不同煤种燃烧过程中NO x 形成规律的数值模拟与分析

刘建红，任晓平，张自国

（长春工程学院能源与动力工程学院，长春 130012）

0 引言

NOx是一种危害人体健康，破坏大气环境的污染物，燃煤电站锅炉是NOx的主要排放源。2000年全国电站锅炉NOx的平均排放质量浓度为750 mg/Nm3，NOx排放总量为258.02万t，2010年NOx排放总量比2000年增长336万t左右。按照我国2004年火电厂大气污染物排放标准规定，1 000 t/h以上的固态排渣煤粉锅炉NOx排放标准为450 mg/Nm3。根据调查（按2002年为6%计算）固态排渣煤粉炉NOx的平均排放量为600～1 200 mg/Nm3［1］。随着国家对环保的日益重视，我国对火电厂的污染物排放控制也将更加严格。所以，对煤燃烧过程中NOx的生成机理以及其控制方法开展研究，对促进国民经济的发展和改善生态环境具有重要的现实意义。

锅炉内的煤粉燃烧是一个复杂的物理、化学过程，它涉及到多相流动、传热传质和燃烧等多个学科。加深了解煤粉燃烧过程中NOx的生成机理，对控制燃烧过程中的NOx排放至关重要。在煤粉燃烧过程中产生的NOx主要有3种，即热力型、快速型和燃料型NOx。本文通过查阅大量的文献，发现电厂中生成快速型NOx很少，可以忽略不计，所以本文采用数值模拟方法研究不同煤种燃烧过程中NOx的生成，分析煤燃烧过程中NOx的形成机理及其影响因素，综述现代电厂中采用的低NOx燃烧的控制技术。

1 数学模型

数值模拟的第一步是由燃烧过程所遵循的基本定律：质量守恒定律、牛顿第二定律、能量转换和守恒定律、组分转换定律等，构造基本守恒方程，即连续方程、动量方程、能量方程、组分方程等。对于所有的流动问题进行数值计算，都需要求解连续性方程和动量守恒方程。当流动是湍流时，还要求解附加的输运方程。对于包含传热的流动，需要求解能量守恒方程。对于包含组分混合和化学反应的流动，需要求解组分守恒方程来求解混合分数的守恒方程。

1.1 连续性方程

式中：ρ——质量密度，kg/m3；

t——时间，s；

V——速度矢量，m/s。

1.2 动量守恒方程

式中：μ——动力粘度系数，Pa·s；

p——燃烧炉内压力场，Pa。

1.3 能量守恒方程

式中：ht——比焓，J/kg；

λ——导热系数，w/（m·k）；cp——定压比热，J/（Kg·k）。

由于燃烧炉的气体流动属于湍流流动，故采用κ－ε湍流流动模型进行计算。

1.4 化学组分守恒方程

式中：Yi——质量分数；

u——扩散速度；D——扩散系数；˙m″——质量通量。

2 几何模型和数值计算方法

2.1 几何模型

本文参照一维沉降炉［2］实际尺寸建立几何模型如图1所示，直径50 mm，高度1.2 m的二维图形，网格为10万左右的规则网格。边界条件为速度入口、压力出口和壁面边界条件，空气和煤粉从速度入口进入，然后从压力出口流出。

图1 几何模型

2.2 数值计算方法

本文对高挥发分煤（coal－hv）、中挥发分煤（coal－mv），低挥发分煤（coal－lv）3种煤种在燃烧温度分别为1 527℃、1 627℃的高温沉降炉内燃烧的NOx生成进行数值模拟研究，采用κ－ε模型模拟气相湍流输运及气相湍流燃烧。采用离散传播法计算辐射换热。对煤粉的挥发分释放采用双平行反应模型，对颗粒的湍流扩散采用随机轨道模型，对焦炭的燃烧采用扩散动力模型。对气相控制方程组采用SIMPLER算法，差分格式使用混合上风格式。颗粒相的计算采用拉氏方法，气相—颗粒相间的耦合采用PSIC算法实现。

在NOx的生成模型中，对于热力NOx的生成采用Zeldovich机理［3］进行计算，对燃料NOx的生成，采用 De′Soete［4］提出的总体反应速率模型进行计算。计算中主要考虑湍流脉动对燃料NOx生成速率的影响，即考虑湍流脉动对反应速率RHCN→NO和RNO→N2的影响。采用β函数型概率密度函数（β－pdf）来求出RHCN→NO和RNO→N2的时平均值RHCN→NO和RNO→N2。

3 计算结果的分析与讨论

3.1 燃料型NO x研究

图2分别是高挥发分煤（coal－hv）、中挥发分煤（coal－mv），低挥发分煤（coal－lv）在燃烧温度为1 527℃下燃烧生成NOx质量浓度比较，通过模拟可以发现高质量浓度的NOx几乎都是在距离入口0～0.2 m的范围内生成的，经过计算得出，hv的质量浓度范围为0～0.046%，mv的质量浓度范围为0～0.064%，lv的质量浓度范围为0～0.039%，所以中挥发分煤（coal－mv）生成的NOx最多。

图2 hv，mv，lv在1 527℃燃烧时生成的NO x的质量含量比较

煤在燃烧过程中首先经过热解反应，在热解的初期，煤迅速脱除挥发分，其中包括碳氢化合物、焦油等。煤中的N一部分随挥发分释放出来，另一部分残留在焦炭中，并随焦炭的燃烧释放出来。挥发分－N经过一系列反应生成NO、N2和N2O，这时进行的是气气同相反应；固—态的焦炭与烟气中的氧气进行反应，焦炭－N经过一系列反应生成NOx、N2和N2O，这时进行的是固—气的异相反应。图2为煤中含有的N元素进行均相和异相的氧化和还原反应的最终结果。

由于电厂中生成的快速型NOx很少，可以忽略不计，煤粉燃烧排放的NOx中约有95%来源于燃料型NOx［5］，因此研究燃料型NOx的生成和还原机理，对控制NOx排放显得尤其重要［6］。煤粉中氮元素的质量浓度一般都在0.8%～2%左右，与煤的等级没有明显的相关性。燃料型NOx的生成机理非常复杂，因为燃料型NOx的生成和还原过程不仅和煤种特性、结构、燃料中的N受热分解后在挥发分和焦炭中所占的比例、成分和分布有关，而且大量的反应过程还和燃烧条件，如运行温度和氧气质量浓度等密切相关。

图3分别是高挥发分煤（coal－hv）、中挥发分煤（coal－mv），低挥发分煤 （coal－lv）在燃烧温度为 1 800 K的炉膛温度比较，经过计算得出，hv的炉膛温度范围为1 527～3 020℃，mv的温度范围为1 527～3 229℃，lv的温度范围为1 527～2 965℃。比较图2的结果，可以得出燃料型NOx的形成与燃烧温度关系不大，因为燃料型NOx的生成量，取决于系列反应中燃料N是氧化成NOx还是被还原成N2。研究表明，燃料型NOx质量浓度，在还原性气氛中较少，在氧化性气氛中较高，并随着燃料量的增加而明显地增加。综上所述，影响燃料型NOx生成的影响因素有：

（1）燃料N含量增加，则中间产物增加，NOx的生成量随之增加。

（2）热分解温度提高，释放出的中间产物增多，NOx质量浓度增加。

（3）煤燃烧是部分扩散火焰，在常规燃烧条件下，NOx的生成量随着空气过剩系数α的增大而增加。

（4）燃烧区中，若氧气充足，释放出的N停留时间越长，则生成NOx越多；反之，若氧气缺乏，延长在燃烧区中的停留时间，使NOx与中间产物反应充分，因而使NOx量减少。因此，使用低N含量燃料，实施缺氧燃烧，延长燃烧产物在还原区的停留时间，可以有效地控制燃料型NOx的生成［1］。

图3 hv，mv，lv在入口温度1 527℃燃烧时炉膛温度比较

3.2 热力型NO x研究

图4为不同煤种生成NOx的生成速率比较，图5为不同温度生成NOx的生成速率比较，图4的数值模拟计算结果为：在燃烧温度为1 527℃时，hv的热力型NOx生成速率的范围为－125～475，lv热力型NOx生成速率的范围为的－84～365。图5的数值模拟计算结果为：在燃烧温度为1 527℃时，hv的热力型NOx生成速率的范围为－125～475，1 627℃时的热力型NOx生成速率的范围为2 102～44 042。因此可以得出结论：热力型NOx的形成很大程度上依赖于温度而不是燃料的种类，温度升高100℃，温度型NOx形成速率就翻倍，且基本上成指数关系。

图4 hv，lv在燃烧温度为1 527℃热力型NO x的生成速率比较

图5 hv在燃烧温度为1 527℃，1 627℃热力型NO x生成速率比较

热力型NOx是由空气中的N2在高温下氧化生成的。其形成机理是由前苏联科学家捷里道维奇提出的，被称为广义Zeldovich机理［3］，其生成的多少主要依赖于燃烧区域的温度水平和氧质量浓度，影响因素有：

（1）温度对热力型NOx的生成有决定性的影响。由于生成NOx的活化能（565 kJ）非常大，反应速度与温度变化密切相关。当燃烧温度低于1 500℃，热力型NOx生成量非常少；温度超过1 500℃，反应速度将剧增，NOx生成量随温度升高而急剧增加。因此，适当降低燃烧区域的温度，避免出现局部温度峰值，可以显著减少NOx的生成量。

（2）缩短燃烧产物滞留高温区的时间。实际燃烧中，高温火焰内的氧原子已经超过平衡质量浓度，为空气中N的氧化提供了条件。若反应混合物滞留时间长，会使NOx质量浓度迅速增加。因此，控制燃烧产物在高温区的滞留时间，可以减少NOx的生成和控制最终的烟气成分。

（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峰值。理论上当空气过剩系数α＝1时，NOx的质量浓度最高。当α＜1时，NOx的质量浓度随氧的质量浓度增加而提高，因为氧原子的数量增加；当α＞1时，NOx的质量浓度随氧的质量浓度增加而降低，这是由于氧的稀释使燃烧温度下降［1］。

3.3 控制NO x排放的技术措施

电厂中控制NOx排放的技术措施可以分为一次措施和二次措施。所谓一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量；二次措施是将已经生成的NOx通过某种技术手段从烟气中脱除掉。由此发展起了2大类降低NOx的技术，即低NOx燃烧技术和烟气处理NOx技术。具体的技术措施见图6。

图6 控制NO x排放的技术措施

4 结语

燃煤过程对大气造成的污染正日益引起人们的关注，控制NOx的排放是煤燃烧利用研究中亟需解决的课题。本文采用数值模拟方法，研究了不同煤种在不同温度下燃烧生成NOx的影响，并探讨了降低NOx的途径，对促进国民经济的发展和改善生态环境具有重要的现实意义。

［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，2009：28－31.

［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.Proc 15th Symposium （International）on Combustion［J］.The Combustion Institute，Pittsburgh，PA，1975：1093－1102.

［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 NOxE－missions from Pressurized Fluidized Bed Combustion Parameter Study［J］.Chemical Enoineering Science，1997，52（11）：1715－1731.