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氣體燃料再燃對NOx還原的影響 （一）
作者: 鐘北京 傅維標(清華大學工程力學系)【摘要】氣體燃料再燃是研究較多的降低煙氣中NOx含量最有效的方法之一。本文以典型的一次燃燒區煙氣成分為模擬煙氣，研究了不同的氣體燃料(CH4，C2H2和C2H4)作為再燃燃料時，再燃區燃燒工況(空氣過量系數和再燃溫度)對NOx再燃過程和NOx還原率的影響。通過計算發現，不同組分的氣體燃料、再燃區空氣過量系數及再燃區溫度對NOx的再燃過程和NOx還原率都有重要的影響。
1 引言
自從1983年三菱重工利用再燃技術成功降低煙氣中NOx排放以后［1］，燃料再燃就成為降低NOx排放的諸多爐內方法中最有效的措施之一。許多研究結果表明，燃料再燃可使NOx的排放量降低50%以上［2］。在研究中發現，再燃燃料的種類對NOx的再燃率有重要的影響。在已有的報道中，氣體燃料(尤其是天然氣)是被認為最好、因而被采用最多的再燃燃料之一。NOx的再燃機理是燃料分解出來的碳氫基(CHi)與NOx反應，從而使NOx還原成N2。雖然稍后也有煤或煤焦作為再燃燃料的報道［3］，但研究氣體燃料作為再燃燃料是最為簡單的，而且氣體燃料也可以模擬煤作為再燃燃料時揮發份對NOx的均相反應。本文通過化學反應動力學模型的計算，研究了不同氣體燃料和再燃區的燃燒工況(如溫度和空氣過量系數)對煙氣中NOx的再燃過程和NOx還原率的影響。
2 計算模型簡介
燃料再燃又稱燃料分級，實際上是把爐內燃燒過程沿爐膛高度分為如下三個不同的燃燒區(如圖1所示)。第一燃燒區：這是主燃燒區，約有80%的燃燒在該區燃燒，其空氣過量系數大于1.0。由于該區氧氣充足，火焰溫度較高，因此將形成較多的NOx。此外，如果在該區沒有足夠的停留時間，將有一定量的未完全燃燒產物與NOx一起進入再燃區。第二燃燒區：這是再燃區，再燃燃料在空氣不足的條件下噴射到第一燃燒區的下游，形成碳氫基(CHi)，從而使來自第一燃燒區的NOx還原。第三燃燒區：這是燃盡區，在該區加入空氣，形成富氧燃燒區，使所有的未完全燃燒產物燃盡。
圖1 再燃過程示意圖
本文計算的物理對象是第二燃燒區，即再燃區。來自第一燃燒區的模擬煙氣成分為：CO2＝16.8％，O2＝1.95％，NO＝0.1％和平衡氣體N2。計算中選擇了低分子量的烴類燃料作為再燃燃料，它們分別是：CH4，C2H2，C2H4。通過計算分析，研究了所選擇的三種氣體燃料在不同的再燃工況下對NOx還原率的影響。計算中使用了在文獻［4］中進行過詳細討論的化學反應動力學模型，該模型包含30種組分的118個可逆反應(附錄A)。計算中使用的再燃區空氣過量系數為0.2～1.0，再燃區溫度為1100℃～1300℃。
附錄A 化學反應動力學機理
反應動力學常數公式：k=A.TN.exp(-E/RT)
單位：mol, m3, s, K和cal/mol
化學反應方程
A
N
E
1
H2＋OH＝H2O＋H
．1170E＋04
1．3000
．3650E＋04
2
H＋O2＝OH＋O
．1900E＋09
．0000
．1690E＋05
3
H2 O=OH H
.1820E 05
1.0000
.8960E 04
4
H O2 M=HO2 M
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