W型辐射管NOx排放影响因素的数值模拟

刘燕燕,张国志

(宝山钢铁股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.冷轧厂,上海 200941)

钢铁行业是典型的能源消耗大户,也是污染物排放大户。近年来,政府相继出台了一系列针对钢铁行业的污染物排放标准,排放指标越来越严格。基于此,宝钢冷轧厂提出辐射管 NOx排放影响因素的研究,探索在不同工况条件下NOx的排放规律,找出辐射管的燃烧特性及影响NOx排放的各种因素,以实现生产运行的低NOx排放。

辐射管是基于间接加热的原理,燃料在管内燃烧发热,通过热辐射的方式将热量传递出去。这种加热技术有效地避免了被加热工件表面的氧化和脱碳,并有加热均匀的优点,为在保护气氛下进行热处理创造了条件,特别适用于对产品质量要求高的场合[1]。 但是辐射管由于燃烧空间受限,容易产生局部高温,使得NOx排放升高,为此需要重点探讨辐射管内NOx排放规律以及影响因素。国内外很多专家学者曾先后采用试验研究或者理论建模等多种方式对辐射管内部的流场、温度分布等进行了相关研究工作[2-3],但目前对W型辐射管的NOx排放研究成果较少。

本文以W型辐射管为研究对象,通过数值模拟的方法,对不同空气预热温度、过量空气系数、燃气成分等工况对 NOx排放的影响进行研究,分析影响W型辐射管 NOx排放的因素及规律。

1 NOx生成机理

燃烧装置中排放的NOx中主要是NO(约占95%)。NOx的生成主要分为热力型、快速型及燃料型。热力型NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物;燃料型NOx是指燃料中的氮化合物在燃烧过程中热分解后又氧化而成的NOx;快速型NOx是指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团如CH等反应生成NOx,只有在碳氢燃料燃烧且富燃料的情况下,反应区才会快速生成NOx,由于这个过程产生的NOx量较小(5%以下),故可忽略不计。

本文研究的W型辐射管燃烧器,所用燃料为焦炉煤气与高炉煤气的混合燃气,燃料中不含氮化合物,因此其生成的NOx主要是热力型NOx。热力型NOx的生成机理也被称为捷里道维奇机理,主要反应如下[4]:

(1)

(2)

(3)

NO生成速度表达式如式(4):

(4)

式中:cO2、cN2、cNO分别为O2、N2、NO的摩尔浓度,mol/cm3;T为热力学温度,K;t为时间,s;R为摩尔气体常数,J/(mol·K)。

从式(4)中可以看出,温度对热力型NOx的影响是非常明显的[4],温度越高,NOx的浓度也就越大。当燃烧温度低于1 800 K 时,热力型NOx的生成量非常小;当燃烧温度高于1 800 K时,热力型NOx的生成量就会呈指数规律迅速增加。在实际燃烧过程中,由于燃烧室内的温度分布不均匀,如果有局部的高温区,则在这些区域会生成较多的NOx,它可能会对整个燃烧室内NOx的生成起关键性的作用,所以在实际过程中应尽量避免局部高温区的形成。

其他因素比如过量空气系数、燃料种类等都对热力型NOx的生成起到重要的影响作用,本文将对其影响做数值模拟研究来加以分析。

2 W型辐射管燃烧及NOx排放的数值模拟

2.1 物理模型及网格

为全面模拟辐射管内的流动和燃烧特性,要求物理模型尽可能与实物一致,为此选择全尺寸的三维模型进行研究。对W型燃气辐射管,建立对应的物理模型、数学模型以及求解条件,通过数值计算,与现场试验结果及理论计算值进行对比,验证模型的可靠性。

辐射管燃烧系统计算域包括辐射管燃烧器及整个辐射管区域,模拟采用六面体网格,计算几何模型及网格如图1所示。经多次网格无关性试验后,确定网格总数为210万个。

2.2 数学模型

采用流体动力学软件进行求解,湍流模型采用标准的k-ε模型,燃烧模型采用组分概率密度输运燃烧模型(Composition PDF Transport Combustion Model),辐射模型采用DO模型,NOx的计算作为燃烧的后处理进行。采用有限体积法,求解采用分离式解法,压力项和速度项的耦合采用SIMPLE算法,控制方程的离散采用二阶迎风差分格式。

2.3 边界条件

入口条件:燃气和助燃空气采用体积流量入口条件。本文的模拟以现场常用工况作为基准工况,其他模拟工况以该基准工况为准,仅作某一因素(变量)的修改,以着重考察该因素对燃烧及NOx排放的影响。基准工况对应的主要边界条件为:燃气流量为85 m3/h,燃气进口温度为20 ℃,空气入口温度为350 ℃,过量空气系数为1.2,燃气由体积分数26%的焦炉煤气与74%的高炉煤气混合,成分见表1。

表1 煤气成分表Table 1 Gas composition Table %

出口条件:自由出口。

壁面条件:无滑移壁面,壁面与环境之间的热交换由对流换热与辐射换热两部分组成。

3 W型辐射管变工况下NOx排放规律的数值模拟

为了研究 NOx排放的规律,特选取对NOx排放影响较大的三个因素进行分析:空气预热温度、过量空气系数、燃气成分。

3.1 空气预热温度对NOx排放的影响

为了降低排烟损失,提高能源效率,往往利用烟气余热对助燃空气进行预热,但是预热温度的升高会引起辐射管内温度水平的提升,从而使得辐射管NOx排放量增大。设定表2中五种不同空气预热温度来对辐射管排放规律进行研究。

表2 不同空气预热温度工况Table 2 Air preheating temperature for different working condition ℃

五种工况下的温度场与NOx排放结果对比图2、3所示。图2和图3展示的是辐射管中心截面的温度场分布及NO场分布,从中可以清楚地看出燃气与一次风混合后进行燃烧,接着未燃尽的燃气遇到环状的二次风后,进一步燃烧完全。这样的布风方式有利于拉长火焰,使炉内温度均匀性得到提高,同时使辐射管管壁不致过热。

图4为不同空气预热温度下的燃烧区平均温度与出口NOx排放量。可见,燃烧区域的温度随着空气预热温度的升高而升高。空气预热温度每增加50 K,燃烧区平均温度上升约15 K。由于燃气燃烧产生的NOx主要是热力型NOx,与温度紧密相关,因此出口NOx值随着空气预热温度的提高而增大。为了同时兼顾热效率和污染物排放指标,应选择适当的空气预热温度,由计算结果可见,空气预热温度不超过400 ℃为宜。

3.2 过量空气系数对NOx排放的影响

设定表3八种不同过量空气系数的工况,对辐射管排放规律进行研究。

过量空气系数对热力型NOx的影响是非常明显的。从式(4)中可以看出,热力型NOx生成量与氧浓度的平方根成正比。NOx随过量空气系数的变化可分为两个阶段分析:①贫氧燃烧时,过量空气系数的增加会增加氧浓度,使得NOx生成量增加;并且在过量空气系数增大的过程中,氧浓度越大,越接近于完全燃烧,燃烧温度越来越高,NOx排放也随之增加。此时,NOx排放值随着过量空气系数的增加而增加。②当过量空气系数进一步增加到1.0以上时,虽然氧浓度增加,使得NOx生成量增加,但同时会使助燃空气总量增多,大量多余的空气增强了稀释作用,降低了燃烧温度,火焰温度降低,NOx排放减少。两者相比较,后一方面对NOx产生的影响更大。此时,随着过量空气系数的增加,NOx的排放是降低的。

表3 不同过量空气系数工况Table 3 Excess air coefficient for different working condition

因此,从贫氧到富氧的过程中,随着过量空气系数的增加,NOx生成量先增加,到一个极值后会下降。理想状态下,燃气和空气混合均匀,极值出现在过量空气系数为1的地方,此时,NOx排放值最高。由图5的模拟计算结果可见,这个极值出现在过量空气系数为1.05处。因为,实际生产中,在扩散火焰的情况下,燃料与空气边混合、边燃烧,由于混合不良,NOx的最大值要移至过量空气系数大于1的区域[4]。燃料与空气混合越差,NOx最大值的位置越往过量空气系数大于1的方向推移。

实际生产中,既要确保燃气完全燃烧,同时为了提高热效率,要尽量减少过剩氧量,同时降低NOx排放,为此选择适当的过量空气系数很重要。由上述的计算结果可见,过量空气系数在1.1～1.2之间为宜。

3.3 燃气成分对NOx排放的影响

燃气为高炉煤气与焦炉混合煤气,设定表4三种工况,分别计算其对NOx排放的影响。

表4 不同燃气成分工况Table 4 Fuel gas components for different working condition %

由计算结果(图6)可见,随着焦炉煤气比例的增加,燃烧区内平均温度逐渐升高。由于NOx排放与温度紧密相关,因此辐射管燃烧产生的NOx排放也随之增加。焦炉煤气比例由20%增加到26%时,燃烧区平均温度上升了约40 K,NOx排放大幅度增加。当焦炉煤气比例增加到30%时,其NOx排放值已经达到180 mg/m3(这已经接近于目前加热炉的可允许排放值)。因此,实际生产中,如要保证NOx达标排放同时兼顾热效率,需要适当降低焦炉煤气的比例,建议焦炉煤气的比例不超过30%。

4 数值模拟结果的验证

本文通过对基准工况的验证来说明数值模拟结果的准确性。基准工况模拟得到的中心截面温度场及NOx浓度场见图2和图3中的A3分图,燃烧器内的平均温度约1 370 ℃,火焰的最高温度出现在燃烧器的中心轴线上。随着燃烧的进行,燃烧温度在截面上逐渐趋于均匀,出口NOx排放值为105.74 mg/m3。

针对基准工况,通过化学反应平衡理论计算得到出口烟气的CO2、H2O及出口残留的O2数值,与数值模拟计算得到的数值对比如表5所示,结果误差在3%以内,从理论上验证了燃烧数值模拟的准确性。

表5 基于化学反应平衡理论的烟气出口成分 理论计算值与数值模拟计算值的比较Table 5 Comparison of the flue gas outlet components between theoretical calculation value based on chemical reaction equilibrium theory and numerical simulation calculation value %

同时,利用烟气分析仪对辐射管燃烧系统进行了基准工况下的现场测试,测得的NOx排放浓度为100.2 mg/m3,由此模拟结果与试验结果误差为5.2%,说明模型精度基本满足要求。

5 结论

(1) 随着空气预热温度的提高,燃烧区域的温度也随之升高。空气预热温度每增加50 K,平均燃烧温度上升约15 K。由于NOx排放与温度紧密相关,因此出口NOx排放值也随着空气预热温度的提高而提高。为了兼顾热效率,应选择适当的空气预热温度,由计算结果可见,空气预热温度不超过400 ℃为宜。

(2) 从贫氧到富氧的过程中,随着过量空气系数的增加,NOx生成量先增加,到一个极值后会下降。理想状态下,燃气和空气混合均匀,极值出现在过量空气系数为1的地方。实际生产中,在扩散火焰的情况下,燃料与空气边混合、边燃烧,由于混合不良,NOx的最大值要移至过量空气系数大于1的区域。实际生产中,要兼顾热效率与NOx排放,选择适当的过量空气系数,由计算结果可见,过量空气系数在1.1～1.2之间为宜。

(3) 随着焦炉煤气比例的增加,辐射管内燃烧温度逐渐升高,辐射管燃烧产生的NOx排放也随之增加。为兼顾热效率与NOx排放,需要适当降低焦炉煤气的比例,建议焦炉煤气的比例不超过30%。