氨/二甲醚燃料分級(jí)燃燒的排放特性1)

余鳴宇 羅光前 姚 洪

(華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074)

引言

進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)以來(lái),人類巨大的能源使用需求導(dǎo)致了大量的溫室氣體排放,全球變暖成為了需要關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題.根據(jù)2021 年簽署的《格拉斯哥協(xié)議》,各國(guó)需要積極發(fā)展清潔能源來(lái)減少溫室氣體排放[1].氨作為一種無(wú)碳的新型能源,有望成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要介質(zhì).氨的體積能量密度較大,易于液化,具有成熟的合成工藝和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),因此有良好的應(yīng)用前景[2-3].然而,氨的燃料利用仍面臨挑戰(zhàn),距離大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn).因氨的燃燒速度慢、燃燒極限窄,導(dǎo)致其火焰穩(wěn)定性較差,容易出現(xiàn)低燃燒效率和不完全燃燒,并且由于其本身含氮,具有很高的燃料型NOx排放[4-5].目前氨的火焰穩(wěn)定性問(wèn)題基本得到解決,現(xiàn)有研究通過(guò)與高活性燃料共燃來(lái)提高氨的火焰速度,比如NH3/煤[6-8]、NH3/H2[9-11]、NH3/CH4[12-14]、NH3/二甲醚(DME)[15-17]等.但燃燒過(guò)程中的高額NOx排放難以處理,文獻(xiàn)中報(bào)道的氨混合物燃燒產(chǎn)生的NOx通常在10-3量級(jí)以上[13,18-19],這不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)法規(guī)中的排放標(biāo)準(zhǔn),也超出了常規(guī)SCR 設(shè)備的處理能力.因此,了解氨混合物燃燒過(guò)程中的NOx生成特性和排放規(guī)律,降低排放氣體中的NOx濃度很有必要.

Hayakawa 等[20]的研究表明,氨燃燒產(chǎn)生的NOx排放濃度高度依賴于當(dāng)量比,在富燃工況下NOx可以大幅度降低,但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)高額的未燃氨逃逸問(wèn)題.分級(jí)燃燒被認(rèn)為是能夠改善以上問(wèn)題的技術(shù)手段[21-22].Rocha 等[23]對(duì)富油燃燒/猝熄/貧油燃燒(RQL)分級(jí)燃燒方法進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,他們發(fā)現(xiàn)對(duì)于氨燃料,RQL 燃燒比單級(jí)燃燒具有更低的NOx排放量.Gute?a Bo?o 等[24]對(duì)氨/氫混合物的RQL 燃燒結(jié)合燃料加濕技術(shù)進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果表明在工業(yè)規(guī)模的發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景中,燃料都被完全消耗,并且產(chǎn)生的NOx排放低于8 × 10-5.Pugh 等[25]在實(shí)驗(yàn)室尺寸的旋流燃燒器中研究了NH3/H2空氣分級(jí)燃燒的污染物排放特性,他們測(cè)量了不同二次空氣流量下NOx和未燃氨的濃度,發(fā)現(xiàn)在全局當(dāng)量比為0.98 時(shí)污染物排放濃度最低,NOx和未然氨排放濃度分別可達(dá)3.2 × 10-5和5 × 10-5(15%O2).這些研究表明,在理想的空氣分級(jí)燃燒工況下,富燃階段的NOx生成被抑制,而剩余燃料在貧燃階段被氧化,從而達(dá)到降低NOx和未燃燃料排放的目的.然而,空氣分級(jí)燃燒對(duì)二次空氣的注入的要求十分嚴(yán)苛,不僅需在注入時(shí)使一階段火焰猝滅并完成快速混合,還需使二階段未燃燃料重新燃燒并控制二級(jí)燃燒區(qū)溫度以抑制過(guò)多NOx的生成,其中每一個(gè)環(huán)節(jié)的工況發(fā)生變動(dòng)都可能造成NOx或未燃燃料排放增加.燃料分級(jí)方法可解決空氣分級(jí)方法對(duì)燃燒工況要求嚴(yán)格的局限性,Lee 等[26]在最近的研究中探討了全局貧油-局部貧油(一級(jí)燃燒區(qū))的燃料分級(jí)燃燒方法在NOx減排方面的可能性,在一級(jí)燃燒區(qū)末端噴入氨,利用熱脫硝(thermal DeNOx)作用降低NOx排放,他們的研究表明通入8%的旁路氨最高可減少77%的NO 排放,但他們的工作未能考慮未燃氨的逃逸.

綜上所述,分級(jí)燃燒方法對(duì)氨燃燒NOx減排有巨大潛力,但關(guān)于氨燃料分級(jí)燃燒的研究較少,而且目前對(duì)燃料分級(jí)燃燒過(guò)程中NOx生成和排放特性的了解也較為欠缺.本工作通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了NH3/DME 燃料分級(jí)燃燒下NOx和未燃氨的排放,并通過(guò)化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)模擬探究了NO 在一級(jí)燃燒區(qū)和二級(jí)反應(yīng)區(qū)的生成和消耗特性,以期為氨燃料分級(jí)燃燒過(guò)程中的NOx控制提供可參考的數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示.燃料NH3(99.9%)和DME(99.9%)由高壓鋼瓶提供,燃料流量由質(zhì)量流量計(jì)控制,量程為0～ 1 SLPM.燃燒所需的空氣由空氣壓縮機(jī)提供,由一臺(tái)量程為0～ 10 L/min 的轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制流量.一級(jí)燃燒所需的燃料和空氣在一個(gè)帶攪拌功能的混合罐中充分預(yù)混,預(yù)混氣在管道中充分發(fā)展后進(jìn)入燃燒器進(jìn)行燃燒.金屬鉬材質(zhì)的圓柱型突擴(kuò)式燃燒器壁厚為5 mm,高43 mm,內(nèi)徑為39 mm,燃燒器內(nèi)部填充了孔隙率為0.84、孔密度為40 PPI 的碳化硅多孔介質(zhì),預(yù)混氣在多孔介質(zhì)基體中流過(guò),并在其上表面形成穩(wěn)定的預(yù)混火焰.燃燒器置于長(zhǎng)×寬×高為150 mm×150 mm×250 mm 的不銹鋼燃燒室內(nèi),燃燒器的一側(cè)開(kāi)有石英窗,用以觀測(cè)火焰.在燃燒器中心軸線上距離燃燒器出口平面30 mm 處設(shè)有R 型熱電偶,用以測(cè)量燃燒區(qū)溫度,距離燃燒器出口平面120 mm 處設(shè)有二級(jí)氨噴管,噴管內(nèi)徑為3 mm,二級(jí)氨與燃燒產(chǎn)生的煙氣在軸向上混合反應(yīng),形成二級(jí)反應(yīng)區(qū).實(shí)驗(yàn)采用MRU OPTIMA7煙氣分析儀對(duì)尾部煙氣中的O2,NO,NO2等組分進(jìn)行測(cè)量,為避免未燃氨對(duì)其他氣體組分測(cè)量的干擾,煙氣在進(jìn)入分析儀之前需先通過(guò)10%的磷酸溶液將其脫除.煙氣中的NH3由LasIR RB120T-NH3 煙氣分析儀測(cè)量,為了避免煙氣中的水蒸汽冷凝對(duì)NH3的測(cè)量造成干擾,分析儀采樣管路及光學(xué)探桿均被加熱帶包覆,加熱溫度設(shè)置為180 °C.煙氣采樣點(diǎn)均設(shè)置在距離燃燒器平面220 mm 的煙道處.

圖1 NH3/DME 燃料分級(jí)燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of the NH3/DME fuel staging combustion experimental apparatus

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)所有工況選擇70%NH3/30%DME (體積比) 的摻混比例,測(cè)試均在常溫常壓(298 K,0.1 MPa)下進(jìn)行.本文中所使用的當(dāng)量比定義為完全燃燒時(shí)理論所需要的空氣量與實(shí)際供給的空氣量之比.所涉及的熱功率指燃燒器熱功率,即單位時(shí)間輸入燃燒器的熱量.考慮到盡可能地將燃料完全消耗,選擇0.92 的全局當(dāng)量比,即φglobal=0.92,設(shè)置3 個(gè)不同的一級(jí)局部當(dāng)量比(φpri=0.9,φpri=0.87和φpri=0.85),燃料分級(jí)期間,全局當(dāng)量比保持不變,也就是說(shuō)二級(jí)氨注入量的增加意味著一級(jí)燃燒區(qū)的φpri降低.溫度是影響NOx生成以及熱脫硝過(guò)程的重要參數(shù),因此實(shí)驗(yàn)選擇0.3～ 0.6 kW 的4 個(gè)熱功率,所有測(cè)試工況下氣體流量的設(shè)置如表1 所示.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄一級(jí)燃燒區(qū)溫度以及各氣體組分濃度,為消除測(cè)量過(guò)程中帶來(lái)的隨機(jī)誤差,每個(gè)工況下溫度及組分濃度測(cè)量進(jìn)行3 次后取平均值.為了比較不同工況下的組分排放濃度,所有氣體排放濃度都被折算為6%基準(zhǔn)氧含量濃度,計(jì)算公式如下

表1 實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Working conditions

式中,Cg(6%O2)為NO,NO2,NH3等氣體折算后的6%基準(zhǔn)氧含量濃度(10-6),Cg(measured)為實(shí)際測(cè)得的NO,NO2,NH3等氣體的濃度(10-6),(measured)為實(shí)際測(cè)得的O2濃度(%).

1.3 數(shù)值方法

本工作采用化學(xué)反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)(CRN)對(duì)燃料分級(jí)燃燒過(guò)程進(jìn)行模擬,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題作如下假設(shè):(1)實(shí)驗(yàn)中采用的長(zhǎng)方體狀燃燒室在數(shù)值模擬中被簡(jiǎn)化為底面積和高與其相同的圓柱體空間;(2)忽略多孔介質(zhì)基體對(duì)預(yù)混氣體的預(yù)熱作用,因此預(yù)混氣體進(jìn)入反應(yīng)器的進(jìn)口溫度固定為298 K.基于以上假設(shè)建立了一種CRN 模型,其結(jié)構(gòu)如圖2 所示.該CRN 模型由一個(gè)完全攪拌反應(yīng)器(PSR)、兩個(gè)柱塞流反應(yīng)器(PFR)和一個(gè)氣體混合反應(yīng)器組成,其中前端的PSR 和PFR 組成一級(jí)燃燒區(qū),后端的PFR代表二級(jí)反應(yīng)區(qū).一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生的煙氣與二級(jí)氨在氣體混合反應(yīng)器中混合,隨后進(jìn)入PFR 中完成反應(yīng).該數(shù)值模擬工作在Chemkin 2019R2 軟件中進(jìn)行,應(yīng)用Issayev 等[15]在2022 年提出的NH3/DME詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,該機(jī)理包含176 種物種、1418 種基元反應(yīng),并被證明能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NH3/DME火焰的層流火焰燃燒速度和點(diǎn)火延遲時(shí)間.

圖2 燃料分級(jí)燃燒器的CRN 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the CRN model of the fuel staging combustor

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料分級(jí)方法下的NOx 排放

圖3 展示了各工況下NO 的排放濃度及在燃料分級(jí)時(shí)生成的NO 相比單級(jí)燃燒時(shí)減少的比率.由圖3(a)可見(jiàn),單級(jí)燃燒時(shí)NO 排放濃度均超過(guò)6 ×10-3,隨著熱功率增大NO 濃度也在上升,這是由于熱功率的增加導(dǎo)致燃燒區(qū)溫度也在增加,燃料型NOx在火焰區(qū)的相關(guān)生成反應(yīng)的反應(yīng)速率加快,造成了NO 的單調(diào)上升.而燃料分級(jí)的降氮效果是明顯的,隨著二級(jí)氨的注入,各工況的NO 排放濃度均有減小,最低可將NO 降至2.8 × 10-3左右,降幅最高可達(dá)60.1%.眾所周知,選擇性非催化還原(SNCR)相關(guān)反應(yīng)在熱脫硝過(guò)程中起重要作用[27-29],比如NH+NO=N2+OH 和NH2+NO=N2+H2O 等反應(yīng),在同樣熱功率下,二級(jí)氨注入越多意味著還原劑濃度越高,這會(huì)推動(dòng)NHi基團(tuán)與NO 的相關(guān)反應(yīng)朝著還原NO 的方向進(jìn)行,因此φpri越小的工況NO 的排放越低.從圖3(b)可以更直觀看出熱功率對(duì)燃料分級(jí)降氮的影響,隨熱功率增大,3 種φpri對(duì)應(yīng)的NO 減少率也隨之增加.二級(jí)反應(yīng)區(qū)的溫度也是重要的影響因素,熱功率高的工況下二級(jí)反應(yīng)區(qū)的溫度也更高,此時(shí)NHi基團(tuán)對(duì)NO 的還原反應(yīng)速率加快,NO 濃度降幅也越大.

圖3 燃料分級(jí)對(duì)NO 排放的影響Fig.3 Effect of fuel staging strategy on NO emission

圖4 給出了燃料分級(jí)對(duì)NO2排放的影響.從圖4(a)可以看出,單級(jí)燃燒產(chǎn)生的NO2濃度分布在4 ×10-4～ 6 × 10-4之間,其濃度只有相同情況下NO 濃度的1/10 以下,由此可見(jiàn)氨燃料燃燒產(chǎn)生的NOx主要以NO 為主.與NO 類似,燃料分級(jí)也造成了NO2濃度的大幅下降,其降幅最高達(dá)到了88.7%.由圖4(b)可知,NO2的減少幅度總體要比NO 大,這是由于NO2也受到NH3的還原作用的影響,NO2在煙氣中的濃度較低,更容易被NH3還原.

圖4 燃料分級(jí)對(duì)NO2 排放的影響Fig.4 Effect of fuel staging strategy on NO2 emission

燃料分級(jí)對(duì)降低NOx濃度有良好的效果,在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,相比于單級(jí)燃燒的高額NOx排放,燃料分級(jí)能夠有效抑制燃料型NOx的生成,從而減輕后續(xù)脫硝設(shè)備處理NOx的壓力.雖然二級(jí)氨注入量越多,NOx減少的比率越大,但實(shí)際應(yīng)用中不能無(wú)限提高二級(jí)氨的流量,還需考慮最終煙氣中未燃NH3的排放問(wèn)題.

2.2 燃料分級(jí)方法下的NH3 排放

NH3在二級(jí)反應(yīng)區(qū)的轉(zhuǎn)化率決定了氨燃料的利用率,氨逃逸是燃料分級(jí)方法必須面臨的問(wèn)題.圖5統(tǒng)計(jì)了各工況下NH3的排放濃度,可以看出在單級(jí)燃燒工況下沒(méi)有檢測(cè)到NH3排放,這說(shuō)明燃料被完全消耗了.當(dāng)φpri=0.9 時(shí),開(kāi)始檢測(cè)到NH3排放,隨著熱功率從0.3 kW 增至0.6 kW,NH3排放濃度從1.6726 × 10-3逐漸降低至2.031 × 10-4,NH3排放隨熱功率增加而減少正好對(duì)應(yīng)NOx減排效果的增加.

圖5 燃料分級(jí)燃燒NH3 的排放濃度Fig.5 NH3 emission concentration of fuel staging combustion

從表2 測(cè)量的火焰區(qū)溫度分布可以看出,0.3 kW熱功率工況下的火焰區(qū)溫度與0.6 kW 下相差近170 K,所以二者二級(jí)反應(yīng)區(qū)的溫度也相差懸殊,這意味著NH3排放隨溫度的上升而降低.這是由于,一方面,溫度的增加使NH3對(duì)NOx的還原反應(yīng)的反應(yīng)速率加快,造成NH3的消耗量增加;另一方面,二級(jí)反應(yīng)區(qū)NH3的緩慢氧化過(guò)程也隨溫度上升而加快,因此,NH3的排放量減少了.同理,當(dāng)φpri=0.87 和φpri=0.85 時(shí),NH3排放隨熱功率的變化趨勢(shì)相似.但值得注意的是,二級(jí)氨的注入量越多,尾部煙氣中的NH3排放濃度就越高,在φpri=0.85 時(shí),檢測(cè)到的最高NH3濃度達(dá)到7.5874 × 10-3.本實(shí)驗(yàn)證明,選擇合理的二級(jí)氨注入量,可以使NOx排放與NH3排放達(dá)到同等量級(jí).燃料分級(jí)方法降低NOx的基礎(chǔ)在于NH3對(duì)NOx的還原作用,二級(jí)氨的噴入位置非常重要,如果噴入位置過(guò)于靠近一級(jí)燃燒區(qū),則會(huì)因溫度過(guò)高而導(dǎo)致二級(jí)氨燃燒,該情況下不僅不能降低一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生的NOx,反而會(huì)導(dǎo)致總體NOx排放進(jìn)一步增加;而如果噴入位置過(guò)于遠(yuǎn)離燃燒區(qū),則會(huì)導(dǎo)致二級(jí)燃燒區(qū)溫度偏離NH3與NOx的還原反應(yīng)發(fā)生的溫度區(qū)間,使降低NOx的效果大打折扣,因此實(shí)際應(yīng)用中可考慮應(yīng)用可調(diào)整位置的二級(jí)噴氨入口,從而實(shí)現(xiàn)降氮效益最大化.

表2 不同工況下熱電偶測(cè)得的溫度Table 2 Temperatures measured by the thermocouple

2.3 NO 排放預(yù)測(cè)及生成特性分析

為了了解NOx污染物在燃料分級(jí)燃燒過(guò)程中的生成與消耗,我們對(duì)本實(shí)驗(yàn)0.6 kW 熱功率下的所有測(cè)試工況進(jìn)行了CRN 模擬,各反應(yīng)物組分的輸入?yún)?shù)設(shè)置與表1 中的數(shù)據(jù)保持一致,根據(jù)火焰區(qū)體積大小估計(jì)PSR 體積,取值為31.86 cm3,PSR 中停留時(shí)間的取值為火焰區(qū)體積除以混合氣入口流量(需考慮氣體受熱膨脹帶來(lái)的流量變化),因此數(shù)值模擬中4 種工況下PSR 停留時(shí)間的取值依次為0.04321 s,0.04342 s,0.04375 s 和0.04397 s,兩個(gè)PFR 被用來(lái)描述扣除火焰區(qū)后燃燒室的剩余體積,其直徑設(shè)為8.46 cm,長(zhǎng)度分別設(shè)為8 和10 cm.首先經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算獲取了出口的NO 濃度,并將其與實(shí)驗(yàn)得到的NO 濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,如圖6(a)所示,可以看出模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大,隨著局部當(dāng)量比減少,NO 濃度的模擬值增加了,最高偏離實(shí)驗(yàn)值157.0%,并未反應(yīng)出實(shí)驗(yàn)得出的NO 變化趨勢(shì).這是由于理想的PSR,PFR 反應(yīng)器考慮的是絕熱情形下的計(jì)算,導(dǎo)致二級(jí)反應(yīng)區(qū)溫度偏高,二級(jí)氨更多地被氧化生成NOx而不是用以還原NOx.考慮到本實(shí)驗(yàn)裝置體積較小,散熱作用不可忽略,因此在后續(xù)模擬中向PSR、PFR 反應(yīng)器中添加自定義散熱率函數(shù),使溫度更接近實(shí)驗(yàn)測(cè)量值,重新運(yùn)行CRN得到了NO 的模擬值,如圖6(b)所示.可以看出,考慮散熱后CRN 模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了NO 的數(shù)值,最高偏離實(shí)驗(yàn)值5.3%,證明了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,因此后續(xù)基于考慮散熱的CRN 模型對(duì)NO 進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力學(xué)分析.

圖6 實(shí)驗(yàn)與模擬得到的NO 濃度對(duì)比Fig.6 The NO emission comparison of experimental and numerical data

圖7 展示了一級(jí)燃燒區(qū)NO 的歸一化敏感性及產(chǎn)率(ROP),選取NO 產(chǎn)率最大的時(shí)刻進(jìn)行敏感性和ROP 分析.從圖7(a)可以看出,3 種不同的φpri工況下,影響NO 生成和消耗的基元反應(yīng)排序沒(méi)有區(qū)別,其中,第3 體反應(yīng)R564 (CH3OCH3(+M)=CH3+CH3O(+M))具有最大的正敏感性系數(shù),其他與DME 有關(guān)的反應(yīng)如R567(CH3OCH3+CH3=CH3OCH2+CH4) 和R92(CH2O+CH3=CH4+HCO)的正敏感性系數(shù)值也較高,這說(shuō)明這些反應(yīng)對(duì)NO 的形成具有非常強(qiáng)的促進(jìn)作用.這一點(diǎn)與NH3/CH4燃燒有著很大區(qū)別,在NH3/CH4燃燒中,R1(O +H2=H+OH)對(duì)NO 的生成具有最高的促進(jìn)作用,大量活性自由基通過(guò)該反應(yīng)產(chǎn)生,從而引發(fā)后續(xù)反應(yīng)[18,30].本研究的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明,在NH3與DME 共燃的時(shí)候,DME 的脫氫過(guò)程加速了NO 的形成,其與CH4的主要差異在于,首先,DME 可以通過(guò)脫氫反應(yīng)使自由基池中的活性自由基(O,H,OH)快速累積,使NH3的氧化進(jìn)程提速,其次,一個(gè)DME 分子含有兩個(gè)甲基,甲基自由基能夠通過(guò)R1110(CH3+HNO=CH4+NO) 直接促進(jìn)NO 的生成.因此,DME 擁有比常規(guī)碳?xì)淙剂细鼜?qiáng)的活化作用,對(duì)NO 生成具有顯著的促進(jìn)作用,這也是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得NO 排放濃度較高的原因之一.從圖7(b) 統(tǒng)計(jì)的NO 產(chǎn)率來(lái)看,不同工況下相同反應(yīng)的產(chǎn)率相差也不大,火焰區(qū)的反應(yīng)主要朝生成NO 的方向進(jìn)行,可以看出NO 的來(lái)源主要有3 條路徑: (1) HNO 路徑,包含R993(HNO+H=NO+H2)和R994(HNO+OH=NO+H2O),NO 的生成以該路徑為主;(2) NHi路徑,包含R860(NH+OH=NO+H2)和R857(NH+O=NO+H),其貢獻(xiàn)次于HNO 路徑;(3)熱NO 路徑,包含R854(N+OH=NO+H)和R853(N+O2=NO +O),也即Zeldovich 機(jī)理的主要反應(yīng),該路徑生成的NO 為熱力型NO,在氨混合物燃燒過(guò)程中占比很小.

圖7 一級(jí)燃燒區(qū)NO 的敏感性分析和產(chǎn)率分析Fig.7 NO sensitivity and ROP analyses at the primary stage zone

圖8 給出了二級(jí)反應(yīng)區(qū)NO 的歸一化敏感性系數(shù)和綜合產(chǎn)率.由于DME 在一級(jí)燃燒區(qū)被完全消耗,所以DME 相關(guān)反應(yīng)在二級(jí)反應(yīng)區(qū)中影響較小.圖8(a) 中的敏感性系數(shù)數(shù)據(jù)取自CRN 中第2 個(gè)PFR 中軸向長(zhǎng)度10 cm 處,此處更為接近實(shí)驗(yàn)中煙氣采樣點(diǎn)在燃燒室中的實(shí)際位置.可以看出R885(NH2+NO=N2+H2O)和R886(NH2+NO=NNH+OH)分別具有第1 和第2 負(fù)敏感性系數(shù),二者在消耗NO 方面貢獻(xiàn)最大,且隨著φpri減小,也即隨著二級(jí)氨的注入量增大,其敏感性系數(shù)絕對(duì)值也在增加,NO 在NH3相關(guān)基團(tuán)作用下被轉(zhuǎn)化為N2.圖8(b)展示了整個(gè)二級(jí)反應(yīng)區(qū)NO 的綜合產(chǎn)率,綜合產(chǎn)率IR的計(jì)算公式如下

圖8 二級(jí)燃燒區(qū)NO 的敏感性分析和產(chǎn)率分析Fig.8 NO sensitivity and ROP analyses at the secondary stage zone

式中,L為PFR 長(zhǎng)度,為10 cm,ωi為xcm 處對(duì)應(yīng)反應(yīng)的絕對(duì)產(chǎn)率.

從圖中可以看出在整個(gè)二級(jí)反應(yīng)區(qū),R885 與R886 是消耗NO 的主要反應(yīng),隨著二級(jí)氨注入量增加,它們的綜合產(chǎn)率也在增加,將更多的NO 轉(zhuǎn)化為N2(NNH 自由基后續(xù)能通過(guò)脫氫轉(zhuǎn)化為N2).同時(shí),由于二級(jí)反應(yīng)區(qū)也處于氧化性氣氛,NO 也通過(guò)R995(HNO+O2=NO+HO2)等反應(yīng)生成,如2.2 節(jié)中所述,二級(jí)反應(yīng)區(qū)的溫度是重要的參數(shù),溫度的調(diào)整能夠改變各反應(yīng)的反應(yīng)速率,從而調(diào)配消耗NO 和生成NO 的比例.

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了NH3/DME 燃料分級(jí)燃燒污染物的排放特性,隨后建立了一種CRN 模型,通過(guò)數(shù)值方法研究了主要污染物NO 在一級(jí)燃燒區(qū)和二級(jí)反應(yīng)區(qū)的生成和消耗特性,具體結(jié)論如下.

(1)在本研究中,單級(jí)燃燒時(shí)NO 排放濃度超過(guò)6 × 10-3,NO2排放濃度在4 × 10-4～ 6 × 10-4之間.采用燃料分級(jí)方法可大幅降低NO 與NO2排放,最大降幅分別可達(dá)60.1%和88.7%.

(2)單級(jí)燃燒時(shí)NH3被完全消耗,采用燃料分級(jí)方法后會(huì)造成NH3排放,隨著φpri降低及二級(jí)氨注入量增加,NH3排放濃度增加.選擇合理的二級(jí)氨注入量,可以使NOx排放與NH3排放達(dá)到同等量級(jí).

(3)數(shù)值模擬結(jié)果表明,DME 擁有比常規(guī)碳?xì)淙剂细鼜?qiáng)的活化作用,對(duì)NO 生成具有顯著的促進(jìn)作用.NO 在一級(jí)燃燒區(qū)主要通過(guò)HNO 路徑生成,在二級(jí)反應(yīng)區(qū)主要通過(guò)NH2+NO=N2+H2O 和NH2+NO=NNH+OH 反應(yīng)被消耗.