增加了氧浓度，另一方面也降低了火焰温度，从总体趋势上来看，随着过量空气系数的增加，NOx生成量先增加，到达一个极值后下降。气体在高温区域的停留时间对热力型NOx生成也有影响，主要是因为Nox生成反应速度较慢，没有达到化学平衡所致。在其它条件不变的情况下，气体在高温区停留时间越长，NOx生成量就越大，直到达到化学平衡浓度。2.快速型NOx生成机理有关快速型NOx的生成机理到目前为止尚有争议，其基本现象是碳氢燃料在过量空气系数小于1的情况下，在火焰面内急

4、剧生成大量的NOx，而CO,H2等非碳氢燃料在空气中燃烧却没有发生这种现象。对于这种现象Fenimore等人认为不能用扩大的泽尔道维奇机理来说明，并提出快速型NOx(P一NOx)的生成机理且，HCN是P-NOx生成的重要中间产物。弗尼摩尔等研究了减压甲烷火焰内HCN浓度和温度变化规律，发现随着燃烧温度的上升，首先出现HCN，并在火焰面内达到最大值，然后再下降。在HCN浓度降低的同时，NOx的生成量急剧上升，这说明快速型NOx的生成机理与热力型NＯx机理不同。快速型NOx主要在a<1的时候产生，基本上在火焰带的后端产生，通常在

5、过量空气系数达到一个小于l的数值时，快速型NOx的产生达到极值，随着过量空气系数的降低，虽然碳氢化合物产生的自由基增加了，但由于氧浓度大大降低，导致HCN向　　N２转变，从而使快速型NOx的生成量反而降低。碳氢燃料的种类对快速型NOx的生成影响较大，但对非碳氢燃料基本没有影响。火焰温度对快速型NOx生成的影响不大，但随着压力的增大，快速型Nox会有所增加。另外，火焰带附近的快速型NOx生成量随湍流强度的增大而增大。原因是己燃的循环气体与未燃的气体之间存在热交换，在反应带附近，由于未燃气体与己燃气体的快速混合，使O、OH原子团

6、的浓度超过平衡浓度，从而导致了快速型NOx生成量的增加。然而，湍流对快速型NOx生成的影响在绝大多数情况下处于次要地位，且其影响机理还有待进一步深入的研究。3.燃料型NOx生成机理天然气的主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等低分子量的烷烃,还含有少量的硫化氢、二氧化碳、氢、氮等气体。常用的天然气含甲烷85%以上。燃用含氮燃料也会排放出NOx，这部分氮氧化物通常被称之为燃料型NOｘ。岑可法等对温度对燃料型NOx生成的影响进行了实验研究，结果表明，随着燃烧温度的升高，燃料氮的转化率不断升高，但主要发生在700一800℃的温度区间内

7、。这是因为燃料型NOx既可以通过均相反应产生，也可以通过多相反应产生，燃烧温度较低时，绝大多数氮固定在焦炭内，而温度较高时绝大多数氮又以挥发分的形式析出。氧浓度对挥发分氮向NOx转化率影响很大，但对焦炭中氮的转化却基本没什么影响。另外，燃料的存在形式、氮含量、燃料含氧量、挥发分含量、金属氧化物含量以及含水量均对燃料型NOx的生成有较大影响。二.改善措施：近三十年来，世界各大研究机构与燃气轮机制造商均投入大量的人力物力对降低NOx进行了大量研究工作，开发出了多种燃气轮机燃烧室低排放(尤其是低NOx)技术，如燃烧室内喷水或者喷蒸

8、汽、选择性催化还原(ＳＣR)、干式低排放技术（ｄｒｙ　ｌｏｗ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ），以及燃油预混预蒸发技术等。微型燃气轮机对制造成本以及结构紧凑型要求较为苛刻，很难采用一些复杂和高成本的燃烧室低排放技术，如往燃烧室内喷水或者喷蒸汽、选择性催化还原等，而是对成本低、控制简单且不需要添加辅助子系