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(CH_i)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(CH_i)，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.T^N.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

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