气体燃料再燃对NOx还原的影响 （二）_石油与能源动力论文

3　计算结果与分析

　　本文采用适于求解刚性微分方程的gear^［5］法对给定初始条件的反应速度方程进行了求解，从而可以分析再燃燃料组分、再燃区空气过剩系数和温度对nox再燃过程的影响。
3.1　燃料组分的影响
　　图2给出了三种气体燃料作为再燃燃料时nox浓度随反应时间的变化过程。由图中可见，用甲烷作为再燃燃料时，在所有α范围内，nox首先大量被还原，但随后烟气中的nox浓度又会逐渐升高。因此，选择合适的再燃时间就显得非常重要。用c₂h₂和c₂h₄作为再燃燃料时未发现有类似于ch₄的特性。比较三种燃料可知，选用ch₄做再燃燃料时，其对nox的再燃效果比c₂h₂和c₂h₄的再燃效果好。对于所选择的三种再燃燃料，再燃区空气过量系数越小，nox的还原率越大。当α＞0.7以后，所有三种燃料对nox的再燃效果都不明显，这可能是因为在这样的条件下不容易形成、并保持一定浓度的ch_i基。

图2　不同组分在α＝0.2-1.0条件下对no的再燃过程(α沿箭头方向增大)

3.2　空气过剩系数的影响
　　再燃区空气过量系数对nox的再燃过程有很大的影响。图3a给出了再燃区最低nox浓度随再燃区空气过量系数的变化。与图3a对应的nox最大还原率随再燃区空气过量系数的变化如图3b所示。由图中可见，随着再燃区空气过量系数的增大，nox的还原率减小，但是，在所有的α范围内，甲烷对nox的还原率都远远高于c₂h₂和c₂h₄，且其nox还原率高于50%。c₂h₂和c₂h₄作为再燃燃料时，nox还原率比较低，即使在较小的空气过量系数下也不超过30%。这与我们的想象相差甚远。因为nox的还原主要是由于nox与形如ch和ch₂等的碳氢基发生还原反应的结果。而表面看来c₂h₂和c₂h₄更易于形成这样的碳氢基，但是计算发现并不是这样的。由图3可以看出，三种燃料的再燃效果从大到小依次为ch₄、c₂h₂、c₂h₄。

图3　空气过剩系数对nox还原率的影响

3.3　再燃燃料中含氮组分的影响
　　为了研究含n组分对nox再燃的影响，在α＝0.7、再燃温度等于1100℃的条件下研究了三种再燃燃料有、无含氮组分对nox再燃的影响。图4给出了在这种情况下的计算结果。由图可见，当再燃燃料中存在含n组分时，其再燃特性有明显的差别。

图4　再燃燃料中含氮组分对no再燃特性的影响

　　尤其是对于ch₄，含氮组分的存在大大的改善了其对nox的还原特性。使再燃时间的选择范围变得很宽，从而使再燃过程易于实现。对于c₂h₂和c₂h₄，含氮组分的存在对nox的还原特性没有大的影响，只是强化了nox的再燃过程，增大了再燃效率。在其它空气过量系数条件下，计算结果表明，对于ch₄，即使α＝0.9，含氮组分的存在也明显地强化了nox的再燃效果，而对于c₂h₂和c₂h₄，当α＞0.7时，含n组分的存在反而增大了烟气中nox的排放量，这可能是因为在这样的情况下，含n组分容易首先与o₂反应，被氧化形成了nox。

3.4　再燃温度的影响
　　为了研究再燃区温度对nox再燃过程的影响，在空气过量系数α＝0.7，温度分别为1100℃、1200℃和1300℃条件下，对再燃效果最好的甲烷进行了nox再燃过程的计算。根据计算结果整理得到的nox还原率与再燃区温度的关系如图5所示。由图5可见，再燃温度对nox的还原率有很大的影响。在本文的计算条件下，nox还原率与再燃区温度存在极值关系。当再燃燃料为ch₄、空气过量系数α＝0.7和［hcn］/［no］摩尔比等于1.0时，最佳的再燃温度位于1150℃～1200℃之间，在此温度下nox的还原率将达到最大值。由图还可以发现，即使再燃温度高达1300℃，nox的还原率也可达到22.5%。但是，计算结果表明，当温度进一步升高到超过1400℃以后，再燃温度继续升高将很不利于nox的还原，而且当主燃料中含有燃料氮时反而会加速含n组分的氧化，使烟气中nox的浓度增大。

图5　nox还原率与再燃温度的关系

4　结论

　　由以上的计算结果，及其分析讨论可以得出以下结论：
　　(1)　在实际锅炉中应用再燃技术时，再燃区的空气过量系数要严格控制在较小值范围内，本文计算结果表明，一般应控制在α≤0.7，以达到较好的再燃效果。
　　(2)　在本文所采用的再燃燃料中，ch₄对nox的再燃效果明显地比c₂h₂和c₂h₄好，但必须选择合适的再燃时间才能达到较高的nox还原率。
　　(3)　再燃燃料中含n组分(如hcn)的存在可以改变nox的再燃过程，并在一定的空气过量系数范围内增大nox还原率，但在较大空气过量系数(对于ch₄-α＞0.9，对于c₂h₂和c₂h₄-α＞0.8)或较高再燃温度(t≥1400℃)下反而会由于含n组分的氧化使烟气中nox浓度明显增大。
　　(4)　再燃区温度对nox的还原率有较大的影响，对于特定的再燃燃料和再燃区空气过量系数，存在一个最佳的再燃温度，使nox的还原率达到最大。

基金项目：国家自然基金资助项目(59606011)

作者简介：钟北京(1963-),男,江西瑞金人,清华大学工程力学系副教授,副主任.
邮编  100084  北京
作者单位：参考文献

［1］takahashi y,sengoku t,nakashima f，et al.development of mact in-furnace nox removal process for steam generators.proc.1982 joint symposium stationary nox control,vol.1,epri report №cs-3182,july,1983.
［2］burch t e, tillman f r， chen w y,et al.partitioning of nitrogenous species in the fuel-rich stage of reburning.energy & fuel.1991，5∶231～237.
［3］chen w y,long ma.effect of heterogeneous mechanisms during reburning of nitrogen oxide.aiche journal.1996，42(7)∶1968～1975.
［4］钟北京，徐旭常.燃烧系统中燃料燃烧和nox形成过程的计算机模拟.燃烧与技术，1995，11(2)∶1～9.
［5］吉尔c w著，费景高，刘德贵，高永春等译.常微分方程初值问题的数值解法.出版社，1978.