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气体燃料再燃对NOx还原的影响 （一）_石油与能源动力论文

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。

419-1.gif (5160 bytes)

图1　再燃过程示意图

　　本文计算的对象是第二燃烧区，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　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

　

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

.2700e+07

-.8600

.0000e+00

5

ho2+h=oh+oh

.1400e+09

.0000

.1073e+04

6

ho2+h=h2o+o

.1050e+08

.0000

.1420e+04

7

ho2+h=h2+o2

.1250e+08

.0000

.0000e+00

8

oh+ho2=h2o+o2

.7500e+07

.0000

.0000e+00

9

o+ho2=oh+o2

.1400e+08

.0000

.1073e+04

10

h+h+m=h2+m

.3020e+04

.0000

.0000e+00

11

0h+h+m=h2o+m

.1413e+12

-2.0000

.0000e+00

12

h+o+m=oh+m

.1000e+05

.0000

.0000e+00

13

oh+oh=h2o+o

.3160e+07

.0000

.1100e+04

14

ch4+o2=ch3+ho2

.6000e+08

.0000

.5500e+05

15

ch4+oh=ch3+h2o

.3467e-02

3.0800

.2000e+04

16

ch4+h=ch3+h2

.1259e+09

.0000

.1190e+05

17

ch4+o=ch3+oh

.1585e+08

.0000

.9200e+04

18

ch3+o=h2co+h

.1288e+09

.0000

.2000e+04

19

ch3+oh=h2co+h2

.2100e+07

.0000

.0000e+oo

20

ch3+h=ch2+h2

.2000e+08

.0000

.1240e+05

21

ch2+o2=hco+oh

.1000e+09

.0000

.3700e+04

22

ch2+oh=ch+h2o

.2692e+06

.6700

.2570e+05

23

ch2+o=ch+oh

.1960e+06

.6700

.2500e+05

24

ch2+h=ch+h2

.2692e+06

.6700

.2570e+05

25

ch+o2=hco+o

.1000e+08

.0000

.0000e+00

26

h2co+oh=hco+h2o

.7586e+07

.0000

.1700e+03

27

h2co+o2=hco+ho2

.3630e+10

.0000

.4606e+05

28

h2co+h=hco+h2

.3310e+09

.0000

.1050e+05

29

h2co+o=hco+oh

.5012e+08

.0000

.4600e+04

30

hco+o2=co+ho2

.3981e+07

.0000

.7000e+04

31

hco+h=h2+co

.2000e+09

.0000

.0000e+oo

32

hco+oh=co+h2o

.1000e+09

.0000

.0000e+00

33

hco+o=oh+co

.1000e+09

.0000

.0000e+00

34

co+oh=co2+h

.1500e+02

1.3000

-.7700e+03

35

co+o+m=co2+m

.5888e+04

.0000

.4100e+04

36

co+h+m=hco+m

.5000e+oo

1.0000

.1550e+04

37

o+o+m=o2+m

.4677e+04

-.2800

.0000e+00

38

n+n+m=n2+m

.2500e+04

.0000

.0000e+00

39

n2+o=no+n

.1300e+09

.0000

.7550e+05

40

n+o2=no+o

.6300e+04

1.0000

.6250e+04

41

n+oh=no+h

.5000e+06

.5000

.5000e+04

42

hcn+oh=cn+h2o

.1450e+08

.0000

.1093e+05

43

hcn+h=cn+h2

.2000e+06

.6900

.1840e+05

44

hcn+o=cn+oh

.2700e+04

1.5800

.2660e+05

45

hcn+oh=hnco+h

.4000e+06

.0000

.0000e+00

46

nh3+h=nh2+h2

.6360e+00

2.3900

.1017e+05

47

nh3+o=nh2+oh

.1300e+07

.0000

.6000e+04

48

nh3+oh+nh2+h2o

.3300e+07

.0000

.2200e+04

49

cn+o2=nco+o

.5600e+07

.0000

.0000e+00

50

cn+oh=nco+h

.5600e+08

.0000

.0000e+00

51

nco+h=nh+co

.2000e+08

.0000

.0000e+00

52

hnco+h=nh2+co

.1000e+08

.0000

.0000e+00

53

nh2+h=nh+h2

.5000e+06

.5000

.2000e+04

54

nh2+o=nh+oh

.2000e+08

.0000

.1000e+04

55

cn+o=n+co

.6310e+06

.5000

.0000e+00

56

nh+oh=n+h2o

.5000e+06

.5000

.2000e+04

57

nh2+o+oh=no+h+h2o

.6630e+09

-.5000

.0000e+00

58

nh+h=n+h2

.1000e+07

.6800

.1900e+04

59

nh+o=no+h

.5000e+06

.5000

.5000e+04

60

nh+oh+oh=no+h+h2o

.2000e+08

.0000

.0000e+00

61

n2+ch=hcn+n

3000e+06

.0000

.1360e+05

62

n2+ch2=hcn+nh

.1000e+08

.0000

.7400e+05

63

no+nh=n2+oh

.2400e+07

.0000

.0000e+00

64

no+ch2=hcn+oh

.1000e+09

.0000

.1200e+05

65

no+nh2=n2+h2o

.1260e+11

-1.2500

.0000e+00

66

nh+n=n2+h

.6300e+06

.5000

.0000e+00

67

nh+o2=no+oh

.7600e+05

.0000

.1530e+04

68

c2h4+m=c2h2+h2+m

.2950e+12

.0000

.7929e+05

69

c2h4+o=ch3+hco

.3300e+07

.000

.1130e+04

70

c2h4+oh=h2co+ch3

.2000e+07

.0000

.9600e+03

71

c2h4+o=h2co+ch2

.2500e+08

.0000

.5000e+04

72

c2h2+oh=ch3+co

.1200e+07

.0000

.5000e+03

73

c2h2+o=ch2+co

.6760e+08

.0000

.4000e+04

74

ch4+m=ch3+h+m

.2000e+12

.0000

,8840e+05

75

ch3+oh=ch2+h2o

.7500e+01

2.0000

.5000e+04

76

ch3+oh=h2co+h+m

.5300e+07

.0000

.0000e+00

77

ch4+ho2=ch3+h2o2

.1800e+06

.0000

.1870e+05

78

h2o2+oh=h2o+ho2

.1000e+08

.0000

.1800e+04

79

h2o2+o2=ho2+ho2

.3981e+08

.0000

.4264e+05

80

h2o2+m=oh+oh+m

.1300e+12

.0000

.4550e+05

81

h2o2+h=ho2+h2

.1698e+07

.0000

.3750e+04

82

h2co+ho2=hco+h2o2

.1000e+07

.0000

.8000e+04

83

h2o2+h=h2o+oh

.3200e+09

.0000

.8900e+04

84

h2o2+o=ho2+oh

.2800e+08

.0000

.6400e+04

85

h2o2+o=h2o+o2

.1400e+08

.0000

.6400e+04

86

hnco+m=nh+co+m

.1140e+11

.0000

.8680e+05

87

no+ch=hcn+o

.1100e+09

.0000

.0000e+00

88

nco+o=no+co

.2000e+08

.0000

.0000e+00

89

nco+h2=hnco+h

.8580e+07

.0000

.9000e+04

90

nh2+oh=nh+h2o

.4000e+01

2.0000

.1000e+04

91

hcn+o=nh+co

.3450e-02

2.6400

.4980e+04

92

hcn+o=nco+h

.1380e-01

2.6400

.4980e+04

93

ch3+n=hcn+h+h

.3000e+09

.0000

.2200e+05

94

ch2+n=hcn+h

.5000e+08

.0000

.0000e+00

95

n2+o+m=n2o+m

.1820e+02

.0000

.2140e+05

96

n2o+o=no+no

.1995e+08

.0000

.2170e+05

97

n2o+o=n2+o2

.1660e+08

.0000

.2090e+05

98

n2o+h=n2+oh

.7600e+08

.0000



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