煤种对NOx生成影响的数值研究

刘建红，商福民

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

煤种对NOx生成影响的数值研究

刘建红，商福民

(长春工程学院能源动力工程学院，长春 130012)

燃煤过程产生的污染物对大气造成的影响越来越严重，控制NOx排放是解决环境污染的重要研究方向。采用数值模拟方法，研究入口温度分别为1 526 ℃、1 626 ℃，不同煤种在炉膛内的燃烧过程，并对燃烧过程中生成的NOx影响因素进行分析。结果表明：中挥发分煤(mv)燃烧生成的NOx最多，低挥发分煤(lv)燃烧生成的NOx最少；热力型NOx的生成与温度有很直接的关系，其计算结果可为今后的工业性实验提供理论依据。

煤粉燃烧；NOx形成机理；控制技术；数值模拟

0 引言

煤粉燃烧被广泛用于电站锅炉、工业锅炉还有其他能源转换装置，但是煤粉燃烧释放出氮的氧化物(NOx)，其对环境的污染越来越引起人们的关注。经研究发现，氮氧化物可引起人的呼吸系统疾病，对儿童来说，氮氧化物可能会造成肺部发育受损。另外，以NO和NO2为主的NOx是形成光化学烟雾和酸雨的一个重要原因[1]。光化学烟雾具有特殊气味，刺激眼睛，伤害植物，并能使大气能见度降低；NOx与空气中的H2O反应生成的HNO3和HNO2是形成酸雨的成分，所以，研究煤燃烧过程中NOx的生成机理以及其控制方法对国民经济十分重要。本文采用数值模拟方法，模拟高挥发分煤(coal-hv)、中挥发分煤(coal-mv)、低挥发分煤(coal-lv)在1 526 ℃，1 626 ℃下的燃烧过程，分析影响NOx的生成因素。

1 数学模型

本文求解NO组分的质量输运方程，同时考虑了NO及相关组分的对流、扩散、生成和消耗。对于热力型和快速型NOx生成机理，仅求解NOx组分的输运方程，对于燃料型NOx，还求解HCN或NH3组分的输运方程。

1.1 连续性方程

(1)

1.2 质量守恒方程

(2)

式中：ρ为质量密度；t为时间；V为速度矢量。

1.3 动量守恒方程

(3)

式中：μ为黏度系数；P为燃烧炉内压力场。

1.4 能量守恒方程

(4)

式中：ht为比焓；λ为导热系数；cρ为比定亚热容。采用κ-ε湍流模型来求解炉内气体湍流流动。

1.5 化学组分守恒方程

(5)

2 几何模型和数值计算方法

2.1 几何模型

由于煤粉燃烧是一种复杂的气固两相流，所以即使使用三维的湍流模型也很难得到精确的结果，本文按照文献[2]建立二维几何模型，使用一种简化的NOx化学反应模型，其优势在于帮助我们易于理解物质输送与反应方面的物理意义。如图1所示，炉内直径0.05 m，高度1.2 m，网格数为10万左右，网格类型为四边形网格，采用分区方式对炉膛高温燃烧区域进行了局部网格加密技术，大约生成20多万网格。

图1 几何模型

2.2 数值计算方法

本文模拟入口燃烧温度分别为1 526 ℃，1 626 ℃时，不同煤种在高温沉降炉内NOx的生成过程。除了研究热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx的生成，还研究NO再燃和N2O中间反应以及湍流化学反应对NOx生成的影响。解算器为二维、非稳态、分离隐式，辐射模型为P1模型。3种反应物质分别为NO、N2和CO，在燃烧过程中分别考虑多组分扩散、热力扩散、体积反应和颗粒表面反应的影响。混合物密度采用不可压缩气体，混合物黏性计算使用质量平均混合定律。对于热力NOx的生成采用Zeidovich机理[3]进行计算，对燃料NOx的生成采用DeSoete[4]提出的总体反应速率模型进行计算。由于考虑湍流脉动对RHCN→NO和RNO→N2的反应速率影响，故采用β函数型概率密度函数(β-pdf)来求出NO和N2的平均值。

3 计算结果的分析与讨论

3.1 总NOx生成研究

图2为入口燃烧温度为1 526 ℃下高挥发分煤(coal-hv)、中挥发分煤(coal-mv)、低挥发分煤(coal-lv)燃烧生成NOx总质量浓度。从图中可以看出：3种煤粉燃烧在沉降炉入口处形成90%的NOx，几乎都是在距离入口0～0.22 m的范围内生成的，也就是说煤粉在进入炉内，遇到高温氧气快速燃烧，形成大量的NOx，经过计算得出，高挥发分煤(coal-hv)的总NOx最高质量浓度可达4.7%，中挥发分煤(coal-mv)的总NOx最高质量浓度为6.6%，低挥发分煤(coal-lv)的总NOx最高质量浓度为4.1%，结果发现中挥发分煤(coal-mv)生成的总NOx最多。高挥发分煤(coal-hv)次之，低挥发分煤(coal-lv)最少。

图2 hv,mv,lv在1 526 ℃燃烧时生成的NOx总的质量含量比较

经研究发现，煤在燃烧过程中首先经过热解反应，在热解初期，煤粉中的挥发分迅速析出。煤中的N一部分随挥发分释放出来，另一部分则残留在焦炭中，随焦炭燃烧析出。挥发分中的氮经过气体同相反应生成NO、N2和N2O；焦炭与烟气中的氧气进行反应的同时焦炭N经过固气的异相反应生成NOx、N2和N2O[5]。所以说图2是煤中含有的所有的氮元素进行同相和异相的氧化和还原反应的最终结果。

图3是不同煤种在同一入口燃烧温度下的炉膛内温度比较，经过计算得出，3种煤种进入炉膛迅速燃烧，高温区主要聚集在炉膛上半部，其中近壁面位置温度最高，其中中挥发分煤(mv)在炉膛内燃烧释放的热量最多，经计算得出：高挥发分煤(hv)的炉膛温度最高为3 020 ℃，中挥发分煤(mv)的炉膛最高温度为3 229 ℃，低挥发分煤(lv)的炉膛温度最高为2 965 ℃。

图3 hv,mv,lv在入口温度1 526 ℃燃烧时炉膛温度比较

经研究发现，生成的NOx绝大部分为燃料型NOx，大约占95%，主要来源于燃料中的氮和空气中的氮，所以，控制燃料型NOx的生成对环境影响具有重要意义，研究发现燃料型NOx生成的影响因素主要有：1)燃料中的氮含量越高会导致中间产物增加，生成的NOx也就越多。2)随着燃烧温度提高，生成的中间产物越多，生成的NOx也就越多。3)由于煤燃烧是部分扩散火焰，在常规燃烧条件下，空气过剩系数α增大，生成的NOx越多。4)在高温燃烧区域，NOx的生成量与氧的质量浓度、停留时间有直接的关系，研究发现，氧的质量浓度越大，停留时间越短，生成的NOx量就越多，因此，尽量使用含N少的煤种，低贫氧燃烧，尽可能使烟气在炉膛内停留时间过长，这样生成的NOx量就会被中间产物还原一部分，由此就能减少燃料型NOx的生成。

3.2 热力型NOx比较

图4为不同煤种相同入口燃烧温度下生成热力型NOx的生成速率当量比，从图4可以看出：2种煤种生成的热力型NOx主要集中在炉膛入口处的高温燃烧区域，当入口燃烧温度为1 526 ℃时，hv的热力型NOx生成速率当量比最低为-124，最高生成速率当量比为476，而相同条件下lv热力型NOx生成速率当量比最低为-83，最高生成速率当量比为366，由此得出热力型NOx的形成与燃料的种类没有直接的关系。

图5为高挥发分煤种(hv)在不同入口燃烧温度下的热力型NOx生成速率当量比，从图5可以看出：高挥发分煤种生成热力型NOx的反应主要集中在炉膛入口处的高温燃烧区域，并且随着燃烧温度的增加，热力型NOx的生成量也增大，通过计算得出入口燃烧温度为1 526 ℃时，hv的热力型NOx生成速率当量比最低为-125，最高生成速率当量比为475，在入口燃烧温度为1 626 ℃下的热力型NOx生成速率当量比最低为2 102，最高生成速率当量比为36 644 042，因此，可以得出结果：燃烧温度越高，热力型NOx形成速率就越高，且呈倍数增长。

图4 Hv,lv,在1 526 ℃下燃烧热力型NOx生成速率当量比

前苏联科学家捷里道维奇提出空气中的N2在高温下氧化生成热力型NOx，被称为Zeldovich机理[3]，指热力型NOx主要与燃烧区域的温度和氧质量浓度有关，影响因素主要有：

1)热力型NOx主要与温度有关。由于生成NOx的活化能为565 kJ，其反应速度与温度变化密切相关。当煤粉低于1 500 ℃燃烧时，生成的热力型NOx非常少；温度超过1 500 ℃，热力型NOx就会急剧增加，且呈指数增加。因此，适当降低燃烧区域温度，避免出现局部高温，可以明显地控制NOx的生成。[6]

图5 hv在1 526 ℃,1 626 ℃下燃烧热力型NOx生成速率当量比

2)缩短燃烧产物在炉膛高温区域的停留时间。当煤粉燃烧过程中高温区域火焰内的O原子高于平衡质量浓度的，很容易氧化空气中氮。若反应混合物在高温区停留时间越长，生成的NOx就会越多。因此，缩短燃烧产物在高温区域的停留时间，可以抑制NOx的生成。

3)反应混合物中氧质量浓度。NOx的生成量与氧质量浓度的关系存在一个最佳值。理论上当空气过剩系数α为1时，NOx的质量浓度最高。当α<1时，氧的质量浓度越高，生成的NOx的质量浓度越高；当α>1时，氧的质量浓度越低，生成的NOx的质量浓度越高，这是因为氧的稀释使燃烧温度下降[1]。

4 结语

随着大气污染越来越严重，人们对于燃煤过程产生的NOx也越来越关注。本文模拟了入口燃烧温度分别为1 526 ℃，1 626 ℃时，高挥发分煤(coal-hv)、中挥发分煤(coal-mv)，低挥发分煤(coal-lv)在燃烧过程NOx的生成，并分析和归纳了对燃烧过程中的NOx生成的影响因素。结果表明：中挥发分煤(mv)燃烧生成的NOx最多，低挥发分煤(lv)燃烧生成的NOx最少；热力型NOx的生成与燃烧种类没有直接关系，与温度升高身高呈正比。

[1] 刘峰,左宁心.大型煤粉锅NOx的生成机理及其控制方法[J].中国科技信，2008(23):75-79.

[2] 张聚伟.高温条件下NO—焦炭反应动力学的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.

[3] Zeldovich YB.The oxidation of nitrogen in combustion and explosions[J].Acta Physicochem USSR 1946,21:577-628.

[4] DeSoete G G.Overall reaction rates of NO and N2formation from fuel nitrogen[C]//Proc 15th Symposium(International) on Combustion.PA:The Combustion Institute,1975，15(1):1093-1102.

[5] 刘海峰,刘银河,刘艳华,等.煤热解过程中含氮气相产物转化规律的实验研究[J].燃料化学学报,2008,36:134-138.

[6] Anker Jensen,Jan Erik Johnsson.Modelling of NOxemissions from pressurized fluidized bed combustion parameter study[J].Chemical Enoineering Science,1997,52(11):1715-1731.

The Numerical Study on Influence to NOxby Coal

LIU Jian-hong，et al.

(SchoolofEnergy&PowerEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

The atmospheric pollution caused by coal combustion is increasingly concerned，so the controlling NOxemissions is becoming a very important issue to resolve during the coal combustion process.In this paper，numerical simulation has been performed to investigate the NOxdischarge during different coals under different combustion temperatures of 1 526 ℃、1 626 ℃ respectively.The influencing factors to NOxformation have been analyzed and summarized.Simulation results show that：the middling-volatile coal (mv) combustion generates the most NOx；the low-volatile coal (lv) combustion generates the least NOx；the thermal NOxgeneration has a direct relationship with the temperature，and the algorithm results can provide a theoretical basis for future industrial experiment.

coal combustion；information mechanism of NOx；discharge control measure；numerical simulation

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.01.017

2016-10-13

刘建红(1979-)，女(汉)，河北保定，硕士 主要研究强化传热的实验和数值模拟。

TK124

A

1009-8984(2017)01-0067-04