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气体燃料再燃对NOx还原的影响 一

2007-01-27
作者: 钟北京 傅维标(清华大学工程力学系)
【摘要】气体燃料再燃是研究较多的降低烟气中NOx含量最有效的方法之一。本文以典型的一次燃烧区烟气成分为模拟烟气,研究了不同的气体燃料(CH4,C2H2和C2H4)作为再燃燃料时,再燃区燃烧工况(空气过量系数和再燃温度)对NOx再燃过程和NOx还原率的影响。通过计算发现,不同组分的气体燃料、再燃区空气过量系数及再燃区温度对NOx的再燃过程和NOx还原率都有重要的'影响。

 1 引言

  自从1983年三菱重工利用再燃技术成功降低烟气中NOx排放以后[1],燃料再燃就成为降低NOx排放的诸多炉内方法中最有效的措施之一。许多研究结果表明,燃料再燃可使NOx的排放量降低50%以上[2]。在研究中发现,再燃燃料的种类对NOx的再燃率有重要的影响。在已有的报道中,气体燃料(尤其是天然气)是被认为最好、因而被采用最多的再燃燃料之一。NOx的再燃机理是燃料分解出来的碳氢基(CHi)与NOx反应,从而使NOx还原成N2。虽然稍后也有煤或煤焦作为再燃燃料的报道[3],但研究气体燃料作为再燃燃料是最为简单的,而且气体燃料也可以模拟煤作为再燃燃料时挥发份对NOx的均相反应。本文通过化学反应动力学模型的计算,研究了不同气体燃料和再燃区的燃烧工况(如温度和空气过量系数)对烟气中NOx的再燃过程和NOx还原率的影响。

2 计算模型简介

  燃料再燃又称燃料分级,实际上是把炉内燃烧过程沿炉膛高度分为如下三个不同的燃烧区(如图1所示)。第一燃烧区:这是主燃烧区,约有80%的燃烧在该区燃烧,其空气过量系数大于1.0。由于该区氧气充足,火焰温度较高,因此将形成较多的NOx。此外,如果在该区没有足够的停留时间,将有一定量的未完全燃烧产物与NOx一起进入再燃区。第二燃烧区:这是再燃区,再燃燃料在空气不足的条件下喷射到第一燃烧区的下游,形成碳氢基(CHi),从而使来自第一燃烧区的NOx还原。第三燃烧区:这是燃尽区,在该区加入空气,形成富氧燃烧区,使所有的未完全燃烧产物燃尽。

图1 再燃过程示意图

  本文计算的物理对象是第二燃烧区,即再燃区。来自第一燃烧区的模拟烟气成分为:CO2=16.8%,O2=1.95%,NO=0.1%和平衡气体N2。计算中选择了低分子量的烃类燃料作为再燃燃料,它们分别是:CH4,C2H2,C2H4。通过计算分析,研究了所选择的三种气体燃料在不同的再燃工况下对NOx还原率的影响。计算中使用了在文献[4]中进行过详细讨论的化学反应动力学模型,该模型包含30种组分的118个可逆反应(附录A)。计算中使用的再燃区空气过量系数为0.2~1.0,再燃区温度为1100℃~1300℃。

附录A 化学反应动力学机理
反应动力学常数公式:k=A.TN.exp(-E/RT)
单位:mol, m3, s, K和cal/mol

 

化学反应方程

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

.2700E+07

-.8600

.0000E+00

5

HO2+H=OH+OH

.1400E+09

.0000

.1073E+04

6

HO2+H=H2O+O

.1050E+08

.0000

.1420E+04

7

HO2+H=H2+O2

.1250E+08

.0000

.0000E+00

8

OH+HO2=H2O+O2

.7500E+07

.0000

.0000E+00

9

O+HO2=OH+O2

.1400E+08

.0000

.1073E+04

10

H+H+M=H2+M

.3020E+04

.0000

.0000E+00

11

0H+H+M=H2O+M

.1413E+12

-2.0000

.0000E+00

12

H+O+M=OH+M

.1000E+05

.0000

.0000E+00

13

OH+OH=H2O+O

.3160E+07

.0000

.1100E+04

14

CH4+O2=CH3+HO2

.6000E+08

.0000

.5500E+05

15

CH4+OH=CH3+H2O

.3467E-02

3.0800

.2000E+04

16

CH4+H=CH3+H2

.1259E+09

.0000

.1190E+05

17

CH4+O=CH3+OH

.1585E+08

.0000

.9200E+04

18

CH3+O=H2CO+H

.1288E+09

.0000

.2000E+04

19

CH3+OH=H2CO+H2

.2100E+07

.0000

.0000E+OO

20

CH3+H=CH2+H2

.2000E+08

.0000

.1240E+05

21

CH2+O2=HCO+OH

.1000E+09

.0000

.3700E+04

22

CH2+OH=CH+H2O

.2692E+06

.6700

.2570E+05

23

CH2+O=CH+OH

.1960E+06

.6700

.2500E+05

24

CH2+H=CH+H2

.2692E+06

.6700

.2570E+05

25

CH+O2=HCO+O

.1000E+08

.0000

.0000E+00

26

H2CO+OH=HCO+H2O

.7586E+07

.0000

.1700E+03

27

H2CO+O2=HCO+HO2

.3630E+10

.0000

.4606E+05

28

H2CO+H=HCO+H2

.3310E+09

.0000

.1050E+05

29

H2CO+O=HCO+OH

.5012E+08

.0000

.4600E+04

30

HCO+O2=CO+HO2

.3981E+07

.0000

.7000E+04

31

HCO+H=H2+CO

.2000E+09

.0000

.0000E+OO

32

HCO+OH=CO+H2O

.1000E+09

.0000

.0000E+00

33

HCO+O=OH+CO

.1000E+09

.0000

.0000E+00

34

CO+OH=CO2+H

.1500E+02

1.3000

-.7700E+03

35

CO+O+M=CO2+M

.5888E+04

.0000

.4100E+04

36

CO+H+M=HCO+M

.5000E+OO

1.0000

.1550E+04

37

O+O+M=O2+M

.4677E+04

-.2800

.0000E+00

38

N+N+M=N2+M

.2500E+04

.0000

.0000E+00

39

N2+O=NO+N

.1300E+09

.0000

.7550E+05

40

N+O2=NO+O

.6300E+04

1.0000

.6250E+04

41

N+OH=NO+H

.5000E+06

.5000

.5000E+04

42

HCN+OH=CN+H2O

.1450E+08

.0000

.1093E+05

43

HCN+H=CN+H2

.2000E+06

.6900

.1840E+05

44

HCN+O=CN+OH

.2700E+04

1.5800

.2660E+05

45

HCN+OH=HNCO+H

.4000E+06

.0000

.0000E+00

46

NH3+H=NH2+H2

.6360E+00

2.3900

.1017E+05

47

NH3+O=NH2+OH

.1300E+07

.0000

.6000E+04

48

NH3+OH+NH2+H2O

.3300E+07

.0000

.2200E+04

49

CN+O2=NCO+O

.5600E+07

.0000

.0000E+00

50

CN+OH=NCO+H

.5600E+08

.0000

.0000E+00

51

NCO+H=NH+CO

.2000E+08

.0000

.0000E+00

52

HNCO+H=NH2+CO

.1000E+08

.0000

.0000E+00

53

NH2+H=NH+H2

.5000E+06

.5000

.2000E+04

54

NH2+O=NH+OH

.2000E+08

.0000

.1000E+04

55

CN+O=N+CO

.6310E+06

.5000

.0000E+00

56

NH+OH=N+H2O

.5000E+06

.5000

.2000E+04

57

NH2+O+OH=NO+H+H2O

.6630E+09

-.5000

.0000E+00

58

NH+H=N+H2

.1000E+07

.6800

.1900E+04

59

NH+O=NO+H

.5000E+06

.5000

.5000E+04

60

NH+OH+OH=NO+H+H2O

.2000E+08

.0000

.0000E+00

61

N2+CH=HCN+N

3000E+06

.0000

.1360E+05

62

N2+CH2=HCN+NH

.1000E+08

.0000

.7400E+05

63

NO+NH=N2+OH

.2400E+07

.0000

.0000E+00

64

NO+CH2=HCN+OH

.1000E+09

.0000

.1200E+05

65

NO+NH2=N2+H2O

.1260E+11

-1.2500

.0000E+00

66

NH+N=N2+H

.6300E+06

.5000

.0000E+00

67

NH+O2=NO+OH

.7600E+05

.0000

.1530E+04

68

C2H4+M=C2H2+H2+M

.2950E+12

.0000

.7929E+05

69

C2H4+O=CH3+HCO

.3300E+07

.000

.1130E+04

70

C2H4+OH=H2CO+CH3

.2000E+07

.0000

.9600E+03

71

C2H4+O=H2CO+CH2

.2500E+08

.0000

.5000E+04

72

C2H2+OH=CH3+CO

.1200E+07

.0000

.5000E+03

73

C2H2+O=CH2+CO

.6760E+08

.0000

.4000E+04

74

CH4+M=CH3+H+M

.2000E+12

.0000

,8840E+05

75

CH3+OH=CH2+H2O

.7500E+01

2.0000

.5000E+04

76

CH3+OH=H2CO+H+M

.5300E+07

.0000

.0000E+00

77

CH4+HO2=CH3+H2O2

.1800E+06

.0000

.1870E+05

78

H2O2+OH=H2O+HO2

.1000E+08

.0000

.1800E+04

79

H2O2+O2=HO2+HO2

.3981E+08

.0000

.4264E+05

80

H2O2+M=OH+OH+M

.1300E+12

.0000

.4550E+05

81

H2O2+H=HO2+H2

.1698E+07

.0000

.3750E+04

82

H2CO+HO2=HCO+H2O2

.1000E+07

.0000

.8000E+04

83

H2O2+H=H2O+OH

.3200E+09

.0000

.8900E+04

84

H2O2+O=HO2+OH

.2800E+08

.0000

.6400E+04

85

H2O2+O=H2O+O2

.1400E+08

.0000

.6400E+04

86

HNCO+M=NH+CO+M

.1140E+11

.0000

.8680E+05

87

NO+CH=HCN+O

.1100E+09

.0000

.0000E+00

88

NCO+O=NO+CO

.2000E+08

.0000

.0000E+00

89

NCO+H2=HNCO+H

.8580E+07

.0000

.9000E+04

90

NH2+OH=NH+H2O

.4000E+01

2.0000

.1000E+04

91

HCN+O=NH+CO

.3450E-02

2.6400

.4980E+04

92

HCN+O=NCO+H

.1380E-01

2.6400

.4980E+04

93

CH3+N=HCN+H+H

.3000E+09

.0000

.2200E+05

94

CH2+N=HCN+H

.5000E+08

.0000

.0000E+00

95

N2+O+M=N2O+M

.1820E+02

.0000

.2140E+05

96

N2O+O=NO+NO

.1995E+08

.0000

.2170E+05

97

N2O+O=N2+O2

.1660E+08

.0000

.2090E+05

98

N2O+H=N2+OH

.7600E+08

.0000


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