李瀾波，周月桂，宋姝麗

高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO生成與還原特性

李瀾波，周月桂，宋姝麗

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院熱能工程研究所，上海 200240)

在Hencken燃燒器平面擴(kuò)散火焰的煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上測量了煤粉火焰不同高度處的煙氣組分濃度分布，研究了O2/CO2氣氛下不同熱協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)對NO生成與還原的影響．結(jié)果表明，當(dāng)熱協(xié)流溫度從1873K降低至1473K時，NO產(chǎn)率降低了5%，而當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從20%降低至5%時，NO產(chǎn)率降低了20%．通過NO生成動力學(xué)分析得到了揮發(fā)分氮氧化反應(yīng)生成NO的活化能為82.5kJ/mol，得到的NO生成速率有助于MILD富氧燃燒條件下煤燃燒氮化學(xué)模型改進(jìn)的應(yīng)用．同時，采用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)軟件對高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒及NO生成進(jìn)行了數(shù)值分析．通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性．通過分離揮發(fā)分NO與焦炭NO對不同的NO生成與還原階段進(jìn)行分區(qū)，有助于了解揮發(fā)分氮和焦炭氮生成與還原的相互作用機(jī)制和定量分離揮發(fā)分NO與焦炭NO生成與還原．

煤粉燃燒；O2/CO2氣氛；NO產(chǎn)率；NO生成動力學(xué)；NO生成與還原分區(qū)

富氧燃燒技術(shù)作為一種有前景的燃燒技術(shù)，通過純氧與再循環(huán)煙氣混合作為氧化劑，燃燒產(chǎn)生高CO2濃度煙氣便于CO2捕集與封存．然而，富氧燃燒也存在一些缺點(diǎn)，如煤粉著火延遲、燃燒穩(wěn)定性低、不完全燃燒熱損失大等問題．MILD(moderate and intense low-oxygen dilution)燃燒是另一種先進(jìn)的燃燒技術(shù)，能同時提高熱效率和抑制NO排放．MILD燃燒通過燃燒產(chǎn)生的熱煙氣再循環(huán)預(yù)熱燃料和高度稀釋氧化劑，導(dǎo)致反應(yīng)速率低、局部釋熱少、熱流分布均勻、燃燒峰值溫度低．

MILD燃燒技術(shù)與第一代富氧燃燒技術(shù)結(jié)合，形成了新一代的MILD富氧燃燒(MILD oxy-fuel combustion)技術(shù)[1]，可以有效解決富氧燃燒技術(shù)存在的不足[2]．MILD富氧燃燒技術(shù)的基本理念是空氣分離裝置分離得到的高純氧氣以高速射流噴入燃燒室，在受限的燃燒室空間內(nèi)形成強(qiáng)烈的煙氣內(nèi)循環(huán)以預(yù)熱燃料和稀釋氧化劑．因此，MILD富氧燃燒的本質(zhì)是燃料在高溫低氧O2/CO2氣氛下的燃燒．研究煤粉在高溫低氧O2/CO2氣氛下的NO生成與還原特性，可以為MILD富氧煤粉燃燒新模式下超低NO排放控制提供理論基礎(chǔ)．

在實(shí)驗(yàn)研究方面，煤粉富氧燃燒的NO排放通常比傳統(tǒng)空氣燃燒更低，一是因?yàn)檠趸瘎oN2而不生成熱力型NO，二是因?yàn)樵傺h(huán)煙氣NO的還原[3]. Okazaki等[4]在蜂窩燃燒器上形成平面火焰，用CH4和NH3模擬揮發(fā)分和揮發(fā)分氮，用無煙煤模擬焦炭，在1450K、O2體積分?jǐn)?shù)21%工況下研究了CO2濃度、再循環(huán)NO濃度、再循環(huán)NO與燃料氮之間的相互作用對NO還原的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO2濃度的影響在10%以下，燃料氮與再循環(huán)NO之間相互作用的影響為10%～50%，再循環(huán)NO還原的影響為50%～80%．Sun等[5]研究了O2/CO2氣氛、1000～1300℃、貧燃料和富燃料條件下燃料氮的NO轉(zhuǎn)化和再循環(huán)NO的還原．結(jié)果表明，在富燃料和貧燃料條件下溫度對揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化的影響相反，再循環(huán)NO的氣相還原反應(yīng)得到強(qiáng)化，高溫條件下焦炭/NO反應(yīng)與燃料氮的NO轉(zhuǎn)化存在競爭，其中富燃料條件下焦?炭/NO反應(yīng)占主導(dǎo)地位．

一些研究者還對煤粉MILD燃燒NO生成與排放特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)MILD燃燒具有較大的NO減排潛力．Weber等[6]在國際火焰研究基金會(IFRF)0.58MW試驗(yàn)爐上研究了天然氣、輕油、重油和煤粉在高溫預(yù)熱空氣中的燃燒，結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)煤粉燃燒800×10-6～1000×10-6的NO排放，高溫預(yù)熱空氣條件下的出口煙氣NO體積分?jǐn)?shù)為215×10-6～220×10-6(按3%O2折算)．Stadler等[7]在O2/N2、O2/Ar和O2/CO2氣氛下通過提高氧化劑射流速度，形成強(qiáng)烈的煙氣再循環(huán)，降低燃燒室中的溫升和溫度峰值，研究了無焰煤粉燃燒的NO排放特性，發(fā)現(xiàn)相比于常規(guī)煤粉燃燒，O2/N2氣氛下NO濃度降低一半，O2/Ar氣氛下燃料型NO略有增加且隨爐膛壁溫增加而略有降低，O2/CO2氣氛下NO排放量隨氧化劑氧濃度增加而略有增加．

在煤粉MILD燃燒數(shù)值模擬方面，Schaffel等[8]采用渦耗散(EDM)兩步反應(yīng)模型研究了不同類型NO的反應(yīng)速率，結(jié)果表明MILD燃燒中存在較強(qiáng)的NO再燃反應(yīng)．Mei等[9]采用渦耗散概念(EDC)模型和Jones & Lindstedt總包反應(yīng)機(jī)理(EDC-JL)研究了一次風(fēng)、二次風(fēng)射流速度對NO排放的影響，結(jié)果表明揮發(fā)分NO與焦炭N中間體HCN存在強(qiáng)烈的還原反應(yīng)．Zhang等[10]采用EDC模型和Westbrook & Dryer總包反應(yīng)機(jī)理(EDC-WD)研究了MILD富氧燃燒條件下氣化反應(yīng)對NO生成的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)考慮氣化反應(yīng)，廢氣中的NO體積分?jǐn)?shù)從380×10-6降至250×10-6．

在MILD富氧煤粉燃燒研究方面，Li等[11]在中試規(guī)模燃燒爐研究了煤粉的MILD富氧燃燒，結(jié)果表明，在不高度預(yù)熱氧化劑的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)中試規(guī)模的煤粉MILD富氧燃燒，并能得到均勻的溫度分布和很低的NO排放．曾柱楷等[12-16]和黃文仕等[17]實(shí)驗(yàn)研究了不同高溫低氧稀釋條件下的煤粉燃燒特性，發(fā)現(xiàn)相比于O2/N2氣氛，O2/CO2氣氛下煤粉著火距離明顯變長，顆粒平均溫度更低，顆粒溫度沿程分布更均勻．Zhang等[18-19]數(shù)值分析了IFRF試驗(yàn)爐的MILD煤粉燃燒，研究了CO2、H2O與O2濃度對燃燒與傳熱特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加O2和H2O濃度會降低焦炭的燃盡率，而H2O和CO2會延長著火延遲時間、降低火焰溫度，強(qiáng)化氣化反應(yīng)，降低NO生成.

上述研究表明，MILD富氧煤粉燃燒過程中的NO生成機(jī)理相比于MILD燃燒過程有很大的不同，且對MILD富氧煤粉燃燒NO生成與還原特性的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析還比較缺乏．本文在協(xié)流溫度為1473～1873K、氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%～20%的Hencken平面火焰燃燒器上進(jìn)行NO生成實(shí)驗(yàn)，獲得了協(xié)流溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)對O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO生成與還原的影響規(guī)律，并通過化學(xué)動力學(xué)分析得到了高溫低氧O2/CO2氣氛下NO生成的活化能．選用EDC模型、化學(xué)滲透脫揮發(fā)分(CPD)模型、多部焦炭反應(yīng)(multiple-surface-reactions)焦炭燃燒模型，對平面擴(kuò)散火焰燃燒器中MILD富氧煤粉燃燒高溫低氧熱氛圍下NO生成與排放特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好．在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對比了揮發(fā)分NO、焦炭NO與煤粉燃燒產(chǎn)生的燃料型NO，對煤粉火焰中心軸線沿程N(yùn)O進(jìn)行NO生成與還原的分區(qū)．

1?實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬方法

1.1?實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

平面擴(kuò)散火焰煤粉燃燒NO生成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)使用CO和少量CH4作為氣體燃料，以氣體燃燒后產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛槊悍廴紵^程的熱協(xié)流．氣體燃料和氧化劑分別由中心管周圍的毛細(xì)噴管噴入后迅速擴(kuò)散燃燒，煤粉顆粒經(jīng)CO2攜帶由中心管噴入．氣體擴(kuò)散火焰反應(yīng)區(qū)域?yàn)?0mm×50mm，周圍毛細(xì)噴管外徑為1.5mm，中心管外徑為2.5mm．在燃燒器出口外圍有直徑85mm、高度500mm的光學(xué)石英玻璃罩，可以隔離外部空氣的干擾.

實(shí)驗(yàn)中采用質(zhì)量流量計(jì)精確控制通入燃燒器的各路氣體，各工況下的氣體組分配比見表1．使用B型熱電偶和煙氣分析儀分別測量了軸向溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)，見圖2，驗(yàn)證了協(xié)流煙氣中溫度和氧氣分布的均勻性，能夠?yàn)槊悍廴紵峁┓€(wěn)定、均勻的熱協(xié)流條件．實(shí)驗(yàn)中選用大同煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表2．中心管攜帶流流量為0.56L/min，給粉速率為0.1g/min，煤粉粒徑范圍為63～90μm．

表1?熱協(xié)流背景工況的設(shè)計(jì)

Tab.1?Design of hot coflow background conditions

（b）＝1473K協(xié)流氧氣體積分?jǐn)?shù)

圖2?不同協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)下熱協(xié)流的測量結(jié)果

Fig.2 Measurement results of thermal coflow at different coflow temperatures and oxygen volume fractions

表2?實(shí)驗(yàn)煤種的工業(yè)分析和元素分析

Tab.2?Coal proximate and ultimate analysis

1.2?數(shù)值模擬方法

考慮到燃燒器結(jié)構(gòu)的對稱性，模擬1/4區(qū)域的網(wǎng)格以節(jié)省計(jì)算成本．如圖3所示，對網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為389760時，沿燃燒器中心軸的溫度、O2摩爾分?jǐn)?shù)、CO2摩爾分?jǐn)?shù)與839330個網(wǎng)格的差異小于0.1%．因此，本文選用了389760個網(wǎng)格．采用雷諾平均N-S方程(RANS)模型封閉連續(xù)性、動量、能量和湍流，采用Realizable-模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解湍流，采用EDC模型考慮湍流-化學(xué)的相互作用，采用離散坐標(biāo)(DO)模型求解輻射傳遞方程，采用灰氣體加權(quán)和(WSGGM)模型求解氣體、固體顆粒和爐壁之間的輻射傳熱，采用CPD模型求解煤粉顆粒的脫揮發(fā)分，采用多步焦炭反應(yīng)模型求解焦炭燃盡．

圖3?網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

Vascellari等[20]對比了EDM、EDC-JL和EDC模型加詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(EDC-DRM)3種機(jī)理對MILD燃燒的預(yù)測精度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)EDC-DRM機(jī)理預(yù)測最準(zhǔn)確，EDC-JL機(jī)理預(yù)測較準(zhǔn)確且計(jì)算成本低，但3種機(jī)理大大高估了主燃燒區(qū)的NO濃度．本文采用了一個改進(jìn)的WD機(jī)理，均相反應(yīng)和異相反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)見表3．采用后處理方法計(jì)算NO的生成與還原．燃料N通過轉(zhuǎn)化為含N中間體HCN、NH3，再進(jìn)一步氧化為NO或還原為N2．

表3?均相反應(yīng)和異相反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)

Tab.3?Kinetics parameters of homogeneous reaction and heterogeneous reaction

2?結(jié)果分析與討論

2.1?高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO生成實(shí)驗(yàn)

采用MRU VARIO PLUS型煙氣分析儀和水冷氦急冷不銹鋼煙氣取樣探針，測量了高溫低氧O2/CO2氣氛下距燃燒器中心管出口1～20cm煤粉火焰區(qū)的軸向沿程N(yùn)O濃度、O2濃度和CO濃度，研究了O2/CO2氣氛不同燃燒溫度(1473～1873K)、氧氣體積分?jǐn)?shù)(5%～20%)對燃料N轉(zhuǎn)化為NO的影響，結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示．

結(jié)果表明，對于給定熱協(xié)流溫度和氧氣濃度，NO濃度軸向分布為先快速增加至峰值，然后下降逐漸趨于平緩．煤粉氣流從中心管噴入高溫?zé)釁f(xié)流煙氣后顆粒溫度迅速升高，煤粉顆粒經(jīng)歷了揮發(fā)分析出和著火、焦炭著火與燃盡等過程．可以看出，NO濃度上升段是隨著煤粉燃燒反應(yīng)的進(jìn)行NO快速生成，揮發(fā)分劇烈燃燒導(dǎo)致?lián)]發(fā)分N迅速轉(zhuǎn)化為NO．達(dá)到峰值后，揮發(fā)分基本燃燒完全，殘余的焦炭繼續(xù)燃燒，焦炭N繼續(xù)轉(zhuǎn)化為NO，焦炭的異相燃燒過程相比于揮發(fā)分的均相燃燒過程反應(yīng)速率比較緩慢，焦炭N的生成速率相比于揮發(fā)分N的生成速率更低，且存在已生成揮發(fā)分NO與焦炭的異相還原、揮發(fā)分NO與焦炭N中間體的均相還原，因此在達(dá)到NO峰值后，NO濃度迅速降低．隨著焦炭燃盡程度提高和顆粒溫度逐漸降低，焦炭氧化反應(yīng)的強(qiáng)度逐漸降低，并在周圍熱協(xié)流的稀釋作用下，NO濃度逐漸趨于平緩.

隨著熱協(xié)流溫度的降低，NO濃度峰值顯著降低.在O2/CO2氣氛中，幾乎沒有熱力型NO生成．同時由于脫揮后烴類的局部過量空氣系數(shù)大于1，快速型NO不會大量產(chǎn)生，幾乎沒有快速型NO．對于所有背景工況，煤粉顆粒溫度超過1600K，幾乎沒有N2O中間體路徑的NO生成．因此，這可能是由于降低溫度減弱了焦炭的氧化反應(yīng)速率，燃料N氧化為NO的反應(yīng)速率大大減小．當(dāng)熱協(xié)流溫度為1473K和氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時，NO濃度沿程分布較均勻，且處于較低濃度水平(小于150×10-6)，與MILD燃燒NO濃度較低且分布較均勻的特征一致．隨著熱協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，著火延遲距離逐漸增大，這主要是由于煤粉加熱速率降低，揮發(fā)分析出速率和燃燒速率相對較慢，揮發(fā)分著火延遲．因此，對應(yīng)出現(xiàn)揮發(fā)分N氧化生成NO濃度峰值的軸向距離也逐漸增大．而隨著熱協(xié)流氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，特別是當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)從20%降到10%時，NO濃度峰值大大降低，進(jìn)一步降低至5%后，NO濃度沿程分布更加均勻．

（c）＝5%

（a）＝1473K

（b）＝1673K

（c）T＝1873K

圖7顯示了不同協(xié)流溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)條件下NO濃度峰值及NO產(chǎn)率．從圖中發(fā)現(xiàn)，隨著協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，NO濃度峰值從超過400×10-6降低至125×10-6以下．De Soete[21]在預(yù)混火焰攜帶流反應(yīng)器上進(jìn)行了燃料N前驅(qū)物轉(zhuǎn)化為NO的實(shí)驗(yàn)，提出了NO產(chǎn)率作為燃料N轉(zhuǎn)化為NO模型預(yù)測與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較的指標(biāo)．NO產(chǎn)率的定義為

從圖7中看出，隨著協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，NO產(chǎn)率從0.4降低至0.15，這表明降低協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)均顯著減少O2/CO2氣氛下煤粉燃燒的NO排放．從NO產(chǎn)率的變化進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，協(xié)流氧氣體積分?jǐn)?shù)從20%降低至5%，NO產(chǎn)率降幅為0.2，而協(xié)流溫度從1873K降低至1473K，NO產(chǎn)率降幅為0.05．這表明NO產(chǎn)率的降低主要受氧氣體積分?jǐn)?shù)降低的影響，MILD燃燒強(qiáng)烈煙氣內(nèi)循環(huán)所形成的低氧稀釋條件非常有利于降低NO排放．

（a）＝1473K

（b）＝1673K

（c）＝1873K

圖6 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)和協(xié)流溫度下煤粉燃燒CO體積分?jǐn)?shù)沿程分布

Fig.6 Axial CO concentration at different oxygen volume fractions during pulverized coal combustion

圖8顯示了不同協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)下NO濃度分布均方差．隨著協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，NO濃度均方差從70×10-6降低至25×10-6.一方面，隨著協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低，煤粉顆粒平均溫度更低，且顆粒溫度分布更加均勻[12-13].這使得煤粉燃燒的反應(yīng)速率處于較低水平，熱流分布更加均勻，煤粉燃燒反應(yīng)速率沿程分布更加均勻．另一方面，氧氣體積分?jǐn)?shù)的降低使得煤粉燃燒的整體氧化性氣氛減弱，CO2濃度的升高使得氣化反應(yīng)速率增強(qiáng)，CO濃度上升，燃料N的氧化速率進(jìn)一步受到抑制．這與在低氧稀釋條件下MILD燃燒熱流分布均勻、無明顯溫度峰值、污染物生成顯著減少等特征相符合．

（a）NO濃度峰值

（b）NO產(chǎn)率

圖7?NO生成特性分析

Fig.7?Analysis of NO formation characteristics

圖8?NO體積分?jǐn)?shù)分布均方差

2.2?煤粉燃燒NO生成動力學(xué)分析

圖9顯示了O2/CO2氣氛揮發(fā)分N轉(zhuǎn)化為NO的生成動力學(xué)分析．根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)，NO的生成速率可以表示為

取對數(shù)后并將氧氣體積分?jǐn)?shù)換成統(tǒng)一基準(zhǔn)，則可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

從式(2)發(fā)現(xiàn)，NO生成速率的對數(shù)與溫度的倒數(shù)成線性關(guān)系．對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后，計(jì)算出揮發(fā)分N氧化的活化能Ea＝82.5kJ/mol．Kramlich等[22]報(bào)道了煤粉燃燒時燃料氮轉(zhuǎn)化為NO的活化能約為83.7kJ/mol．

圖10比較了NO生成速率模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值．計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的整體相對誤差在10%以內(nèi)，表明NO生成速率模型有較好的預(yù)測精度，有助于MILD富氧煤粉燃燒條件下氮化學(xué)模型改進(jìn)的應(yīng)用．

圖10?NO生成速率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較

2.3?高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO生成與還原數(shù)值分析

圖11比較了實(shí)驗(yàn)臺協(xié)流溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、煤粉燃燒NO濃度軸向分布的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整體趨勢上符合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型選擇的合理性．

在驗(yàn)證數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，圖12比較了1673K-5%O2工況下?lián)]發(fā)分氮單獨(dú)轉(zhuǎn)化的NO(vol-NO)、焦炭氮單獨(dú)轉(zhuǎn)化的NO(char-NO)與煤粉燃燒產(chǎn)生的NO(coal-NO)．圖12中，sum表示vol-NO與char-NO之和．從圖中發(fā)現(xiàn)，在vol-NO達(dá)到NO濃度峰值之前，coal-NO、vol-NO與sum基本重合．同時發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分摩爾分?jǐn)?shù)在1.8～2.5cm迅速上升，相應(yīng)的HCN與NH3濃度逐漸上升，這意味著此時揮發(fā)分析出，且揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為HCN與NH3，再被轉(zhuǎn)化為NO，此階段NO濃度迅速上升．在vol-NO濃度達(dá)到峰值時，HCN與NH3濃度已經(jīng)迅速降低，接近最低濃度．這意味著揮發(fā)分氮中間體已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為揮發(fā)分NO．vol-NO濃度達(dá)到峰值時，char-NO濃度仍接近于0，之后再逐漸上升．這表明vol-NO濃度開始上升達(dá)到峰值的階段是揮發(fā)分NO生成區(qū)．

（a）協(xié)流溫度和氧氣體積分?jǐn)?shù)

（b）NO濃度

圖11 協(xié)流溫度、氧氣體積分?jǐn)?shù)、煤粉燃燒NO濃度軸向分布的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

Fig.11 Comparison of numerical results of the coflow temperature，oxygen volume fraction and NO con-centration in pulverized coal combustion with ex-perimental data

在vol-NO達(dá)到濃度峰值以后，揮發(fā)分反應(yīng)速率處于較低水平．焦炭繼續(xù)進(jìn)行異相燃燒，HCN濃度略微上升，char-NO逐漸上升，這表明焦炭N開始轉(zhuǎn)化為HCN中間體，再被氧化為NO．因此，在vol-NO達(dá)到濃度峰值到char-NO達(dá)到濃度峰值這一階段是焦炭NO生成區(qū)．同時，coal-NO與sum逐漸有了明顯差異，而在vol-NO達(dá)到濃度峰值時，還殘留有少量的揮發(fā)分，揮發(fā)分的CH等基團(tuán)與HCN中間體存在均相還原反應(yīng)．更重要的是，揮發(fā)分燃燒完全后，vol-NO與焦炭N中間體HCN存在均相還原反應(yīng)，還存在NO與焦炭本身異相還原反應(yīng)．因此在vol-NO濃度峰值后到HCN中間體濃度接近0這一階段是NO還原區(qū)．NO生成與還原區(qū)的劃分有助于了解揮發(fā)分氮與焦炭氮生成與還原的相互作用機(jī)制，并有助于實(shí)現(xiàn)揮發(fā)分NO與焦炭NO生成與還原的定量分離．

（a）NO體積分?jǐn)?shù)分布

（b）含氮組分及揮發(fā)分分布

圖12?NO生成與還原不同階段的分析

Fig.12 Analysis of different NO formation and reduction stages

3?結(jié)?論

在高溫低氧O2/CO2氣氛下進(jìn)行了平面擴(kuò)散火焰煤粉燃燒NO生成實(shí)驗(yàn)，并選用CPD脫揮發(fā)分模型、多步焦炭反應(yīng)模型與改進(jìn)的WD反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好．主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)煤粉燃燒沿程N(yùn)O濃度峰值得到NO產(chǎn)率，隨著協(xié)流氧氣體積分?jǐn)?shù)從20%降低到5%，NO產(chǎn)率降低20%，而隨著協(xié)流溫度從1873K降低至1473K，NO產(chǎn)率降低5%．

(2)對煤粉燃燒NO生成速率進(jìn)行化學(xué)動力學(xué)分析，得到揮發(fā)分NO生成的活化能為82.5kJ/mol，得到的NO生成速率有助于MILD富氧煤粉燃燒條件下氮化學(xué)模型改進(jìn)的應(yīng)用．

(3)對實(shí)驗(yàn)臺中高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了煤粉燃燒過程中揮發(fā)分NO、焦炭NO與煤粉NO的沿程生成過程，發(fā)現(xiàn)在揮發(fā)分NO濃度峰值后存在揮發(fā)分NO的均相和異相還原，并對煤粉燃燒NO生成與還原不同階段進(jìn)行分區(qū)．研究結(jié)果有助于了解揮發(fā)分氮和焦炭氮生成與還原的相互作用機(jī)制和定量分離揮發(fā)分NO與焦炭NO生成與還原，為高溫低氧O2/CO2氣氛下煤粉燃燒NO調(diào)控方法提供基礎(chǔ)．

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NO Formation and Reduction Characteristics of Pulverized Coal Combustion at High Temperature and Low Oxygen Under O2/CO2Atmospheres

Li Lanbo，Zhou Yuegui，Song Shuli

(Institute of Thermal Energy Engineering，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The flue gas species concentrations at different heights of pulverized coal combustion flame were measured in the pulverized coal combustion experiment system based on Hencken burner with the diffusion flat flame. The effects of coflow temperature and oxygen volume fraction on NO formation and reduction were studied in O2/CO2atmospheres. The results show that NO yield decreases by 5% with the decrease of the coflow temperature from 1873K to 1473K，and by 20% with the decrease of the oxygen volume fraction from 20% to 5%. The activation energy of volatile nitrogen oxidation reaction is 82.5kJ/mol through the kinetic analysis of NO formation. The model of NO formation rate is helpful for the application of improved nitrogen chemical model under MILD oxy-fuel combustion conditions. Meanwhile，the numerical analysis of pulverized coal combustion and NO formation at high temperatures and low oxygens under O2/CO2atmospheres was carried out by using computational fluid dynamics(CFD)software. The accuracy of numerical models was verified through the comparison with the experimental data.Different NO formation and reduction stages were divided by separating volatile NO and char NO，which is helpful for understanding the interaction mechanism of formation and reduction between volatile nitrogen and char nitrogen and quantitatively separating the formation and reduction of volatile NO and char NO.

pulverized coal combustion；O2/CO2atmosphere；NO yield；chemical kinetics of NO formation；division of NO formation and reduction

TK11

A

1006-8740(2023)06-0644-09

10.11715/rskxjs.R202309015

2023-05-29.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976120，51761125011).

李瀾波(1998—??)，男，博士研究生，lilanbo@sjtu.edu.cn.

周月桂，男，博士，教授，ygzhou@sjtu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)