Oxy-steam氣氛下低熱值燃?xì)馊紵匦匝芯?/h1>

2021-12-21 08:42:58林日成鄢曉忠馬琪順

動(dòng)力工程學(xué)報(bào)訂閱 2021年12期 收藏

關(guān)鍵詞：基團(tuán)水蒸氣爐膛

林日成， 鄢曉忠， 何 旭， 馬琪順

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114)

高爐煤氣是鋼鐵企業(yè)煉鋼的副產(chǎn)品，有效利用高爐煤氣可以有效提高鋼鐵企業(yè)的能源利用率。但是，高爐煤氣存在熱值較低的問(wèn)題，而富氧燃燒技術(shù)是一種有效的利用高爐煤氣方式[1-3]。研究表明，富氧燃燒過(guò)程中NOx體積分?jǐn)?shù)會(huì)顯著增加?？紤]到單純提高O2體積分?jǐn)?shù)來(lái)進(jìn)行富氧燃燒會(huì)存在一系列問(wèn)題，加拿大能源技術(shù)中心提出Oxy-steam富氧燃燒方式[4]，其方法是將氧化劑中的N2全部替換為水蒸氣。由于氧化劑中含有體積分?jǐn)?shù)較高的水蒸氣，而不含N2，因此燃燒過(guò)程中僅生成燃料型NOx，同時(shí)在高體積分?jǐn)?shù)水蒸氣條件與常規(guī)燃燒方式下NOx的生成特性也有所不同。目前，許多學(xué)者針對(duì)水蒸氣作為添加劑時(shí)NOx的生成特性進(jìn)行了研究。Kuehl[5]研究發(fā)現(xiàn)，由于水分子的輻射系數(shù)較大，使得更多的熱量從反應(yīng)區(qū)傳遞到未反應(yīng)區(qū)，添加的水蒸氣會(huì)使H2/空氣火焰溫度和速度下降。Babkin等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在高壓下隨著水蒸氣的加入，CH4/空氣火焰速度線性減小。Koroll等[7]研究發(fā)現(xiàn)，水蒸氣會(huì)導(dǎo)致H2/空氣預(yù)混火焰溫度下降，這主要是因?yàn)樗魵飧淖兞薍2的反應(yīng)路徑。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于高爐煤氣在Oxy-steam氣氛下燃燒的研究并不多見(jiàn)，且高爐煤氣成分復(fù)雜，因此筆者對(duì)高爐煤氣在Oxy-steam氣氛下的富氧燃燒進(jìn)行模擬，通過(guò)改變氧化劑中水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)，研究了富氧燃燒過(guò)程中高爐煤氣的溫度分布、關(guān)鍵組分體積分?jǐn)?shù)以及NOx的排放量情況。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及物理模型

1.1 物理模型

圖1為低熱值燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由裝有高爐煤氣的燃?xì)馄刻峁┤剂希裳鯕馄?、氮?dú)馄亢驼羝l(fā)生系統(tǒng)來(lái)提供氧化劑，O2被送入混合室與水蒸氣及N2混合。通過(guò)流量計(jì)控制進(jìn)入爐膛的煤氣和空氣的體積流量，通過(guò)閥門(mén)來(lái)調(diào)整氧化劑組分的體積分?jǐn)?shù)，并通過(guò)溫度記錄器記錄空氣溫度以及爐內(nèi)的溫度。

圖1 低熱值燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

1.2 計(jì)算條件

按照燃燒器的實(shí)際尺寸建立物理模型，見(jiàn)圖2。爐膛長(zhǎng)度為1 000 mm，燃燒區(qū)域的直徑為200 mm，燃料入口為底部直徑為16 mm的圓孔，空氣入口為燃料入口四周的10個(gè)直徑為2 mm的圓孔。

圖2 燃燒器模型

2 數(shù)值模擬方法

2.1 計(jì)算模型

采用Fluent軟件對(duì)高爐煤氣的燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬，控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和化學(xué)組分平衡方程。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬燃燒室內(nèi)高爐煤氣的流動(dòng)，采用穩(wěn)態(tài)層流小火焰模型(SLF)對(duì)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬。SLF可實(shí)現(xiàn)湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)的分離[8]，且相比于其他模型，SLF的計(jì)算量較小，能準(zhǔn)確模擬和預(yù)估合成氣射流火焰的溫度分布和組分分布[9]。輻射模型為P-1模型，采用Simple算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解。入口條件為速度入口條件，出口條件為壓力出口條件，壁面邊界條件設(shè)為絕熱壁面，利用后處理來(lái)模擬NOx的生成，選擇單步碳煙預(yù)測(cè)模型來(lái)模擬碳煙的生成。

2.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算邊界條件

圖3為燃燒器的網(wǎng)格劃分示意圖。經(jīng)驗(yàn)證后，數(shù)值模擬中采用網(wǎng)格數(shù)為480 000的六面體網(wǎng)格。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中爐膛為水平放置。燃燒高爐煤氣時(shí)，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的功率為40 kW，進(jìn)行富氧燃燒時(shí)，最佳O2體積分?jǐn)?shù)為30%，因此取氧化劑O2體積分?jǐn)?shù)為30%[10]，所需的燃料體積流量為0.003 157 m3/s。取過(guò)量空氣系數(shù)為1.1，經(jīng)過(guò)計(jì)算，燃料燃燒時(shí)所需實(shí)際空氣體積流量為0.002 475 m3/s，燃料流進(jìn)燃燒器的速度為15.8 m/s，空氣進(jìn)入燃燒器的速度為21.7 m/s，高爐煤氣和空氣的溫度均為380 K，高爐煤氣的成分見(jiàn)表1。

圖3 燃燒器網(wǎng)格劃分

表1 高爐煤氣組成成分

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所選燃燒模型和方程的正確性，先在O2/N2氣氛下模擬富氧燃燒情況，其邊界條件和高爐煤氣成分與實(shí)驗(yàn)條件一致，并將爐膛軸向溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值[11]進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證模型的正確性，見(jiàn)圖4。由于模擬過(guò)程中不存在散熱損失和測(cè)溫誤差等，所以最大爐膛軸向溫度模擬值略高于實(shí)驗(yàn)值。雖然高爐煤氣的最大爐膛軸向溫度模擬值與實(shí)驗(yàn)值不同，但兩者的變化趨勢(shì)一致，二者均隨距爐膛入口距離的增大先逐漸增大后緩慢減小，此過(guò)程中爐膛軸向溫度實(shí)驗(yàn)值低于模擬值，且實(shí)驗(yàn)值降速也較大。這是由于數(shù)值模擬時(shí)采取的邊界條件為無(wú)散熱損失的理想條件，而在實(shí)驗(yàn)中存在散熱損失，使得爐膛軸向溫度下降得更快。經(jīng)計(jì)算，模擬采用的高爐煤氣理論燃燒溫度為1 650 K，模擬值與理論值的相對(duì)誤差為4.87%，因此可以認(rèn)為所采用的模型是正確的。

圖4 爐膛軸向溫度分布

3 模擬結(jié)果與分析

在O2體積分?jǐn)?shù)為30%的情況下，通過(guò)開(kāi)、關(guān)氮?dú)馄亢脱鯕馄繉?duì)應(yīng)的閥門(mén)以及蒸汽發(fā)生系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的閥門(mén)來(lái)改變氧化劑的成分，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)從0%逐漸增大至70%，直至完全替換掉N2。

3.1 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)燃燒溫度的影響

圖5和圖6分別給出了水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)溫度分布以及爐內(nèi)最高溫度的影響。由圖6可知，爐內(nèi)最高溫度隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增大不斷降低，高爐煤氣的最高燃燒溫度從1 350 K下降到1 290 K。一方面，水蒸氣的比熱容是N2比熱容的1.3倍，水蒸氣吸收了大量的反應(yīng)放熱，使得溫度降低；另一方面，由于水蒸氣活躍的化學(xué)性質(zhì)，在高溫條件下會(huì)與O2發(fā)生反應(yīng)O2+H2O=OH+HO2，形成具有強(qiáng)氧化性的超氧化氫，其與燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，釋放熱量；且隨著熱量增加，以及氧化劑已提前被預(yù)熱，軸向回流面積增大，回流的煙氣帶走大量熱量。在以上3種因素的作用下燃燒效率提高，造成溫度的增幅低于煙氣回流和水蒸氣高比熱容造成的溫度降幅，因此爐內(nèi)最高溫度下降。同時(shí)，回流的煙氣將熱量帶到爐膛后半部分，使得此區(qū)域溫度相比于O2/N2氣氛下的燃燒溫度下降得更慢。

(a)不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下?tīng)t內(nèi)溫度分布

圖6 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)最高溫度的影響

3.2 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口煙氣流速的影響

圖7給出了水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)和爐膛出口煙氣流速的變化情況。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的不斷增大，爐膛出口煙氣流速不斷減小，爐膛出口煙氣流速?gòu)?.55 m/s減小至0.505 m/s。當(dāng)燃料入口直徑和燃料流速不變時(shí)，在爐膛出口直徑不變的前提下煙氣流速減小說(shuō)明燃燒生成的煙氣量隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而不斷減小。

(a)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口煙氣流速的影響

3.3 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煙氣主要組分的影響

(a)不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)CO摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖9 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口CO摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖10為不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下H和OH基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)的變化曲線。從化學(xué)反應(yīng)角度分析，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大會(huì)使H基團(tuán)的摩爾分?jǐn)?shù)隨之增大，但從圖10(a)可以看出，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大后，H基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)的最大值反而減小，說(shuō)明在高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下H基團(tuán)被大量消耗，參與其他反應(yīng)。從圖10(b)可以看出，OH基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)的最大值隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增大而增大。這說(shuō)明在高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)條件下，O2會(huì)與水蒸氣發(fā)生以下反應(yīng)：O2+H2O=OH+HO2，同時(shí)水蒸氣大量解離出H基團(tuán)，H基團(tuán)參與了支鏈反應(yīng)H+O2=OH+O。

(a)H基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)

爐內(nèi)溫度不高時(shí)，CO的氧化反應(yīng)以HO2+CO=OH+CO2為主[12]，在CO氧化的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的OH基團(tuán)，與此同時(shí)還發(fā)生反應(yīng)O+CO+(M)=CO2+(M)，這大量消耗了O基團(tuán)，進(jìn)一步促進(jìn)了反應(yīng)H+O2=OH+O向右進(jìn)行，同樣導(dǎo)致大量OH基團(tuán)的產(chǎn)生[13]，這也導(dǎo)致在燃燒初始階段OH基團(tuán)的摩爾分?jǐn)?shù)反而增大。O和OH基團(tuán)促進(jìn)了OH+CO=H+CO2和O+CO+(M)=CO2+(M)反應(yīng)，導(dǎo)致距爐膛入口0.2～0.45 m處CO摩爾分?jǐn)?shù)快速減小，而高體積分?jǐn)?shù)的水蒸氣促進(jìn)了反應(yīng)HO2+CO=OH+CO2向右進(jìn)行，并導(dǎo)致OH和H基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)更大，CO燃燒速度更快。

圖11和圖12分別給出了不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下?tīng)t膛出口處CH4和H2摩爾分?jǐn)?shù)的變化情況。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增大，爐膛出口處CH4和H2摩爾分?jǐn)?shù)也不斷增大。其原因主要有2方面，首先2種燃?xì)庵饕难趸窂绞峭ㄟ^(guò)與OH基團(tuán)結(jié)合生成CO2以及H2O，而在CO消耗反應(yīng)中，OH+CO=H+CO2反應(yīng)占主導(dǎo)地位，因此會(huì)產(chǎn)生2種燃?xì)馀cCO競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)機(jī)制，不利于CH4與H2的消耗；其次，加入的大量水蒸氣會(huì)抑制CH4和H2氧化反應(yīng)的進(jìn)行。從圖13和圖14可以看出，雖然水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增大會(huì)使?fàn)t膛出口處CH4摩爾分?jǐn)?shù)增大，但增幅不大，同時(shí)還會(huì)提高CH4的反應(yīng)速率。這是因?yàn)閷?duì)于CH4來(lái)說(shuō)，主要的氧化反應(yīng)為OH+CH4=CH3+H2O以及CH4+O=CH3+OH[13]。雖然競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)機(jī)制會(huì)抑制OH+CH4=CH3+H2O反應(yīng)的進(jìn)行，但CH4仍可通過(guò)CH4+O=CH3+OH這一反應(yīng)來(lái)進(jìn)行氧化，與此同時(shí)，該反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生OH基團(tuán)，在這2種因素的作用下CH4反應(yīng)速率反而加快。對(duì)于H2來(lái)說(shuō)，其最主要的消耗反應(yīng)為OH+H2=H+H2O，因此H2與CO的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)機(jī)制會(huì)抑制H2的氧化過(guò)程，使得H2反應(yīng)速率降低。從CH4和H2的總包反應(yīng)來(lái)看，反應(yīng)產(chǎn)物均有H2O，這會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，從而導(dǎo)致?tīng)t膛出口處的CH4和H2摩爾分?jǐn)?shù)會(huì)高于在O2/N2氣氛下燃燒時(shí)爐膛出口處CH4和H2的摩爾分?jǐn)?shù)。

圖11 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口CH4摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖12 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口H2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

(a)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)CH4摩爾分?jǐn)?shù)的影響

(a)不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐內(nèi)H2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

3.4 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)NOx和煙黑排放特性的影響

3.4.1 不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下NOx排放特性

由高爐煤氣燃燒產(chǎn)生的NOx一般分為熱力型和快速型[14]。從圖15可以看出，與傳統(tǒng)O2/N2富氧燃燒相比，Oxy-steam富氧燃燒方式下?tīng)t膛出口處的NOx體積分?jǐn)?shù)迅速減小，從0.43×10-4減小至0.946×10-6。這說(shuō)明在Oxy-steam氣氛下燃燒能有效減小NOx排放量。

(a)不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下?tīng)t內(nèi)NO摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖

從物理性質(zhì)來(lái)分析，由于水蒸氣具有比N2更高的比熱容，使得火焰溫度下降，從而熱力型NOx的生成量減小，因此導(dǎo)致?tīng)t膛出口處的NOx體積分?jǐn)?shù)減?。粡幕瘜W(xué)反應(yīng)的角度分析，熱力型NOx反應(yīng)機(jī)理為N2+O=NO+N，O2+N=NO+O[14]，因此隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，氧化劑中的N2不斷被水蒸氣替換，熱力型NOx生成量減小?？焖傩蚇Ox反應(yīng)機(jī)理為CH2+N2=HCN+NH，HCN+OH=CN+H2O，CN+O2=CO+NO，CN+O2=NCO+O，NCO+O=NO+CO[14-15]，高體積分?jǐn)?shù)的水蒸氣解離出大量的OH基團(tuán)，促進(jìn)CHi與OH反應(yīng)，從而抑制了N2與CH基團(tuán)反應(yīng)，最終抑制了快速型NOx的生成。

為研究造成NOx排放量減小的主要因素是水蒸氣的物理性質(zhì)還是化學(xué)性質(zhì)，在Fluent軟件的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)修改在燃燒過(guò)程中不參與化學(xué)反應(yīng)的氬氣的物理參數(shù)來(lái)制造人工物質(zhì)X，再通過(guò)加入人工物質(zhì)X來(lái)進(jìn)行O2/X下的富氧燃燒模擬，結(jié)果見(jiàn)圖16。由圖16可知，導(dǎo)致NOx排放量減小的主要因素是水蒸氣的化學(xué)性質(zhì)。

圖16 不同物質(zhì)對(duì)爐膛出口NOx體積分?jǐn)?shù)的影響

3.4.2 不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下的煙黑排放特性

煙黑是碳?xì)淙剂喜煌耆趸瘯r(shí)產(chǎn)生的黑色固體顆粒，其在造成污染的同時(shí)會(huì)降低燃燒效率[15]。圖17給出了不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下?tīng)t膛出口煙黑體積分?jǐn)?shù)的變化情況。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，煙黑體積分?jǐn)?shù)大幅減小。這是因?yàn)闊熀诒举|(zhì)是碳?xì)淙剂喜煌耆紵纬傻模郀t煤氣中最主要的燃料為CO。由圖8可知，添加水蒸氣可提高CO的燃燒效率，且在富氧條件下燃燒時(shí)煙黑會(huì)與OH基團(tuán)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而被消耗掉；同時(shí)在高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)條件下還會(huì)發(fā)生反應(yīng)CO2+H=CO+OH和H+H2O=OH+H2，生成更多的OH基團(tuán)，從而抑制煙黑前驅(qū)物的形成[16]。從溫度方面來(lái)說(shuō)，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，爐內(nèi)溫度下降，這也會(huì)抑制煙黑的生成[17]。

圖17 水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)爐膛出口煙黑體積分?jǐn)?shù)的影響

4 結(jié) 論

(1)隨著氧化劑中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，高爐煤氣的最高燃燒溫度略有下降，從1 350 K下降到了1 300 K；爐內(nèi)溫度先升高后降低，但在高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的情況下，溫度的降速比在O2/N2氣氛下更慢，爐膛中溫度分布更均勻；且燃燒煙氣量減小。

(2)Oxy-steam富氧燃燒方式對(duì)燃?xì)馊紵挠绊懼饕峭ㄟ^(guò)改變H及OH基團(tuán)摩爾分?jǐn)?shù)，從而影響相關(guān)的反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，CO與CH4的反應(yīng)速率加快，CO燃燒更完全。

(3)在Oxy-steam富氧燃燒方式下，在水蒸氣化學(xué)性質(zhì)的影響下，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，NOx體積分?jǐn)?shù)和燃燒產(chǎn)生的煙黑體積分?jǐn)?shù)均大幅減小。

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