温度对NOx 生成影响的数值模拟

刘建红

（长春工程学院能源与动力工程学院，长春130012）

0 引言

随着我国经济的持续发展，能源消耗逐年增加，NOx的排放量也迅速增加，如何有效地控制NOx生成已经成为人们普遍关注的焦点。目前，对于煤粉燃烧过程中的NOx生成已经开展了很多研究工作，周欢等人［1］通过浓淡燃烧过程中NOx形成的数值模拟，发现浓淡燃烧能够有效降低天然气燃烧过程中NOx生成，尤其是采用合理的一次空气系数的配比，能够更有效地降低NOx的排放；吴碧君等人［2］对氮氧化物的生成机理进行了进一步的解析，对今后的研究提供了更多的方便；蒋扬虎等人［3］对NOx的危害、燃烧过程中NOx生成机理及抑制方法进行了叙述，并对降低NOx的途径进行了探讨；谢冲明［4］论述了燃烧过程中NOx形成机理与控制技术；付国民［5］对低挥发分煤在采用分级燃烧情况下的高效低NOx燃烧措施进行了分析研究，通过对氮氧化物的生成机理分析，阐述了燃烧过程中控制NOx生成和降低排放量的原则，探讨了目前相关的低NOx燃烧技术；申红芳［6］论述了煤燃烧过程中氮氧化物（NOx）的生成机理、抑制原理、抑制技术及进展；丁永航［7］介绍了NOx的3种生成机理以及影响NOx生成的因素，并阐述了目前较为普遍的抑制NOx生成的燃烧技术及其特点；北京的徐有宁等人［8］开发了一种抑制氮氧化物排放的无烟燃煤技术，同时也对其所在的窑炉进行了改造并投入了应用；李玉云等人［9］对含氮氧化物废气的治理技术与发展进行了研究，这对环境的优化有着积极意义。本文在以往工作的基础上［10］，采用数值模拟方法研究不同燃烧温度下的NOx的生成，分析煤燃烧过程中NOx的形成机理及其影响因素，并对其控制技术进行了总结与归纳。

1 几何模型和数值计算方法

1.1 几何模型

本文的数值模拟研究工作建立在实验（小型的煤粉携带流反应器）的基础上，建立的二维几何模型及边界条件如图1所示，高为1.2m，宽为0.05m，上边又分为3部分，边界条件分别设为空气的速度入口边界条件和煤粉的速度入口边界条件，设置网格节点总数为150个，对应着下边设为压力出口边界条件，节点总数设置为150个，左右两边为壁面边界条件，节点总数均为1 000个，所以图形的网格数大约为15万个的规则矩形网格。

图1 几何模型

试验煤种的燃料特性见表1。

表1 煤样的煤质分析

1.2 数值计算方法

本文对煤粉在炉膛内燃烧的化学反应进行了数值模拟。煤粉燃烧的模拟包括气相连续流场的建模和它与煤粒非连续相的作用的建模。穿过气体的煤粒会挥发燃烧并成为与气相反应的燃料源。组分混合和化学反应采用组分输运模型（the species transport）进行计算，燃烧模型采用非预混燃烧模型即混合分数求解输运方程，湍流化学反应是用Beta法概率密度函数来模拟的，在计算过程中采用两方程κ－ε模型模拟气相湍流输运及气相湍流燃烧。传热过程采用离散传播法计算辐射换热。在燃烧过程中煤粉的挥发分释放采用双平行反应模型，颗粒的湍流扩散采用随机轨道模型，焦炭的燃烧采用扩散动力模型，气相控制方程组采用SIMPLR算法，差分格式使用混合上风格式。

2 计算结果的分析与讨论

NOx大多在各种燃料的燃烧过程中产生，其中NO约占NOx总量的90%～95%，根据燃烧过程的特点和NOx生成途径的差异，将NOx分为瞬时型、热力型、燃料型3种。由于低挥发分的煤粉中元素H的含量随碳化程度的加深越来越少，因而对于燃用低挥发分煤粉的情况更可以忽略这部分的瞬时NOx的生成份额。

2.1 不同燃烧温度对热力型NOx生成的影响

图2为不同燃烧温度下的热力型NOx生成速率，从图中可以看出：炉膛中上部的区域NOx生成速率比较大，数值模拟计算结果为：在燃烧温度为1 500K时，热力型NOx生成速率的范围为（－0.031～35.4），1 600K时热力型NOx生成速率的范围为（－0.384～47.1），1 700K时热力型NOx生成速率的范围为（－0.327～68.99），1 800K时热力型NOx生成速率的范围为（－1.61～96.61）。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，且基本上成指数关系。

图2 燃烧温度分别为1 500K，1 600K，1 700K，1 800K热力型NOx生成比较

热力型NOx是燃烧时空气中的N2和O2在高温下生成的NO、NO2的总和，表2列出了热力型NOx生成反应在不同温度下的平衡常数。

表2 热力型NOx的平衡常数

由表2中的反应式可见，当温度低于1 500K时，其Kp很小，生成的NOx的分压（质量浓度）很小，表明热力型NOx是在温度高于1 500K时产生的，并随着温度的升高而增多。表2右侧反应说明随着温度的升高，NO氧化成NO2的份额减少，当温度升高到1 500K以后，大量的NO2分解为NO。从本文的研究结果看，本文采用低挥发分煤在炉膛内的燃烧模拟结果来看，NOx的生成趋势与以往的研究结果是一致的，其生成量是随着燃烧温度的升高呈正比关系的。

热力型NOx产生的主要条件是高的烧温度使氮分子游离增加化学活性，其次是高的氧气的质量浓度，要减少热力型NOx的生成，因此可以采取以下措施：（1）减少燃烧最高温度区域范围；（2）降低锅炉燃烧的峰值温度；（3）降低燃烧的过量空气系数和局部氧气的质量浓度。

2.2 不同燃烧温度对燃料型NOx生成的影响

图3为不同燃烧温度下的燃料型NOx生成速率，数值模拟计算结果为：在燃烧温度为1 500K时，燃料型NOx生成速率的范围为（－28.91～7.93），1 600K时NOx生成速率的范围为（－38.37～5.79），1 700K时NOx生成速率的范围为（－45.69～5.36），1 800K 时 NOx生成速率的范围为（－53.45～4.51）。速率为负表示 NOx的还原速率，因此可以得出结论：随着温度的升高，燃料型NOx的生成速率是降低的，还原速率是升高的。

图3 燃烧温度分别为1 500K，1 600K，1 700K，1 800K燃料型／NOx生成比较

燃料型NOx生成机理如图4所示，煤粉燃烧过程中，首先发生热解挥发分析出，煤中的N一部分随挥发分析出（Volatile nitrogen），一部分留在焦碳中（char nitrogen）。挥发分N随着其燃烧而形成中间产物（HCN、NH3）和焦油以及直接燃烧产物NO等，焦炭中的N元素在燃烧过程中以－CN的基团形式与O、NO等反应，同时在焦炭的催化作用下形成NO、N2等，对于高挥发分烟煤在挥发分燃烧阶段生成的NO可以在后一阶段部分得到还原。挥发分燃烧与焦碳燃烧这2个阶段的NO的转换率受许多条件的控制，如煤种、氧气的质量浓度、煤粉燃烧过程中的焦炭的粒度、焦炭颗粒对NOx的催化作用、焦碳周围的气体环境等，但对于烟煤来说总的NOx的转换率是由挥发分、焦炭2个阶段的NOx生成量和焦炭表面上NOx的还原量决定的。

混合物质的质量浓度分布的显示表明了从煤中释放的碳以及挥发分存在于气相中的什么地方。从图5可以看出，随着燃烧温度的增加，混合物质的质量分数越来越多，其中主要分布在炉膛中下部。经过计算得出，燃烧温度为1 500K的质量浓度为（0～0.157 9），燃烧温度为1 600K的质量浓度为（0～0.181 3），燃烧温度为1 700K的质量浓度为（0～0.185 8），燃烧温度为1 800K的质量浓度为（0～0.213 1）。从而得出结论，随着燃烧温度的增加，从煤中释放出来的混合物质越多，含N气体也就越多。

图4 燃料型NOx生成机理示意图

图5 燃烧温度分别为1 500K，1 600K，1 700K，1 800K混合物质的质量浓度比较

煤中大多数的N都是以芳香环的结构存在的。它们主要包括吡啶，吡咯和胺等。当煤加热后，煤中的N和挥发分一起进入气相。随着温度的升高，脂肪族和杂环的键开始破裂，N的释放速率增大。煤中的含N组分以HCN和NH3的形式参与气相化学反应，形成污染物NOx。

经过计算得出：燃烧温度为1 500K时，煤粒在炉膛的平均停留时间大约为5.919e－2s，区域内的挥发分的转化率为100%，碳的转化率为0.77%；燃烧温度为1 600K时，煤粒在炉膛的平均停留时间大约为5.984e－2s，区域内的挥发分的转化率为100%，碳的转化率为1.16%；燃烧温度为1 700K时，煤粒在炉膛的平均停留时间大约为6.085e－2s，区域内的挥发分的转化率为100%，碳的转化率为1.25%；燃烧温度为1 800K时，煤粒在炉膛的平均停留时间大约为6.160e－2s，区域内的挥发分的转化率为100%，碳的转化率为1.20%。从而得出结论：随着燃烧温度的增高，煤粒在炉膛的平均停留时间增大，碳的转化率也是提高的，氮氧化物的氮来源是燃料和空气，所以，NOx的生成量既与燃烧温度有关，也与混合气体在高温区停留的时间及挥发分和碳的转化率有关。

2.3 控制NOx排放措施

为了降低NOx排放质量浓度，使排放的NOx符合环保标准，现在方法可分为2类：一是控制在燃烧过程中NOx生产量的方法，称为低NOx燃烧技术；另一类则是降低在烟气中已生成的NOx的烟气处理方法。

低NOx燃烧技术是降低燃煤NOx排放的最主要也是比较经济的技术措施，使燃烧过程尽可能在接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可以抑制NOx的生成，一般可降低NOx排放15%～20%。但如炉内氧气质量浓度过低（3%以下），会造成煤粉质量浓度急剧增加，增加化学不完全燃烧热损失，引起飞灰含碳量增加，燃烧效率下降。低NOx燃烧技术主要可分为6类：即空气分级燃烧、烟气再循环、燃料分级燃烧、低过量空气系数、低NOx燃烧器和降低流化床燃烧温度技术，其中前4项是可适用于煤粉炉、循环流化床炉。低NOx燃烧技术是可选择的技术，而低NOx燃烧器仅适用于煤粉炉，自然降低流化床燃烧温度仅适用于循环流化床锅炉。

烟气净化技术主要有选择性催化还原法（SCR）与选择性非催化还原法（SNCR）2种，都是利用氨作为还原剂将已生成的NOx还原为N2。这2种方法虽然能大幅度降低NOx排放量，但是初投资巨大，运行费用高昂，所以一般只有几个发达国家在使用。

3 结语

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，所以研究煤燃烧过程中NOx的生成机理及其控制方法，开展实验研究，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。本文采用数值模拟方法，利用非预混燃烧模型对电厂中不同燃烧温度下燃煤在炉膛内的化学反应进行了研究，分析了燃烧温度对炉膛内NOx的生成速率，炉内的组分分布、挥发分和碳的转化率，以及炉膛中的停留时间等的N的影响，对控制燃烧NOx技术进行分析和归纳。研究结果为有效控制煤燃烧过程中氮氧化物的生成提供了必要的理论基础。

［1］周欢.浓淡燃烧过程中NOx形成的数值模拟［D］.武汉：华中科技大学，2007.48－50.

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