气体燃料再燃对NOx还原的影响 （一）
作者: 钟北京 傅维标(清华大学工程力学系)【摘要】气体燃料再燃是研究较多的降低烟气中NOx含量最有效的方法之一。本文以典型的一次燃烧区烟气成分为模拟烟气，研究了不同的气体燃料(CH4，C2H2和C2H4)作为再燃燃料时，再燃区燃烧工况(空气过量系数和再燃温度)对NOx再燃过程和NOx还原率的影响。通过计算发现，不同组分的气体燃料、再燃区空气过量系数及再燃区温度对NOx的再燃过程和NOx还原率都有重要的影响。
1 引言
自从1983年三菱重工利用再燃技术成功降低烟气中NOx排放以后［1］，燃料再燃就成为降低NOx排放的诸多炉内方法中最有效的措施之一。许多研究结果表明，燃料再燃可使NOx的排放量降低50%以上［2］。在研究中发现，再燃燃料的种类对NOx的再燃率有重要的影响。在已有的报道中，气体燃料(尤其是天然气)是被认为最好、因而被采用最多的再燃燃料之一。NOx的再燃机理是燃料分解出来的碳氢基(CHi)与NOx反应，从而使NOx还原成N2。虽然稍后也有煤或煤焦作为再燃燃料的报道［3］，但研究气体燃料作为再燃燃料是最为简单的，而且气体燃料也可以模拟煤作为再燃燃料时挥发份对NOx的均相反应。本文通过化学反应动力学模型的计算，研究了不同气体燃料和再燃区的燃烧工况(如温度和空气过量系数)对烟气中NOx的再燃过程和NOx还原率的影响。
2 计算模型简介
燃料再燃又称燃料分级，实际上是把炉内燃烧过程沿炉膛高度分为如下三个不同的燃烧区(如图1所示)。第一燃烧区：这是主燃烧区，约有80%的'燃烧在该区燃烧，其空气过量系数大于1.0。由于该区氧气充足，火焰温度较高，因此将形成较多的NOx。此外，如果在该区没有足够的停留时间，将有一定量的未完全燃烧产物与NOx一起进入再燃区。第二燃烧区：这是再燃区，再燃燃料在空气不足的条件下喷射到第一燃烧区的下游，形成碳氢基(CHi)，从而使来自第一燃烧区的NOx还原。第三燃烧区：这是燃尽区，在该区加入空气，形成富氧燃烧区，使所有的未完全燃烧产物燃尽。
图1 再燃过程示意图
本文计算的物理对象是第二燃烧区，即再燃区。来自第一燃烧区的模拟烟气成分为：CO2＝16.8％，O2＝1.95％，NO＝0.1％和平衡气体N2。计算中选择了低分子量的烃类燃料作为再燃燃料，它们分别是：CH4，C2H2，C2H4。通过计算分析，研究了所选择的三种气体燃料在不同的再燃工况下对NOx还原率的影响。计算中使用了在文献［4］中进行过详细讨论的化学反应动力学模型，该模型包含30种组分的118个可逆反应(附录A)。计算中使用的再燃区空气过量系数为0.2～1.0，再燃区温度为1100℃～1300℃。
附录A 化学反应动力学机理
反应动力学常数公式：k=A.TN.exp(-E/RT)
单位：mol, m3, s, K和cal/mol
化学反应方程
A
N
E
1
H2＋OH＝H2O＋H
．1170E＋04
1．3000
．3650E＋04
2
H＋O2＝OH＋O
．1900E＋09
．0000
．1690E＋05
3
H2 O=OH H
.1820E 05
1.0000
.8960E 04
4
H O2 M=HO2 M
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