王超偉，王長(zhǎng)安，王鵬乾，吳?松，車得福

空氣深度分級(jí)燃燒NO排放特性的CHEMKIN模擬研究

王超偉，王長(zhǎng)安，王鵬乾，吳?松，車得福

(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

利用兩段PFR反應(yīng)器構(gòu)建模型在CHEMKIN中模擬，研究空氣深度分級(jí)燃燒中各個(gè)影響因素，使用生成速率分析和敏感性分析，探求燃料N向NO的轉(zhuǎn)化路徑及原因．模擬結(jié)果表明，主燃區(qū)對(duì)NO轉(zhuǎn)化率影響較大，高溫強(qiáng)還原氛圍能明顯降低NO排放；改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O排放，應(yīng)當(dāng)考慮主燃區(qū)，而非燃盡區(qū)；當(dāng)主燃區(qū)溫度小于1500℃，燃盡風(fēng)比率為35%左右時(shí)，NO排放最低；富燃條件下O2/CO2燃燒增大了OH/H，促進(jìn)NO生成；燃盡風(fēng)位置向后移會(huì)降低NO轉(zhuǎn)化率，改變?nèi)急M風(fēng)氧濃度NO轉(zhuǎn)化率幾乎不變．本文不僅擴(kuò)大了前人對(duì)空氣分級(jí)燃燒的研究范圍，而且對(duì)于前人沒(méi)有研究的影響因素給出了結(jié)果，并且進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)實(shí)際鍋爐運(yùn)行過(guò)程中減少NO排放具有指導(dǎo)意義．

空氣深度分級(jí)；甲烷燃燒；CHEMKIN；NO

NO是造成環(huán)境污染的主要污染物，根據(jù)現(xiàn)行的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]，國(guó)家對(duì)鍋爐NO排放要求愈發(fā)嚴(yán)格．在這個(gè)大背景下，空氣分級(jí)燃燒技術(shù)作為一種能有效控制NO排放的燃燒技術(shù)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[2-4]．CHEMKIN作為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件，已經(jīng)有很多學(xué)者利用它來(lái)進(jìn)行氮氧化物排放特性以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方面的研究．

國(guó)內(nèi)很多學(xué)者[5-8]都采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行空氣分級(jí)燃燒中NO排放特性的研究，但是由于實(shí)驗(yàn)研究的工況范圍有限，所以很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者[9-16]在研究固體或者氣體燃料燃燒中NO的排放特性以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理尤其是反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物如何變化時(shí)，都會(huì)采用CHEMKIN模擬．Mendiara等[14]研究了甲烷燃燒過(guò)程中氨的氧化過(guò)程，同時(shí)對(duì)比了空氣氛圍與O2/CO2氛圍下NO轉(zhuǎn)化途徑的不同，討論了在不同燃燒氛圍下燃料氮的遷移情況．Rogaume等[12-13]在研究纖維素和塑料燃燒時(shí)也使用了CHEMKIN模擬，前期的研究中建立了NO生成的模型，后期的研究中證明在他建立的模型中NO的生成受局部氧濃度影響. Watanabe等[15]進(jìn)行了O2/CO2條件下的分級(jí)燃燒實(shí)驗(yàn)，得出了最低的NO轉(zhuǎn)化率和對(duì)應(yīng)的化學(xué)當(dāng)量比，驗(yàn)證了CHEMKIN模型并利用模型分析了NO的生成和還原機(jī)理．范志林等[16]利用CHEMKIN研究了生物質(zhì)燃燒時(shí)的再燃，并且使用生成速率分析法(rate of production，ROP)和敏感性分析法對(duì)模擬現(xiàn)象進(jìn)行了解釋．

影響空氣分級(jí)燃燒的因素有過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風(fēng)(overfire air，OFA)比率和燃盡風(fēng)氧濃度等，但是在這些方面利用CHEMKIN進(jìn)行模擬的學(xué)者還很少，大多數(shù)學(xué)者只是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，受限于實(shí)驗(yàn)室條件與研究限制無(wú)法設(shè)置更為寬廣的參數(shù)范圍開(kāi)展研究工作．例如楊建成等[4]對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)的影響進(jìn)行研究，但是研究范圍窄，工況設(shè)置少，并且沒(méi)有考慮過(guò)量空氣系數(shù)變化時(shí)耦合溫度變化的影響；張曉輝[5]對(duì)燃盡風(fēng)比率的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但是并沒(méi)有給出反應(yīng)機(jī)理層面的分析，無(wú)法揭示燃盡風(fēng)比率變化時(shí)氮的遷移規(guī)律；大多數(shù)學(xué)者研究燃燒溫度大多在1600℃以下，而本文對(duì)主燃區(qū)燃燒溫度的研究介于1300～1900℃之間，研究范圍不僅涵蓋了煤粉爐的燃燒溫度范圍，而且包含了旋風(fēng)爐的燃燒條件；針對(duì)常規(guī)的煤粉燃燒研究時(shí)主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的研究范圍介于0.7～1.2之間，而本文研究范圍擴(kuò)大至0.5～2.0．而將這些影響因素的范圍擴(kuò)大甚至共同耦合作用，能否有效地降低NO轉(zhuǎn)化率，暫時(shí)還沒(méi)有一個(gè)明確的結(jié)論．

本文利用兩段塞流式反應(yīng)器(plug flow reactor，PFR)構(gòu)建模型研究了空氣深度分級(jí)燃燒，擴(kuò)大空氣分級(jí)燃燒中的各個(gè)影響因素(過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風(fēng)比率、燃盡風(fēng)氧濃度以及燃盡風(fēng)位置)的范圍給出模擬結(jié)果，并且結(jié)合生成速率分析法以及敏感性分析法進(jìn)行分析，利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)手段對(duì)這些結(jié)果做出解釋．同時(shí)，本文的研究?jī)?nèi)容對(duì)實(shí)際鍋爐運(yùn)行中如何利用空氣分級(jí)燃燒降低NO排放具有指導(dǎo)意義．

1?研究對(duì)象與模型

1.1?研究對(duì)象

將鍋爐中的實(shí)際燃燒過(guò)程抽象為兩段PFR反應(yīng)器，均設(shè)定長(zhǎng)500mm，內(nèi)徑25mm．其中第一段反應(yīng)器模擬鍋爐中的主燃區(qū)，燃料經(jīng)過(guò)主燃區(qū)后通入燃盡風(fēng)，然后共同進(jìn)入第二段反應(yīng)器，即鍋爐中的燃盡區(qū).

本文采用煙煤揮發(fā)分的均相反應(yīng)進(jìn)行模擬．而煙煤的揮發(fā)分中多為烴類且大多為甲烷[17]，所以煙煤燃燒在CHEMKIN中可以模擬成甲烷的燃燒過(guò)?程[15,18]，即在燃料的選取中以甲烷為主，而NO的前驅(qū)物多為NH3和HCN，根據(jù)鐘北京等[19]的研究，煙煤中HCN/(HCN＋NH3)約為0.7．而關(guān)于C/N比的選取，由周永剛等[20]的文獻(xiàn)中可知燃料N的含量為0.2%～3.4%之間，所以燃料N占比選取適當(dāng)比例1%即可．

本模型采用的反應(yīng)機(jī)理是美國(guó)氣體動(dòng)力學(xué)研究所的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氧化機(jī)理GRI-Mech 3.0[21]，其中包括5種反應(yīng)元素C、H、O、N和Ar，53種化學(xué)物質(zhì)以及325個(gè)基元反應(yīng)，能詳細(xì)地模擬甲烷燃燒以及NO的生成或還原過(guò)程．本文主要通過(guò)甲烷燃燒來(lái)模擬煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫環(huán)境，以此來(lái)探求這個(gè)過(guò)程中燃料氮的遷移規(guī)律．而此機(jī)理在前人研究氮轉(zhuǎn)化過(guò)程中已經(jīng)比較成熟，其中不僅包含了甲烷燃燒的各種反應(yīng)，也包含了NO轉(zhuǎn)化的諸多反應(yīng)，加之本文的研究重點(diǎn)在于探究空氣深度分級(jí)中不同影響因素單獨(dú)作用或者耦合作用下NO的排放規(guī)律以及燃料氮的遷移路徑，所以并未對(duì)機(jī)理進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化和改進(jìn)，該部分研究將在未來(lái)的工作中進(jìn)一步展開(kāi)．

1.2?模型建立

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)[22]，而本文中采用的PFR反應(yīng)器是一種常用的燃燒反應(yīng)器．

圖1(a)是本文建立的空氣分級(jí)燃燒模型．氣體均由入口進(jìn)入模型，PFR反應(yīng)器用來(lái)模擬一維狀態(tài)下氣體的燃燒過(guò)程，每?jī)啥畏磻?yīng)器之間由不發(fā)生反應(yīng)的混合模型連接，最終氣體由出口離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)．

PFR反應(yīng)器使用比較廣泛，在很多研究空氣燃燒及O2/CO2燃燒的文獻(xiàn)中，有大量的學(xué)者[14-16,18]在使用，圖1(b)是本文空氣分級(jí)燃燒模型在CHEMKIN中建立的反應(yīng)流程圖．圖1(c)則是空氣深度分級(jí)燃燒的物理模型圖．

圖1?空氣深度分級(jí)燃燒模型及流程

2?數(shù)據(jù)計(jì)算與模型驗(yàn)證

2.1?計(jì)算工況

本文基本工況如表1所示，表中所示數(shù)據(jù)為各物質(zhì)的體積流量(cm3/min)．其中主燃區(qū)的燃燒溫度為1400℃，燃盡區(qū)的燃燒溫度為1100℃，爐膛內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.9，燃盡風(fēng)率為25%，即燃盡區(qū)內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)為0.3．

表1?基本工況

Tab.1?Basic condition

2.2?數(shù)據(jù)計(jì)算

2.2.1?NO轉(zhuǎn)化率

本文在甲烷燃燒中利用NH3和HCN的轉(zhuǎn)化過(guò)程比擬煤燃燒中燃料N的轉(zhuǎn)化，并且主要燃料甲烷的含量為99%，所以在計(jì)算過(guò)量空氣系數(shù)時(shí)只計(jì)算甲烷．其次，由模擬結(jié)果可知，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NO大多為NO，所以NO轉(zhuǎn)化率的表達(dá)式為：

采取上述公式時(shí)，默認(rèn)出口NO的含量遠(yuǎn)大于NO2和N2O的總和，但是當(dāng)這三者中任意兩者的差距小于或等于一個(gè)數(shù)量級(jí)，則采用出口處三者之和作為出口處的NO．

2.2.2?敏感性分析

本文采用敏感性系數(shù)來(lái)描述反應(yīng)速率的敏感性，具體表達(dá)式為

式中：δY表示第種組分的摩爾分?jǐn)?shù)變化量；Y表示第種組分的摩爾分?jǐn)?shù)；δA表示第個(gè)反應(yīng)的指前因子的變化量；A表示第個(gè)反應(yīng)的指前因子．敏感性系數(shù)可以定量地反映各個(gè)反應(yīng)對(duì)各個(gè)組分的計(jì)算結(jié)果的影響大小，敏感性系數(shù)的絕對(duì)值越大，影響則越大．而敏感性系數(shù)也有正負(fù)之分，當(dāng)為正，則表示反應(yīng)促進(jìn)組分的生成；當(dāng)為負(fù)，則表示反應(yīng)抑制組分的生成．

2.2.3?模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的可靠性，本文選取了過(guò)量空氣系數(shù)介于0.7～1.2和燃盡風(fēng)率介于10%～30%兩組工況進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示．圖中1為主燃區(qū)溫度，2為燃盡區(qū)溫度．由圖2(a)可以看出，當(dāng)主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)1小于0.9時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率緩慢上升；當(dāng)主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)1介于0.9～1.0時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率會(huì)相較于之前急劇上升；在1為0.9時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到31%；在主燃區(qū)1介于0.7～0.8時(shí)，降低1，NO轉(zhuǎn)化率會(huì)比較穩(wěn)定；在主燃區(qū)1為1.2時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率都接近甚至超過(guò)100%，這與楊建成[6]所做實(shí)驗(yàn)無(wú)論是特殊節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率還是總體的變化趨勢(shì)都相近，其所研究的還原區(qū)化學(xué)當(dāng)量比即本文所分析的主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，主要差別在于燃料種類不同，但是從定性對(duì)比的角度對(duì)NO排放進(jìn)行分析，這些差異都是可以接受的，并且從文獻(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以看出，無(wú)論什么煤種，過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)其NO轉(zhuǎn)化率的影響在某些特殊節(jié)點(diǎn)上的變化都能保持一致，所以本文的模擬結(jié)果具有一定的可信性．由圖2(b)所示，隨著燃盡風(fēng)比率的增加，NO轉(zhuǎn)化率會(huì)下降，并且總體接近線性變化，這與張曉輝[5]在工程實(shí)際中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，他所研究機(jī)組的爐膛過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，燃盡風(fēng)份額變化為5%～30%，這與本文的研究工況類似，其區(qū)別主要是燃料種類，但是對(duì)NO排放做定性對(duì)比分析時(shí)這個(gè)差異是可以接受的，并且從圖中也可以看出對(duì)比結(jié)果還是契合度較高的，所以本模型在空氣分級(jí)燃燒中定性分析NO排放、研究其變化規(guī)律時(shí)，結(jié)果可以認(rèn)為具有可信性．

圖2?NOx轉(zhuǎn)化率隨a1的變化情況

3?結(jié)果與討論

3.1?主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)影響

設(shè)定主燃區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)1為0.5～1.5和2.0，總過(guò)量空氣系數(shù)保持1.2～1.5和2.0，主燃區(qū)溫度1介于1300～1900℃，燃盡區(qū)溫度2介于1100～1400℃，觀察不同溫度下，NO轉(zhuǎn)化率隨過(guò)量空氣系數(shù)的變化情況．

圖3 NOx轉(zhuǎn)化率在不同主燃區(qū)燃燒溫度下隨主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)的變化情況(T2＝1100℃)

圖4 較強(qiáng)氧化性條件下空氣與O2/Ar燃燒的NOx轉(zhuǎn)化率變化情況(T2＝1100℃)

為了研究高溫強(qiáng)還原氛圍和正常條件下空氣分級(jí)燃燒燃料N的遷移途徑的不同，本文選取了燃盡區(qū)溫度均為1100℃的基本工況和高溫強(qiáng)還原氛圍(主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.8，主燃區(qū)燃燒溫度為1600℃)進(jìn)行對(duì)比．因?yàn)楦邷貜?qiáng)還原氛圍歸根結(jié)底還是空氣分級(jí)燃燒的一種極端情況，所以二者燃料N向NO轉(zhuǎn)化的主要途徑都是一樣的，如圖5所示．NH3和HCN主要是通過(guò)生成中間產(chǎn)物NH2等再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO，主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

HCN＋OH→HOCN＋H

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋O→HNO＋H

HNCO＋OH→NCO＋H2O

HNO＋O2→HO2＋NO

圖5 空氣分級(jí)燃燒條件下燃料N向NO轉(zhuǎn)化的主要途徑

圖6給出了在不同條件下的NO生成階段中各個(gè)主要反應(yīng)對(duì)NO的一階敏感性系數(shù)．如圖所示，在反應(yīng)條件改變時(shí)，不同反應(yīng)對(duì)NO的敏感性系數(shù)有差別，但是差別不大．由此可以認(rèn)為在NO生成階段中生成NO的總量變化不大，那么最終造成NO轉(zhuǎn)化率差別巨大的原因就是在還原過(guò)程中，高溫強(qiáng)還原性氛圍下已經(jīng)生成的NO又被還原了，而普通空氣分級(jí)燃燒中主燃區(qū)還原性并不強(qiáng)，所以才使得二者的NO轉(zhuǎn)化率發(fā)生了差異．而還原生成N2的主要還原反應(yīng)如下所示：

N＋NO→N2＋O

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

NH＋NO→N2＋OH

NNH→N2＋H

NNH＋M→N2＋H＋M

圖6 不同工況下NO生成過(guò)程中主要化學(xué)反應(yīng)對(duì)NO的一階敏感性系數(shù)(T2＝1100℃)

在空氣分級(jí)燃燒中還原生成N2也是以上的化學(xué)反應(yīng)，但是根據(jù)ROP分析的結(jié)果，高溫強(qiáng)還原氛圍下N2的產(chǎn)率為空氣分級(jí)燃燒的2～3倍．

3.2?燃燒溫度的影響

本文在基本工況(主燃區(qū)1＝0.9)的基礎(chǔ)上以控制變量法設(shè)置工況，然后進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖7所示．由圖7(a)可知，當(dāng)主燃區(qū)的燃燒溫度發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)對(duì)NO的生成造成比較大的影響，但是會(huì)使NO轉(zhuǎn)化率先略微上升再略微下降．由圖7(b)可知，當(dāng)燃盡區(qū)的溫度發(fā)生變化時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率幾乎不會(huì)發(fā)生變化．這說(shuō)明若想通過(guò)改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O轉(zhuǎn)化率，就應(yīng)考慮改變主燃區(qū)的燃燒溫度．

圖7?NOx轉(zhuǎn)化率隨燃燒溫度變化情況

由圖7(a)可以看出，當(dāng)主燃區(qū)燃燒溫度為1400℃和1600℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率幾乎相同，但都比主燃區(qū)溫度為1300℃時(shí)高，下面就對(duì)這3個(gè)工況進(jìn)行敏感性分析．圖8列舉了3個(gè)工況中主要反應(yīng)對(duì)NO的敏感性系數(shù)(2＝1100℃)．由圖可以看出，當(dāng)主燃區(qū)燃燒溫度1為1400℃和1600℃時(shí)，二者在多數(shù)促進(jìn)NO生成的化學(xué)反應(yīng)中其敏感性系數(shù)都是非常接近的，說(shuō)明生成的NO總量是接近的，即使在1400℃工況時(shí)，抑制NO生成的作用更強(qiáng)，但是1600℃的工況已經(jīng)非常接近前文中提到的高溫強(qiáng)還原氛圍，會(huì)促進(jìn)NO生成更多的其他中間物質(zhì)從而轉(zhuǎn)化為N2或者直接轉(zhuǎn)換為N2，其中主要的化學(xué)反應(yīng)如下所示：

N＋NO→N2＋O

NH＋NO→N2＋OH

NH＋NO→N2O＋H

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

由上述化學(xué)反應(yīng)可以看出，NH是一種很關(guān)鍵的中間產(chǎn)物，主要由NH3生成的NH2轉(zhuǎn)換而來(lái)，即

NH3＋H→NH2＋H2

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋H→NH＋H2

NH2＋OH→NH＋H2O

當(dāng)主燃區(qū)燃燒溫度為1300℃時(shí)，從各個(gè)化學(xué)反應(yīng)來(lái)看，不僅促使NO生成的反應(yīng)敏感性系數(shù)更小，且使抑制NO生成的反應(yīng)敏感性系數(shù)最高，所以當(dāng)主燃區(qū)燃燒溫度為1300℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率是最低的．

圖8 不同主燃區(qū)燃燒溫度下主要化學(xué)反應(yīng)對(duì)NO的?一階敏感性系數(shù)的影響(T2＝1100℃)

3.3?燃盡風(fēng)率的影響

前文中對(duì)于燃盡風(fēng)率的研究范圍僅限于10%～30%，并且隨著燃盡風(fēng)率的增加，NO轉(zhuǎn)化率下降有減緩的趨勢(shì)，所以本文繼續(xù)擴(kuò)大研究范圍，將燃盡風(fēng)率的研究范圍擴(kuò)大為10%～40%，得到NO排放特性如圖9所示．由圖9可知，在主燃區(qū)溫度小于1500℃，燃盡風(fēng)比率為35%左右時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率最低．

由圖9可知，除了主燃區(qū)燃燒溫度為1500℃的工況的NO轉(zhuǎn)化率單調(diào)下降，其余工況下NO轉(zhuǎn)化率都呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢(shì)，由前文可知，燃盡區(qū)的燃燒溫度并不會(huì)對(duì)NO轉(zhuǎn)化率造成影響，那么這種現(xiàn)象的原因就是主燃區(qū)的燃燒溫度不同．通過(guò)分析可知，當(dāng)燃盡風(fēng)比率增加，意味著主燃區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)減小，再伴隨著主燃區(qū)燃燒溫度增加，就形成了前文中提到的高溫強(qiáng)還原氛圍，這時(shí)NO轉(zhuǎn)化率會(huì)急劇下降，也就不會(huì)形成隨著燃盡風(fēng)比率的增加NO轉(zhuǎn)化率先減小再增大的現(xiàn)象．

圖9?燃盡風(fēng)比率為10%～40%NOx的排放特性

表2 燃盡風(fēng)比率為35%和40%主燃區(qū)內(nèi)促進(jìn)NO生成的主要化學(xué)反應(yīng)對(duì)NO的一階敏感性系數(shù)

Tab.2 First-order sensitivity coefficient of the main chemical reaction promoting the formation of NO with respect to NO when the values of OFA rate are 35% and 40%

由表2可以看出，當(dāng)燃盡風(fēng)比率由35%增加至40%時(shí)，許多促進(jìn)NO生成的化學(xué)反應(yīng)對(duì)NO的敏感性系數(shù)都大幅增加，即使主燃區(qū)內(nèi)的還原性氣氛也在變強(qiáng)，但是變化不大，而NO生成的效率大幅甚至成倍增加，導(dǎo)致后者的NO轉(zhuǎn)化率大于前者．

3.4?空氣及O2/CO2氛圍的燃燒對(duì)比

選定主燃區(qū)溫度1為1500℃，燃盡區(qū)溫度2為1100℃，將空氣氛圍下的燃燒和O2/CO2氛圍下的燃燒做對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖10．如圖所示，在O2/CO2氛圍下做分級(jí)燃燒也能適當(dāng)?shù)亟档蚇O轉(zhuǎn)化率，但是降低的效果遠(yuǎn)不如空氣分級(jí)燃燒明顯．O2/CO2燃燒時(shí)NO轉(zhuǎn)化率呈單調(diào)上升的趨勢(shì)，在主燃區(qū)1＝0.5時(shí)取得最小值為10.9%；而空氣氛圍下燃燒時(shí)在主燃區(qū)1＝0.7時(shí)取得了NO轉(zhuǎn)化率的最小值為8.97%．圖中，2為燃盡區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)．

圖10 空氣和O2/CO2氛圍對(duì)NOx轉(zhuǎn)化率的對(duì)比(a1＝0.9，a2＝0.3)

關(guān)于O2/CO2氛圍下的燃燒，由Mendiara等[14]的實(shí)驗(yàn)研究可知，O2/CO2氛圍下的甲烷燃燒，如果1＞1，會(huì)抑制燃料N向NO轉(zhuǎn)化；如果1＜1，會(huì)促進(jìn)燃料N向NO轉(zhuǎn)化．徐德厚等[18]在研究一段PFR反應(yīng)器的O2/CO2氛圍下燃燒時(shí)，利用機(jī)理GRI-Mech 3.0對(duì)O2/CO2氛圍下燃燒進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)O2/CO2氛圍下的富燃燃燒會(huì)提高燃料N向NO的轉(zhuǎn)化速率．針對(duì)這種情況，本文設(shè)置參考工況為空氣燃燒條件下過(guò)量空氣系數(shù)1分別為0.9和1.2，與O2/CO2氛圍下過(guò)量空氣系數(shù)分別為0.9和1.2的工況進(jìn)行對(duì)比研究．結(jié)果如圖11所示.由圖可知，在過(guò)量空氣系數(shù)大于1的情況，O2/CO2氛圍下燃燒環(huán)境略微抑制了燃料N向NO的轉(zhuǎn)化，這是由于熱力型NO減少；而在過(guò)量空氣系數(shù)小于1的情況，O2/CO2環(huán)境很大程度上促進(jìn)了燃料N向NO的轉(zhuǎn)化，這個(gè)結(jié)果與國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果保持一致．

如果考慮O2/CO2氛圍和O2/Ar氛圍，其中過(guò)量空氣系數(shù)保持不變，得到模擬結(jié)果如圖12所示．由圖可見(jiàn)，O2/Ar和空氣氛圍下燃燒，NO轉(zhuǎn)化率相差不大；二者相較于O2/CO2燃燒，轉(zhuǎn)化率都降低了.

圖11 不同過(guò)量空氣系數(shù)和燃燒氛圍下NOx轉(zhuǎn)化率(T1＝1400℃，T2＝1100℃)

圖12 NOx轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)氛圍變化情況(T1＝1400℃，?a1＝0.9；T2＝1100℃，a2＝0.3)

在O2/CO2氛圍下，針對(duì)CO2進(jìn)行生成率的分析可知，以下反應(yīng)：

CO2＋H→CO＋OH

CO2＋2H→CH2＋O2

是在O2/CO2氛圍下CO2參與的主要反應(yīng)，這兩個(gè)反應(yīng)導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)相比于空氣氛圍下H減少，OH和O2增加．OH和O2增加，會(huì)導(dǎo)致以下反應(yīng)進(jìn)行：

HNO＋O2→HO2＋NO

N＋O2→NO＋O

OH＋O→O2＋H

前兩個(gè)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致NO生成，但是消耗O2，而第3個(gè)反應(yīng)不僅會(huì)生成O2通過(guò)前兩個(gè)反應(yīng)繼續(xù)生成NO，而且會(huì)生成H，補(bǔ)充之前CO2參與反應(yīng)消耗的H，促進(jìn)O2產(chǎn)生，繼而促進(jìn)NO的生成．

本文研究的模型中第一段PFR反應(yīng)器正是富燃燃燒，燃盡區(qū)的作用是使燃料燃燒完全，提高燃燒效率，不會(huì)對(duì)NO轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生實(shí)質(zhì)的影響，這一點(diǎn)在前文的研究中就已經(jīng)論證．所以就以上分析可以看出，O2/CO2氛圍燃燒時(shí)NO轉(zhuǎn)化率較高，是因?yàn)榉磻?yīng)中的OH濃度增加，H濃度減少，總體上OH/H比例較其他兩種氛圍下燃燒時(shí)有所增加．

3.5?燃盡風(fēng)位置以及燃盡風(fēng)氧濃度的影響

當(dāng)燃盡風(fēng)的位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)NO的轉(zhuǎn)化率造成一定的影響，如圖13(a)所示．當(dāng)燃盡風(fēng)位置向后推移的同時(shí)也就是增加了主燃區(qū)的長(zhǎng)度，在基本工況下，主燃區(qū)處于還原性氣氛，所以就增加了還原區(qū)的長(zhǎng)度，即增加了NO在還原區(qū)的停留時(shí)間，使得更多的NO被還原，最終NO轉(zhuǎn)化率就會(huì)降低．

改變?nèi)急M風(fēng)的氧體積分?jǐn)?shù)，保持燃盡區(qū)的過(guò)量空氣系數(shù)不變，僅僅改變O2的體積分?jǐn)?shù)，得到的結(jié)果如圖13(b)所示．由圖可知，隨著燃盡風(fēng)氧體積分?jǐn)?shù)的變化，NO轉(zhuǎn)化率變化不大，是因?yàn)樵诒３挚傔^(guò)量空氣系數(shù)為1.2的情況下，還原過(guò)程都是在主燃區(qū)完成的，燃盡區(qū)的主要作用是充分燃燒，所以燃盡風(fēng)氧濃度的變化無(wú)法對(duì)NO轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生較大影響．

4?結(jié)?論

本文利用兩段PFR反應(yīng)器在CHEMKIN中構(gòu)建了空氣深度分級(jí)燃燒模型，對(duì)空氣深度分級(jí)的NO排放特性進(jìn)行了模擬，探究了燃燒過(guò)程中燃料氮的遷移規(guī)律，研究了主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風(fēng)比率、燃燒氛圍、燃盡風(fēng)位置和燃盡風(fēng)氧體積分?jǐn)?shù)等因素的影響，并且對(duì)各個(gè)影響因素出現(xiàn)的現(xiàn)象利用ROP和敏感性分析進(jìn)行了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析．

(2) 主燃區(qū)燃燒溫度對(duì)NO轉(zhuǎn)化率影響不大，當(dāng)主燃區(qū)溫度在1300～1600℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率會(huì)先上升再下降；燃盡區(qū)溫度對(duì)NO轉(zhuǎn)化率幾乎沒(méi)有影響，若想通過(guò)改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O轉(zhuǎn)化率，應(yīng)該考慮改變主燃區(qū)的燃燒溫度，而非燃盡區(qū)．

(3) 當(dāng)主燃區(qū)溫度小于1500℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率隨著燃盡風(fēng)比率從10%～40%先減小再增大，在燃盡風(fēng)比率為35%左右時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率達(dá)到極小值；當(dāng)主燃區(qū)溫度大于1500℃時(shí)，NO轉(zhuǎn)化率會(huì)隨著燃盡風(fēng)比率單調(diào)下降．

(4) 在富燃條件下，O2/CO2氣氛會(huì)促進(jìn)燃料N向NO轉(zhuǎn)化，而分級(jí)燃燒中的第一段就是富燃條件，導(dǎo)致結(jié)果與空氣氛圍相比差值較大，這是因?yàn)镺2/CO2氛圍使反應(yīng)中OH/H比例增加，促進(jìn)NO生成；燃盡風(fēng)位置向后移動(dòng)會(huì)增加NO在還原區(qū)的停留時(shí)間，從而降低NO轉(zhuǎn)化率，而改變?nèi)急M風(fēng)氧體積分?jǐn)?shù)幾乎不會(huì)對(duì)NO轉(zhuǎn)化率造成影響．

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CHEMKIN Simulation of NOEmission of Deep Air-Staged Combustion

Wang Chaowei，Wang Chang’an，Wang Pengqian，Wu Song，Che Defu

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

A model is established with two-stage PFR in CHEMKIN to study the fuel-N conversion in deep air- staged combustion including all the factors，and the results are analyzed by production rate and sensitivity analysis. The results show that the stoichiometric ratio of main combustion zone affects NOemission significantly，especially under high temperature and strong reducing atmosphere．The temperature of main combustion zone should be considered to decrease NOformation rather than that of burnout zone．The NOemission is the lowest when the temperature of main combustion zone is lower than 1500℃ and the rate of overfire air is 35%．The staged O2/CO2combustion under a fuel-rich condition increases OH/H ratio，leading to more NOproduction．The NOconversion rate will be reduced when the position of overfire air moves backward，but it will be hardly changed when the oxygen concentration of overfire air is changed．The paper not only expands the range of previous research，but also obtains the results that have not been reparted，which are analyzed by chemical reaction kinetics and helpful in reducing NOemissions when the boiler is in practical operation.

deep air-staged；combustion of methane；CHEMKIN；NO

TK11

A

1006-8740(2020)01-0042-09

10.11715/rskxjs.R201903031

2019-03-28．

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB0602003).

王超偉（1995—??），男，博士研究生，wangchaowei@stu.xjtu.edu.cn.

王長(zhǎng)安，男，博士，副教授，changanwang@mail.xjtu.edu.cn.