|
3 计算结果与分析
本文采用适于求解刚性微分方程的Gear［5］法对给定初始条件的化学反应速度方程进行了求解，从而可以分析再燃燃料组分、再燃区空气过剩系数和温度对NOx再燃过程的影响。
3.1 燃料组分的影响
图2给出了三种气体燃料作为再燃燃料时NOx浓度随反应时间的变化过程。由图中可见，用甲烷作为再燃燃料时，在所有α范围内，NOx首先大量被还原，但随后烟气中的NOx浓度又会逐渐升高。因此，选择合适的再燃时间就显得非常重要。用C2H2和C2H4作为再燃燃料时未发现有类似于CH4的特性。比较三种燃料可知，选用CH4做再燃燃料时，其对NOx的再燃效果比C2H2和C2H4的再燃效果好。对于所选择的三种再燃燃料，再燃区空气过量系数越小，NOx的还原率越大。当α＞0.7以后，所有三种燃料对NOx的再燃效果都不明显，这可能是因为在这样的条件下不容易形成、并保持一定浓度的CHi基。
图2 不同组分在α＝0.2-1.0条件下对NO的再燃过程(α沿箭头方向增大)
3.2 空气过剩系数的影响
再燃区空气过量系数对NOx的再燃过程有很大的影响。图3a给出了再燃区最低NOx浓度随再燃区空气过量系数的变化。与图3a对应的NOx最大还原率随再燃区空气过量系数的变化如图3b所示。由图中可见，随着再燃区空气过量系数的增大，NOx的还原率减小，但是，在所有的α范围内，甲烷对NOx的还原率都远远高于C2H2和C2H4，且其NOx还原率高于50%。C2H2和C2H4作为再燃燃料时，NOx还原率比较低，即使在较小的空气过量系数下也不超过30%。这与我们的想象相差甚远。因为NOx的还原主要是由于NOx与形如CH和CH2等的碳氢基发生还原反应的结果。而表面看来C2H2和C2H4更易于形成这样的碳氢基，但是计算发现并不是这样的。由图3可以看出，三种燃料的再燃效果从大到小依次为CH4、C2H2、C2H4。
图3 空气过剩系数对NOx还原率的影响
3.3 再燃燃料中含氮组分的影响
为了研究含N组分对NOx再燃的影响，在α＝0.7、再燃温度等于1100℃的条件下研究了三种再燃燃料有、无含氮组分对NOx再燃的影响。图4给出了在这种情况下的计算结果。由图可见，当再燃燃料中存在含N组分时，其再燃特性有明显的差别。
图4 再燃燃料中含氮组分对NO再燃特性的影响
尤其是对于CH4，含氮组分的存在大大的改善了其对NOx的还原特性。使再燃时间的选择范围变得很宽，从而使再燃过程易于实现。对于C2H2和C2H4，含氮组分的存在对NOx的还原特性没有大的影响，只是强化了NOx的再燃过程，增大了再燃效率。在其它空气过量系数条件下，计算结果表明，对于CH4，即使α＝0.9，含氮组分的存在也明显地强化了NOx的再燃效果，而对于C2H2和C2H4，当α＞0.7时，含N组分的存在反而增大了烟气中NOx的排放量，这可能是因为在这样的情况下，含N组分容易首先与O2反应，被氧化形成了NOx。
3.4 再燃温度的影响
为了研究再燃区温度对NOx再燃过程的影响，在空气过量系数α＝0.7，温度分别为1100℃、1200℃和1300℃条件下，对再燃效果最好的甲烷进行了NOx再燃过程的计算。根据计算结果整理得到的NOx还原率与再燃区温度的关系如图5所示。由图5可见，再燃温度对NOx的还原率有很大的影响。在本文的计算条件下，NOx还原率与再燃区温度存在极值关系。当再燃燃料为CH4、空气过量系数α＝0.7和［HCN］/［NO］摩尔比等于1.0时，最佳的再燃温度位于1150℃～1200℃之间，在此温度下NOx的还原率将达到最大值。由图还可以发现，即使再燃温度高达1300℃，NOx的还原率也可达到22.5%。但是，计算结果表明，当温度进一步升高到超过1400℃以后，再燃温度继续升高将很不利于NOx的还原，而且当主燃料中含有燃料氮时反而会加速含N组分的氧化，使烟气中NOx的浓度增大。
图5 NOx还原率与再燃温度的关系
4 结论
由以上的计算结果，及其分析讨论可以得出以下结论：
(1) 在实际锅炉中应用再燃技术时，再燃区的空气过量系数要严格控制在较小值范围内，本文计算结果表明，一般应控制在α≤0.7，以达到较好的再燃效果。
(2) 在本文所采用的再燃燃料中，CH4对NOx的再燃效果明显地比C2H2和C2H4好，但必须选择合适的再燃时间才能达到较高的NOx还原率。
(3) 再燃燃料中含N组分(如HCN)的存在可以改变NOx的再燃过程，并在一定的空气过量系数范围内增大NOx还原率，但在较大空气过量系数(对于CH4—α＞0.9，对于C2H2和C2H4—α＞0.8)或较高再燃温度(T≥1400℃)下反而会由于含N组分的氧化使烟气中NOx浓度明显增大。
(4) 再燃区温度对NOx的还原率有较大的影响，对于特定的再燃燃料和再燃区空气过量系数，存在一个最佳的再燃温度，使NOx的还原率达到最大。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(59606011)
作者简介：钟北京(1963-),男,江西瑞金人,清华大学工程力学系副教授,副主任.
邮编 100084 北京
作者单位：清华大学工程力学系
参考文献
［1］Takahashi Y,Sengoku T,Nakashima F，et al.Development of MACT in-furnace NOx removal process for steam generators.Proc.1982 Joint Symposium Stationary NOx Control,Vol.1,EPRI Report №CS-3182,July,1983.
［2］Burch T E, Tillman F R， Chen W Y,et al.Partitioning of nitrogenous species in the fuel-rich stage of reburning.Energy & Fuel.1991，5∶231～237.
［3］Chen W Y,Long Ma.Effect of heterogeneous mechanisms during reburning of nitrogen oxide.AIChE Journal.1996，42(7)∶1968～1975.
［4］钟北京，徐旭常.燃烧系统中燃料燃烧和NOx形成过程的计算机模拟.燃烧科学与技术，1995，11(2)∶1～9.
［5］吉尔C W著，费景高，刘德贵，高永春等译.常微分方程初值问题的数值解法.科学出版社，1978.
收稿日期：1998-12-21;修订日期：1999-04-21 | 
气体燃料再燃对NOx还原的影响
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）