氣體燃料再燃對NOx還原的影響 （二）

氣體燃料再燃對NOx還原的影響 （二）

3　計(jì)算結(jié)果與分析

　　本文采用適于求解剛性微分方程的Gear^［5］法對給定初始條件的化學(xué)反應(yīng)速度方程進(jìn)行了求解，從而可以分析再燃燃料組分、再燃區(qū)空氣過剩系數(shù)和溫度對NOx再燃過程的影響。
3.1　燃料組分的影響
　　圖2給出了三種氣體燃料作為再燃燃料時(shí)NOx濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化過程。由圖中可見，用甲烷作為再燃燃料時(shí)，在所有α范圍內(nèi)，NOx首先大量被還原，但隨后煙氣中的NOx濃度又會逐漸升高。因此，選擇合適的再燃時(shí)間就顯得非常重要。用C₂H₂和C₂H₄作為再燃燃料時(shí)未發(fā)現(xiàn)有類似于CH₄的特性。比較三種燃料可知，選用CH₄做再燃燃料時(shí)，其對NOx的再燃效果比C₂H₂和C₂H₄的再燃效果好。對于所選擇的三種再燃燃料，再燃區(qū)空氣過量系數(shù)越小，NOx的還原率越大。當(dāng)α＞0.7以后，所有三種燃料對NOx的再燃效果都不明顯，這可能是因?yàn)樵谶@樣的條件下不容易形成、并保持一定濃度的CH_i基。

圖2　不同組分在α＝0.2-1.0條件下對NO的再燃過程(α沿箭頭方向增大)

3.2　空氣過剩系數(shù)的影響
　　再燃區(qū)空氣過量系數(shù)對NOx的再燃過程有很大的影響。圖3a給出了再燃區(qū)最低NOx濃度隨再燃區(qū)空氣過量系數(shù)的變化。與圖3a對應(yīng)的NOx最大還原率隨再燃區(qū)空氣過量系數(shù)的變化如圖3b所示。由圖中可見，隨著再燃區(qū)空氣過量系數(shù)的增大，NOx的還原率減小，但是，在所有的α范圍內(nèi)，甲烷對NOx的還原率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C₂H₂和C₂H₄，且其NOx還原率高于50%。C₂H₂和C₂H₄作為再燃燃料時(shí)，NOx還原率比較低，即使在較小的空氣過量系數(shù)下也不超過30%。這與我們的想象相差甚遠(yuǎn)。因?yàn)镹Ox的還原主要是由于NOx與形如CH和CH₂等的碳?xì)浠�發(fā)生還原反應(yīng)的結(jié)果。而表面看來C₂H₂和C₂H₄更易于形成這樣的碳?xì)浠�，但是�?jì)算發(fā)現(xiàn)并不是這樣的。由圖3可以看出，三種燃料的再燃效果從大到小依次為CH₄、C₂H₂、C₂H₄。

圖3　空氣過剩系數(shù)對NOx還原率的影響

3.3　再燃燃料中含氮組分的影響
　　為了研究含N組分對NOx再燃的影響，在α＝0.7、再燃溫度等于1100℃的條件下研究了三種再燃燃料有、無含氮組分對NOx再燃的影響。圖4給出了在這種情況下的計(jì)算結(jié)果。由圖可見，當(dāng)再燃燃料中存在含N組分時(shí)，其再燃特性有明顯的差別。

圖4　再燃燃料中含氮組分對NO再燃特性的影響

　　尤其是對于CH₄，含氮組分的存在大大的改善了其對NOx的還原特性。使再燃時(shí)間的選擇范圍變得很寬，從而使再燃過程易于實(shí)現(xiàn)。對于C₂H₂和C₂H₄，含氮組分的存在對NOx的還原特性沒有大的影響，只是強(qiáng)化了NOx的再燃過程，增大了再燃效率。在其它空氣過量系數(shù)條件下，計(jì)算結(jié)果表明，對于CH₄，即使α＝0.9，含氮組分的存在也明顯地強(qiáng)化了NOx的再燃效果，而對于C₂H₂和C₂H₄，當(dāng)α＞0.7時(shí)，含N組分的存在反而增大了煙氣中NOx的排放量，這可能是因?yàn)樵谶@樣的情況下，含N組分容易首先與O₂反應(yīng)，被氧化形成了NOx。

3.4　再燃溫度的影響
　　為了研究再燃區(qū)溫度對NOx再燃過程的影響，在空氣過量系數(shù)α＝0.7，溫度分別為1100℃、1200℃和1300℃條件下，對再燃效果最好的甲烷進(jìn)行了NOx再燃過程的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理得到的NOx還原率與再燃區(qū)溫度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可見，再燃溫度對NOx的還原率有很大的影響。在本文的計(jì)算條件下，NOx還原率與再燃區(qū)溫度存在極值關(guān)系。當(dāng)再燃燃料為CH₄、空氣過量系數(shù)α＝0.7和［HCN］/［NO］摩爾比等于1.0時(shí)，最佳的再燃溫度位于1150℃～1200℃之間，在此溫度下NOx的還原率將達(dá)到最大值。由圖還可以發(fā)現(xiàn)，即使再燃溫度高達(dá)1300℃，NOx的還原率也可達(dá)到22.5%。但是，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到超過1400℃以后，再燃溫度繼續(xù)升高將很不利于NOx的還原，而且當(dāng)主燃料中含有燃料氮時(shí)反而會加速含N組分的氧化，使煙氣中NOx的濃度增大。

圖5　NOx還原率與再燃溫度的關(guān)系

4　結(jié)論

　　由以上的計(jì)算結(jié)果，及其分析討論可以得出以下結(jié)論：
　　(1)　在實(shí)際鍋爐中應(yīng)用再燃技術(shù)時(shí)，再燃區(qū)的空氣過量系數(shù)要嚴(yán)格控制在較小值范圍內(nèi)，本文計(jì)算結(jié)果表明，一般應(yīng)控制在α≤0.7，以達(dá)到較好的再燃效果。
　　(2)　在本文所采用的再燃燃料中，CH₄對NOx的再燃效果明顯地比C₂H₂和C₂H₄好，但必須選擇合適的再燃時(shí)間才能達(dá)到較高的NOx還原率。
　　(3)　再燃燃料中含N組分(如HCN)的存在可以改變NOx的再燃過程，并在一定的空氣過量系數(shù)范圍內(nèi)增大NOx還原率，但在較大空氣過量系數(shù)(對于CH₄-α＞0.9，對于C₂H₂和C₂H₄-α＞0.8)或較高再燃溫度(T≥1400℃)下反而會由于含N組分的氧化使煙氣中NOx濃度明顯增大。
　　(4)　再燃區(qū)溫度對NOx的還原率有較大的影響，對于特定的再燃燃料和再燃區(qū)空氣過量系數(shù)，存在一個最佳的再燃溫度，使NOx的還原率達(dá)到最大。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59606011)

作者簡介：鐘北京(1963-),男,江西瑞金人,清華大學(xué)工程力學(xué)系副教授,副主任.
郵編  100084  北京
作者單位：參考文獻(xiàn)

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