煤粉燃燒過(guò)程中硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理評(píng)估及簡(jiǎn)化

劉仕海，呂嗣晨，郝 昊，李春玉，周 璐，馬紅和

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)科學(xué)院 山西煤炭化學(xué)研究所，山西 太原 030001)

0 引 言

國(guó)內(nèi)外電廠廣泛采用空氣分級(jí)燃燒等低氮燃燒技術(shù)，用以降低氮氧化物的排放。但由于初始燃燒區(qū)處于貧氧狀態(tài)，形成了強(qiáng)還原性氣氛，致使鍋爐水冷壁附近還原性硫組分H2S濃度過(guò)高，進(jìn)而引起鍋爐水冷壁的腐蝕[1-3]。布置貼壁風(fēng)能有效降低水冷壁附近還原性硫組分的濃度，但由于不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同煤種、多種工況下硫組分的濃度分布，貼壁風(fēng)的布置依賴于工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，會(huì)使NOx減排效果變差、飛灰含碳量升高[4]。煤粉燃燒過(guò)程中硫元素的演化分為2個(gè)相互獨(dú)立的過(guò)程：煤粉中的硫釋放和硫組分氣相反應(yīng)，在煤種確定的情況下，硫組分的氣相反應(yīng)直接影響其濃度分布[5]?；诨瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理的燃燒數(shù)值模擬有助于揭示煤粉燃燒過(guò)程中硫組分的氣相反應(yīng)過(guò)程，對(duì)預(yù)測(cè)和控制鍋爐燃燒過(guò)程中硫組分的濃度分布有重要意義。

反應(yīng)機(jī)理模型從總包反應(yīng)機(jī)理模型、詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型和簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理模型3個(gè)層面進(jìn)行研究。針對(duì)煤粉燃燒過(guò)程中硫組分的預(yù)測(cè)，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。魏小林等[6]對(duì)“GADM98”詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理和“Glarborg”的硫化學(xué)詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到硫氣相反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理，包括硫組分SO、SO2、SO3、H2S。Zhang等[7]在Leeds大學(xué)硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上構(gòu)建了總包反應(yīng)機(jī)理，重要硫組分包括H2S、SO2、COS，通過(guò)CFD數(shù)值計(jì)算得到了較好驗(yàn)證。Bohnstein等[8]利用GRI-3.0機(jī)理與Leeds大學(xué)硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理耦合，建立了詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型來(lái)描述硫組分的氣相反應(yīng)，其中不僅考慮了H2、CO、CO2、H2O、H2S、SO2、COS等重要組分，同樣包含O、H、OH、SH、HSO等自由基的基元反應(yīng)。此外，本課題組[9]在先前研究中建立了H2S生成的總包反應(yīng)機(jī)理模型，硫組分包括H2S、SO2、COS、CS2，能夠有效預(yù)測(cè)低NOx燃燒過(guò)程中硫組分的生成。以上研究能在一定程度上有效預(yù)測(cè)硫組分的濃度分布，但直接應(yīng)用于煤粉富燃料燃燒過(guò)程中仍存在不足。總包反應(yīng)機(jī)理不能從自由基層面揭示硫組分的氣相反應(yīng)，詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理包含反應(yīng)數(shù)目龐大，不能耦合CFD軟件并應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。而簡(jiǎn)化機(jī)理不僅能夠從自由基的層面揭示硫組分的氣相反應(yīng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)硫組分濃度分布，而且可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，提高計(jì)算效率。因此，需要對(duì)詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到硫組分氣相反應(yīng)的簡(jiǎn)化機(jī)理。

在前期工作中[10]，已經(jīng)建立了一種煤粉富燃料燃燒過(guò)程中H2S生成的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理(簡(jiǎn)稱“機(jī)理模型Ⅰ”)，包括34個(gè)組分和115個(gè)基元反應(yīng)，其中考慮了SO2、H2S、COS、CS2重要硫組分，S、SH、SO、HSO、HOSO、CS等自由基，并結(jié)合C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，能夠較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)硫組分的濃度分布。本文進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行評(píng)估，討論最匹配的C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型；然后與其他學(xué)者提出的硫反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行比較，并分析討論；最后，對(duì)機(jī)理模型Ⅰ進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到硫組分氣相反應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)理，并通過(guò)PFR反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算，與不同溫度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其合理性。

1 研究方法

1.1 C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理

煤粉燃燒過(guò)程中，H2、CO、CO2、H2O等是重要生成物和反應(yīng)物，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量含有C、H、O等元素的自由基，這些組分對(duì)硫組分的氣相反應(yīng)有較大影響，選擇合適的C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型描述煤粉燃燒過(guò)程中重要組分的演化行為十分重要。

一方面，GRI-3.0在多種試驗(yàn)條件下驗(yàn)證了其合理性[11]，先前研究中，本課題組采用GRI-3.0作為C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型；另一方面，其他學(xué)者提出的C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型，如南加州大學(xué)構(gòu)建的H2/CO/C1-C4模型USC 2.0[12]，意大利米蘭理工Ranzi團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的C1-C3高低溫燃燒模型[13]，愛(ài)爾蘭國(guó)立大學(xué)燃燒能源中心構(gòu)建的Aramco 1.3模型[14]，斯坦福大學(xué)王海教授團(tuán)隊(duì)和SRI中心Gregory Smith提出的FFCM 1.0模型[15]，這些模型得到驗(yàn)證并廣泛應(yīng)用。因此，探究與機(jī)理模型Ⅰ耦合良好，且適用于煤粉富燃料燃燒過(guò)程中的C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤粉富燃料燃燒過(guò)程中硫組分的氣相反應(yīng)有重要意義。本文收集了5種C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型，主要信息見(jiàn)表1。

表1 C/H/O詳細(xì)機(jī)理

1.2 PFR模型描述和試驗(yàn)設(shè)置

Chemkin由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，用于模擬燃燒過(guò)程中氣相化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。本文選用一維柱塞流反應(yīng)器PFR來(lái)模擬一維狀態(tài)下硫組分的氣相反應(yīng)過(guò)程。在PFR中，反應(yīng)物被視為無(wú)摩擦的理想氣體，沿垂直于反應(yīng)物流動(dòng)的方向上，物理和化學(xué)性質(zhì)均勻(如速度、溫度、壓力和組成等)，忽略了壓力和速度守恒方程中的黏性項(xiàng)。假設(shè)不發(fā)生軸向混合，忽略層狀和湍流的質(zhì)量擴(kuò)散。其質(zhì)量和能量連續(xù)性方程為

質(zhì)量連續(xù)性方程：

(1)

式中，ρ為質(zhì)量密度；u為氣體的軸向速度；A為橫截面積；x為軸向距離。

能量連續(xù)性方程：

(2)

式中，hk、Yk分別為物種k的比焓和質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Cp為單位質(zhì)量氣體的平均熱容量；T為絕對(duì)氣體溫度；Qe為來(lái)自周圍外管壁的熱通量；ae為單位長(zhǎng)度的表面積。

1.3 誤差評(píng)估

為了定量評(píng)估各機(jī)理與H2S生成詳細(xì)機(jī)理模型的耦合性，本文選用相對(duì)誤差評(píng)估函數(shù)對(duì)不同機(jī)理模型在富燃料燃燒下的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

1.4 機(jī)理簡(jiǎn)化方法

構(gòu)建簡(jiǎn)化機(jī)理的方法包括敏感性分析法(Sensitivityanalysis)、直接關(guān)系圖法(Directed relation graph，DRG)、基于誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(Directed relation graph with error propagation，DRGEP)、基于路徑通量分析的直接關(guān)系圖法(Directed relation graph with path flux analysis，DRGPFA)等。因此，本文選用DRGEP、DRGPFA和全物種敏感性分析方法(Full species sensitivity analysis，F(xiàn)SSA)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

敏感性分析方法是機(jī)理簡(jiǎn)化常用的方法，在給定的工況下分析各化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)速率、溫度、壓力的影響[16]。通過(guò)比較各基元反應(yīng)的敏感性系數(shù)，去除敏感性系數(shù)較小的反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)詳細(xì)機(jī)理的簡(jiǎn)化。

(5)

式中，S為敏感性系數(shù)矩陣；kj為第j個(gè)基元反應(yīng)速率常數(shù)；ci為第i個(gè)組分的濃度。

基于誤差傳遞的直接關(guān)系圖法(DRGEP)采用圖論的方法，組分A和B的相關(guān)性總誤差rAB定義為

(6)

(7)

(8)

(9)

基于路徑通量分析的直接關(guān)系圖法(DRGPFA)采用圖論的方法，組分A的生成和消耗分別定義為

(10)

(11)

與組分B相關(guān)聯(lián)的組分A的通量為

(12)

(13)

第1代組分B對(duì)組分A生成和消耗速率的相關(guān)性系數(shù)分別定義為

(14)

(15)

通過(guò)使用第1代生產(chǎn)通量和消耗通量，相互作用系數(shù)分別定義為

(16)

(17)

總誤差定義為

(18)

2 詳細(xì)機(jī)理驗(yàn)證及評(píng)估

2.1 反應(yīng)器參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采用18 kW的煤粉燃燒爐，燃燒爐本體長(zhǎng)2.2 m，內(nèi)徑150 mm，試驗(yàn)煤種為大恒煤，試驗(yàn)詳細(xì)信息以及相關(guān)結(jié)論見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。將反應(yīng)器入口的中心設(shè)定為原點(diǎn)，Z表示到原點(diǎn)的距離，相關(guān)內(nèi)容見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

在Z=0.45 m處，大恒煤的熱解釋放接近完全，因此，選擇Z=0.45～2.20 m區(qū)域?qū)α蚪M分的氣相反應(yīng)進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得Z=0.45 m處各組分濃度(表2)，即PFR反應(yīng)器入口各氣相組分濃度，反應(yīng)器參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3[10]。

表2 入口氣體成分

表3 反應(yīng)器參數(shù)設(shè)置

2.2 詳細(xì)機(jī)理驗(yàn)證

將本文收集的5個(gè)描述C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理與本課題組構(gòu)建的機(jī)理模型Ⅰ進(jìn)行耦合，所得5個(gè)詳細(xì)機(jī)理模型分別以C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理的名稱表示，各模型的模擬結(jié)果與1 473 K下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖1所示。

圖1 模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.1 Comparison of model prediction results with experimental results

由圖1可知，C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理對(duì)機(jī)理模型Ⅰ的預(yù)測(cè)結(jié)果有重要影響。不同C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理所預(yù)測(cè)的H2、CO、H2O、CO2濃度有較大差異，其中GRI-3.0預(yù)測(cè)的H2、CO濃度分布與試驗(yàn)值吻合較好，Ranzi模型和Aramco 1.3模型預(yù)測(cè)的H2O濃度分布誤差較小，GRI-3.0和FFCM 1.0預(yù)測(cè)的CO2濃度分布更接近試驗(yàn)值。由圖1(a)、(b)、(e)、(f)可知H2和CO預(yù)測(cè)濃度偏大的詳細(xì)機(jī)理，所得H2S、COS預(yù)測(cè)濃度高于其他模型，SO2的預(yù)測(cè)濃度低于其他模型，原因在于H2、CO組分促使SO2還原為H2S、COS[17]，其濃度越高，還原性硫組分H2S、COS濃度越高。H2O的存在會(huì)導(dǎo)致H、O和OH自由基濃度上升，CS2與H2O、COS與H2O等基元反應(yīng)是H2O參與硫組分氣相反應(yīng)過(guò)程的重要途徑[5,18]，間接影響H2S的生成。此外，各取樣點(diǎn)CS2相對(duì)誤差較大，原因可能在于：當(dāng)前階段，煤粉熱解并未完全結(jié)束，仍有少量CS2被釋放，由于CS2濃度較低，盡管實(shí)際誤差不大，仍造成CS2的相對(duì)誤差偏大。

通過(guò)誤差評(píng)估函數(shù)，對(duì)每個(gè)模型預(yù)測(cè)的各取樣點(diǎn)的組分濃度分布誤差進(jìn)行計(jì)算，所得到的模型相對(duì)誤差如圖2所示。其中，模型預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最小的是GRI-3.0詳細(xì)機(jī)理，為6.69%；最大的是Ranzi詳細(xì)機(jī)理，為10.74%。煤粉富燃料燃燒條件下，GRI-3.0與本課題組建立的機(jī)理模型Ⅰ耦合，能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)重要硫組分濃度分布。因此，選用GRI-3.0 描述煤粉富燃料燃燒過(guò)程中C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)，并與機(jī)理模型Ⅰ耦合預(yù)測(cè)富燃料燃燒過(guò)程中的硫組分濃度分布。

圖2 模型相對(duì)誤差Fig.2 Relative error of model

2.3 詳細(xì)機(jī)理評(píng)估

將機(jī)理模型Ⅰ和GRI-3.0耦合所得詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理作為起始機(jī)理(簡(jiǎn)稱“機(jī)理模型Ⅱ”)，與其他硫組分氣相反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行比較分析，并與1 473 K下試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證。本文收集了3種硫組分氣相反應(yīng)的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型，主要信息見(jiàn)表4。Sydney大學(xué)硫機(jī)理適用于貧燃料條件下H2S的氣相反應(yīng)[19]，其中包含的重要硫組分只有H2S、SO2，但該機(jī)理模型對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的自由基濃度有很高的敏感性，因此Sydney同樣作為對(duì)比的模型之一。Leeds大學(xué)建立的硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛認(rèn)可[20]，其中包含重要硫組分SO2、H2S和COS，含硫自由基包括S、SH、HOSO等，還考慮了O、OH、CHi等燃燒中間產(chǎn)物。Abián等[18]對(duì)CS2和COS的氣相反應(yīng)進(jìn)行研究，并將其建立的CS2和COS的相關(guān)基元反應(yīng)與Alzueta等[21]建立的S/H/O化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、Glarborg等[22]建立的C/H/O化學(xué)反應(yīng)機(jī)理耦合，得到了C/H/O/N/S的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理，該詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理同樣作為對(duì)比模型之一。本課題組先前建立的機(jī)理模型Ⅰ，是在Leeds大學(xué)硫反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上，添加了Abián等[18]關(guān)于COS和CS2的基元反應(yīng)，并對(duì)部分反應(yīng)重新計(jì)算，使之適用于煤粉富燃料燃燒過(guò)程，C/H/O化學(xué)反應(yīng)機(jī)理選用GRI-3.0。

表4 硫組分詳細(xì)機(jī)理

硫組分氣相詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。由圖3(a)可知，Sydney機(jī)理預(yù)測(cè)的SO2、H2S濃度分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致，機(jī)理模型Ⅱ預(yù)測(cè)的H2S生成速率隨著反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行先上升后趨于平滑，而Sydney機(jī)理預(yù)測(cè)的H2S濃度在反應(yīng)器尾部仍有較快的反應(yīng)速率?？傮w來(lái)說(shuō)，Sydney預(yù)測(cè)的SO2、H2S變化與試驗(yàn)值變化趨勢(shì)一致，取樣點(diǎn)相對(duì)誤差較小，但缺少重要組分COS、CS2。COS是還原性氣氛中較重要的硫組分，缺少COS導(dǎo)致H2S濃度偏高。由圖3(b)可知，Leeds機(jī)理預(yù)測(cè)的SO2、H2S、COS濃度分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致，SO2和COS組分與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但H2S濃度明顯低于試驗(yàn)值，最大誤差為32%，原因在于：該氣氛下硫元素向COS轉(zhuǎn)化，雖然對(duì)COS預(yù)測(cè)較準(zhǔn)確，但導(dǎo)致H2S生成濃度較低。Leeds機(jī)理的不足之處在于忽略了CS2的參與，H2S濃度高于100×10-6會(huì)造成鍋爐水冷壁腐蝕，CS2濃度最高為87×10-6，CS2中S元素全部轉(zhuǎn)化為H2S會(huì)高于腐蝕臨界值，因此有必要考慮CS2的作用。由圖3(c)可知，Abián機(jī)理預(yù)測(cè)的SO2、H2S、CS2濃度分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果較一致；COS濃度逐漸降低，與試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。COS組分是還原性氣氛下生成的重要硫組分，該機(jī)理預(yù)測(cè)結(jié)果中，COS大量消耗，導(dǎo)致H2S預(yù)測(cè)濃度偏大。Abián等[18]的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理較全面，幾乎包含了煤粉燃燒過(guò)程中可能生成的硫組分，但其側(cè)重于氧化氣氛，直接應(yīng)用于煤粉富燃料燃燒過(guò)程有較大誤差。本課題組建立的機(jī)理模型Ⅰ與GRI-3.0機(jī)理耦合得到的機(jī)理模型Ⅱ，在當(dāng)前試驗(yàn)條件下，能較好描述煤粉富燃料燃燒過(guò)程中硫組分濃度分布。

圖3 不同硫組分氣相反應(yīng)機(jī)理預(yù)測(cè)結(jié)果比較Fig.3 Comparison of prediction results of different sulfur species gas reaction mechanism

通過(guò)Chemkin軟件對(duì)硫組分氣相反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行計(jì)算，分析其主要反應(yīng)路徑，在硫組分氣相反應(yīng)過(guò)程中，重要自由基及重要基元反應(yīng)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，機(jī)理模型Ⅰ相比較于Abián等模型，R111反應(yīng)是COS生成的重要途徑，該反應(yīng)來(lái)自本課題組建立的總包反應(yīng)機(jī)理[9]，因此機(jī)理模型在預(yù)測(cè)還原氣氛下COS組分的濃度分布比Abián等模型更準(zhǔn)確。HSO、HSOH、S2等自由基在氣相反應(yīng)過(guò)程中也發(fā)揮作用，在機(jī)理模型Ⅰ、Abián等模型中，CS自由基也是較重要的自由基之一。

表5 不同硫組分氣相反應(yīng)機(jī)理對(duì)比

3 機(jī)理簡(jiǎn)化及驗(yàn)證

本文選用DRGEP、DRGPFA、FSSA三種常見(jiàn)的簡(jiǎn)化方法對(duì)機(jī)理模型Ⅰ進(jìn)行簡(jiǎn)化，所得模型簡(jiǎn)化結(jié)果見(jiàn)表6。DRGEP和FSSA所得簡(jiǎn)化機(jī)理包含15個(gè)組分：重要硫組分H2S、SO2、COS、CS2，重要含硫自由基S、SH、SO、HOSO，以及H2、H2O、CO、CO2，H、OH、O等活躍自由基。通過(guò)DRGEP和DRGPFA方法得到的簡(jiǎn)化結(jié)果完全相同，共有28個(gè)基元反應(yīng)，F(xiàn)SSA所得的簡(jiǎn)化機(jī)理共有32個(gè)基元反應(yīng)。因此，僅對(duì)DRGEP和FSSA兩種方法所得簡(jiǎn)化結(jié)果進(jìn)行比較。

表6 詳細(xì)機(jī)理簡(jiǎn)化結(jié)果對(duì)比

1473 K下，通過(guò)CHEMKIN-PRO軟件對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)的濃度分布值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。當(dāng)前研究目的在于硫組分的氣相反應(yīng)，因此，仍將簡(jiǎn)化機(jī)理和詳細(xì)機(jī)理與GRI-3.0機(jī)理耦合進(jìn)行計(jì)算。由圖4可知，DRGEP和FSSA預(yù)測(cè)的重要組分濃度分布與詳細(xì)機(jī)理幾乎一致，與試驗(yàn)結(jié)果的誤差較小。由于DRGEP和FSSA方法所得簡(jiǎn)化模型預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎一致，且DRGEP所得基元反應(yīng)較少，因此選用DRGEP的簡(jiǎn)化結(jié)果作為簡(jiǎn)化機(jī)理模型。

圖4 簡(jiǎn)化機(jī)理與詳細(xì)機(jī)理對(duì)比Fig.4 Comparison of simplified mechanism and detailed mechanism

為了驗(yàn)證DRGEP方法所得H2S生成簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理模型的可靠性，本文分別在1 373、1 473、1 573和1 673 K下對(duì)簡(jiǎn)化機(jī)理進(jìn)行運(yùn)算，簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)的硫組分濃度分布與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

由圖5可知，各溫度下，簡(jiǎn)化機(jī)理所預(yù)測(cè)的硫組分濃度沿反應(yīng)器的軸向方向分布趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果一致，各取樣點(diǎn)與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各重要組分的濃度分布。通過(guò)計(jì)算可得，1 373 K，相對(duì)誤差為7.43%，取樣點(diǎn)最大誤差為21.52%；1 473 K，相對(duì)誤差為10.04%，取樣點(diǎn)最大誤差為22.63%；1 573 K，相對(duì)誤差為11.98%，取樣點(diǎn)最大誤差為24.96%；1 673 K，相對(duì)誤差為10.71%，取樣點(diǎn)最大誤差為25.32%?？傮w來(lái)說(shuō)，該簡(jiǎn)化機(jī)理在1 373～1 673 K能有效預(yù)測(cè)硫組分濃度分布。

圖5 不同溫度下簡(jiǎn)化機(jī)理預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of simplified excitation prediction results and experimental results at different temperatures

4 結(jié) 論

1)將5種不同的C/H/O詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型與之前工作中建立的硫組分詳細(xì)氣相反應(yīng)機(jī)理模型耦合，并用誤差函數(shù)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示GRⅠ-3.0與機(jī)理模型Ⅰ耦合能較好地描述C/H/O化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)硫組分氣相反應(yīng)的影響，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)硫組分濃度分布。

2)以GRI-3.0與機(jī)理模型Ⅰ耦合所得機(jī)理模型Ⅱ?yàn)槠鹗紮C(jī)理，與Sydney大學(xué)、Leeds大學(xué)和Abián等的硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模型進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明：一方面，本課題組在Leeds大學(xué)硫反應(yīng)機(jī)理基礎(chǔ)上提出的硫組分詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理與其他學(xué)者硫反應(yīng)機(jī)理存在幾乎相同的重要自由基和基元反應(yīng)，有較高的準(zhǔn)確性；另一方面，將CS2作為重要硫組分進(jìn)行研究，能更好地預(yù)測(cè)煤粉燃燒過(guò)程中硫組分的濃度分布。

3)通過(guò)DRGEP、DRGPFA、FSSA方法對(duì)煤粉富燃料燃燒過(guò)程中H2S生成的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終選擇DRGEP的結(jié)果作為簡(jiǎn)化機(jī)理模型，包含15個(gè)組分和28個(gè)基元反應(yīng)。最后對(duì)該簡(jiǎn)化機(jī)理模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該簡(jiǎn)化機(jī)理在1 373～1 673 K能較好地預(yù)測(cè)硫組分的濃度分布。