煤種對(duì)NOx生成影響的數(shù)值研究

劉建紅，商福民

(長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

煤種對(duì)NOx生成影響的數(shù)值研究

劉建紅，商福民

(長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

燃煤過程產(chǎn)生的污染物對(duì)大氣造成的影響越來越嚴(yán)重，控制NOx排放是解決環(huán)境污染的重要研究方向。采用數(shù)值模擬方法，研究入口溫度分別為1 526 ℃、1 626 ℃，不同煤種在爐膛內(nèi)的燃燒過程，并對(duì)燃燒過程中生成的NOx影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：中揮發(fā)分煤(mv)燃燒生成的NOx最多，低揮發(fā)分煤(lv)燃燒生成的NOx最少；熱力型NOx的生成與溫度有很直接的關(guān)系，其計(jì)算結(jié)果可為今后的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

煤粉燃燒；NOx形成機(jī)理；控制技術(shù)；數(shù)值模擬

0 引言

煤粉燃燒被廣泛用于電站鍋爐、工業(yè)鍋爐還有其他能源轉(zhuǎn)換裝置，但是煤粉燃燒釋放出氮的氧化物(NOx)，其對(duì)環(huán)境的污染越來越引起人們的關(guān)注。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氮氧化物可引起人的呼吸系統(tǒng)疾病，對(duì)兒童來說，氮氧化物可能會(huì)造成肺部發(fā)育受損。另外，以NO和NO2為主的NOx是形成光化學(xué)煙霧和酸雨的一個(gè)重要原因[1]。光化學(xué)煙霧具有特殊氣味，刺激眼睛，傷害植物，并能使大氣能見度降低；NOx與空氣中的H2O反應(yīng)生成的HNO3和HNO2是形成酸雨的成分，所以，研究煤燃燒過程中NOx的生成機(jī)理以及其控制方法對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)十分重要。本文采用數(shù)值模擬方法，模擬高揮發(fā)分煤(coal-hv)、中揮發(fā)分煤(coal-mv)、低揮發(fā)分煤(coal-lv)在1 526 ℃，1 626 ℃下的燃燒過程，分析影響NOx的生成因素。

1 數(shù)學(xué)模型

本文求解NO組分的質(zhì)量輸運(yùn)方程，同時(shí)考慮了NO及相關(guān)組分的對(duì)流、擴(kuò)散、生成和消耗。對(duì)于熱力型和快速型NOx生成機(jī)理，僅求解NOx組分的輸運(yùn)方程，對(duì)于燃料型NOx，還求解HCN或NH3組分的輸運(yùn)方程。

1.1 連續(xù)性方程

(1)

1.2 質(zhì)量守恒方程

(2)

式中：ρ為質(zhì)量密度；t為時(shí)間；V為速度矢量。

1.3 動(dòng)量守恒方程

(3)

式中：μ為黏度系數(shù)；P為燃燒爐內(nèi)壓力場(chǎng)。

1.4 能量守恒方程

(4)

式中：ht為比焓；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；cρ為比定亞熱容。采用κ-ε湍流模型來求解爐內(nèi)氣體湍流流動(dòng)。

1.5 化學(xué)組分守恒方程

(5)

2 幾何模型和數(shù)值計(jì)算方法

2.1 幾何模型

由于煤粉燃燒是一種復(fù)雜的氣固兩相流，所以即使使用三維的湍流模型也很難得到精確的結(jié)果，本文按照文獻(xiàn)[2]建立二維幾何模型，使用一種簡(jiǎn)化的NOx化學(xué)反應(yīng)模型，其優(yōu)勢(shì)在于幫助我們易于理解物質(zhì)輸送與反應(yīng)方面的物理意義。如圖1所示，爐內(nèi)直徑0.05 m，高度1.2 m，網(wǎng)格數(shù)為10萬左右，網(wǎng)格類型為四邊形網(wǎng)格，采用分區(qū)方式對(duì)爐膛高溫燃燒區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密技術(shù)，大約生成20多萬網(wǎng)格。

圖1 幾何模型

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

本文模擬入口燃燒溫度分別為1 526 ℃，1 626 ℃時(shí)，不同煤種在高溫沉降爐內(nèi)NOx的生成過程。除了研究熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx的生成，還研究NO再燃和N2O中間反應(yīng)以及湍流化學(xué)反應(yīng)對(duì)NOx生成的影響。解算器為二維、非穩(wěn)態(tài)、分離隱式，輻射模型為P1模型。3種反應(yīng)物質(zhì)分別為NO、N2和CO，在燃燒過程中分別考慮多組分?jǐn)U散、熱力擴(kuò)散、體積反應(yīng)和顆粒表面反應(yīng)的影響?；旌衔锩芏炔捎貌豢蓧嚎s氣體，混合物黏性計(jì)算使用質(zhì)量平均混合定律。對(duì)于熱力NOx的生成采用Zeidovich機(jī)理[3]進(jìn)行計(jì)算，對(duì)燃料NOx的生成采用DeSoete[4]提出的總體反應(yīng)速率模型進(jìn)行計(jì)算。由于考慮湍流脈動(dòng)對(duì)RHCN→NO和RNO→N2的反應(yīng)速率影響，故采用β函數(shù)型概率密度函數(shù)(β-pdf)來求出NO和N2的平均值。

3 計(jì)算結(jié)果的分析與討論

3.1 總NOx生成研究

圖2為入口燃燒溫度為1 526 ℃下高揮發(fā)分煤(coal-hv)、中揮發(fā)分煤(coal-mv)、低揮發(fā)分煤(coal-lv)燃燒生成NOx總質(zhì)量濃度。從圖中可以看出：3種煤粉燃燒在沉降爐入口處形成90%的NOx，幾乎都是在距離入口0～0.22 m的范圍內(nèi)生成的，也就是說煤粉在進(jìn)入爐內(nèi)，遇到高溫氧氣快速燃燒，形成大量的NOx，經(jīng)過計(jì)算得出，高揮發(fā)分煤(coal-hv)的總NOx最高質(zhì)量濃度可達(dá)4.7%，中揮發(fā)分煤(coal-mv)的總NOx最高質(zhì)量濃度為6.6%，低揮發(fā)分煤(coal-lv)的總NOx最高質(zhì)量濃度為4.1%，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中揮發(fā)分煤(coal-mv)生成的總NOx最多。高揮發(fā)分煤(coal-hv)次之，低揮發(fā)分煤(coal-lv)最少。

圖2 hv,mv,lv在1 526 ℃燃燒時(shí)生成的NOx總的質(zhì)量含量比較

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，煤在燃燒過程中首先經(jīng)過熱解反應(yīng)，在熱解初期，煤粉中的揮發(fā)分迅速析出。煤中的N一部分隨揮發(fā)分釋放出來，另一部分則殘留在焦炭中，隨焦炭燃燒析出。揮發(fā)分中的氮經(jīng)過氣體同相反應(yīng)生成NO、N2和N2O；焦炭與煙氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)的同時(shí)焦炭N經(jīng)過固氣的異相反應(yīng)生成NOx、N2和N2O[5]。所以說圖2是煤中含有的所有的氮元素進(jìn)行同相和異相的氧化和還原反應(yīng)的最終結(jié)果。

圖3是不同煤種在同一入口燃燒溫度下的爐膛內(nèi)溫度比較，經(jīng)過計(jì)算得出，3種煤種進(jìn)入爐膛迅速燃燒，高溫區(qū)主要聚集在爐膛上半部，其中近壁面位置溫度最高，其中中揮發(fā)分煤(mv)在爐膛內(nèi)燃燒釋放的熱量最多，經(jīng)計(jì)算得出：高揮發(fā)分煤(hv)的爐膛溫度最高為3 020 ℃，中揮發(fā)分煤(mv)的爐膛最高溫度為3 229 ℃，低揮發(fā)分煤(lv)的爐膛溫度最高為2 965 ℃。

圖3 hv,mv,lv在入口溫度1 526 ℃燃燒時(shí)爐膛溫度比較

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，生成的NOx絕大部分為燃料型NOx，大約占95%，主要來源于燃料中的氮和空氣中的氮，所以，控制燃料型NOx的生成對(duì)環(huán)境影響具有重要意義，研究發(fā)現(xiàn)燃料型NOx生成的影響因素主要有：1)燃料中的氮含量越高會(huì)導(dǎo)致中間產(chǎn)物增加，生成的NOx也就越多。2)隨著燃燒溫度提高，生成的中間產(chǎn)物越多，生成的NOx也就越多。3)由于煤燃燒是部分?jǐn)U散火焰，在常規(guī)燃燒條件下，空氣過剩系數(shù)α增大，生成的NOx越多。4)在高溫燃燒區(qū)域，NOx的生成量與氧的質(zhì)量濃度、停留時(shí)間有直接的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，氧的質(zhì)量濃度越大，停留時(shí)間越短，生成的NOx量就越多，因此，盡量使用含N少的煤種，低貧氧燃燒，盡可能使煙氣在爐膛內(nèi)停留時(shí)間過長(zhǎng)，這樣生成的NOx量就會(huì)被中間產(chǎn)物還原一部分，由此就能減少燃料型NOx的生成。

3.2 熱力型NOx比較

圖4為不同煤種相同入口燃燒溫度下生成熱力型NOx的生成速率當(dāng)量比，從圖4可以看出：2種煤種生成的熱力型NOx主要集中在爐膛入口處的高溫燃燒區(qū)域，當(dāng)入口燃燒溫度為1 526 ℃時(shí)，hv的熱力型NOx生成速率當(dāng)量比最低為-124，最高生成速率當(dāng)量比為476，而相同條件下lv熱力型NOx生成速率當(dāng)量比最低為-83，最高生成速率當(dāng)量比為366，由此得出熱力型NOx的形成與燃料的種類沒有直接的關(guān)系。

圖5為高揮發(fā)分煤種(hv)在不同入口燃燒溫度下的熱力型NOx生成速率當(dāng)量比，從圖5可以看出：高揮發(fā)分煤種生成熱力型NOx的反應(yīng)主要集中在爐膛入口處的高溫燃燒區(qū)域，并且隨著燃燒溫度的增加，熱力型NOx的生成量也增大，通過計(jì)算得出入口燃燒溫度為1 526 ℃時(shí)，hv的熱力型NOx生成速率當(dāng)量比最低為-125，最高生成速率當(dāng)量比為475，在入口燃燒溫度為1 626 ℃下的熱力型NOx生成速率當(dāng)量比最低為2 102，最高生成速率當(dāng)量比為36 644 042，因此，可以得出結(jié)果：燃燒溫度越高，熱力型NOx形成速率就越高，且呈倍數(shù)增長(zhǎng)。

圖4 Hv,lv,在1 526 ℃下燃燒熱力型NOx生成速率當(dāng)量比

前蘇聯(lián)科學(xué)家捷里道維奇提出空氣中的N2在高溫下氧化生成熱力型NOx，被稱為Zeldovich機(jī)理[3]，指熱力型NOx主要與燃燒區(qū)域的溫度和氧質(zhì)量濃度有關(guān)，影響因素主要有：

1)熱力型NOx主要與溫度有關(guān)。由于生成NOx的活化能為565 kJ，其反應(yīng)速度與溫度變化密切相關(guān)。當(dāng)煤粉低于1 500 ℃燃燒時(shí)，生成的熱力型NOx非常少；溫度超過1 500 ℃，熱力型NOx就會(huì)急劇增加，且呈指數(shù)增加。因此，適當(dāng)降低燃燒區(qū)域溫度，避免出現(xiàn)局部高溫，可以明顯地控制NOx的生成。[6]

圖5 hv在1 526 ℃,1 626 ℃下燃燒熱力型NOx生成速率當(dāng)量比

2)縮短燃燒產(chǎn)物在爐膛高溫區(qū)域的停留時(shí)間。當(dāng)煤粉燃燒過程中高溫區(qū)域火焰內(nèi)的O原子高于平衡質(zhì)量濃度的，很容易氧化空氣中氮。若反應(yīng)混合物在高溫區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng)，生成的NOx就會(huì)越多。因此，縮短燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)域的停留時(shí)間，可以抑制NOx的生成。

3)反應(yīng)混合物中氧質(zhì)量濃度。NOx的生成量與氧質(zhì)量濃度的關(guān)系存在一個(gè)最佳值。理論上當(dāng)空氣過剩系數(shù)α為1時(shí)，NOx的質(zhì)量濃度最高。當(dāng)α<1時(shí)，氧的質(zhì)量濃度越高，生成的NOx的質(zhì)量濃度越高；當(dāng)α>1時(shí)，氧的質(zhì)量濃度越低，生成的NOx的質(zhì)量濃度越高，這是因?yàn)檠醯南♂屖谷紵郎囟认陆礫1]。

4 結(jié)語

隨著大氣污染越來越嚴(yán)重，人們對(duì)于燃煤過程產(chǎn)生的NOx也越來越關(guān)注。本文模擬了入口燃燒溫度分別為1 526 ℃，1 626 ℃時(shí)，高揮發(fā)分煤(coal-hv)、中揮發(fā)分煤(coal-mv)，低揮發(fā)分煤(coal-lv)在燃燒過程N(yùn)Ox的生成，并分析和歸納了對(duì)燃燒過程中的NOx生成的影響因素。結(jié)果表明：中揮發(fā)分煤(mv)燃燒生成的NOx最多，低揮發(fā)分煤(lv)燃燒生成的NOx最少；熱力型NOx的生成與燃燒種類沒有直接關(guān)系，與溫度升高身高呈正比。

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The Numerical Study on Influence to NOxby Coal

LIU Jian-hong，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The atmospheric pollution caused by coal combustion is increasingly concerned，so the controlling NOxemissions is becoming a very important issue to resolve during the coal combustion process.In this paper，numerical simulation has been performed to investigate the NOxdischarge during different coals under different combustion temperatures of 1 526 ℃、1 626 ℃ respectively.The influencing factors to NOxformation have been analyzed and summarized.Simulation results show that：the middling-volatile coal (mv) combustion generates the most NOx；the low-volatile coal (lv) combustion generates the least NOx；the thermal NOxgeneration has a direct relationship with the temperature，and the algorithm results can provide a theoretical basis for future industrial experiment.

coal combustion；information mechanism of NOx；discharge control measure；numerical simulation

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.017

2016-10-13

劉建紅(1979-)，女(漢)，河北保定，碩士 主要研究強(qiáng)化傳熱的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。

TK124

A

1009-8984(2017)01-0067-04