采用低温烟气降低生物质层燃锅炉氮氧化物排放的研究

赵琳琳，王启民

（沈阳工程学院a.研究生部；b.能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136）

随着社会经济的不断发展，人类对能源和环境问题越来越重视。生物质能是可代替煤和石油的可再生能源，具有广阔的科学前景。但生物质能也同其他化石能源一样，会产生一定的污染物，NOx就是生物质燃烧产生的污染物之一，它对人体、植物、大气环境均有危害［1］。因此，研究如何控制生物质燃烧时所产生的NOx排放量具有重大意义。

国内外学者对该问题均进行了研究。杨国锋［2］研究生物质颗粒燃烧时的烟气排放特性发现：随着二次风比例在0.3～0.7范围内的增加，NOx含量呈现先降低、后增加、又降低、再增加的“W”形变化趋势。PAWLAK-KRUCZEK H等［3］研究富氧燃烧环境下生物质混煤烟气排放特性发现：NOx的排放主要受燃料中挥发分含量、空气分布以及锅炉或燃烧器配置的影响。陈国华等［4］以工业锅炉使用较多的木质成型燃料作为研究对象，发现在温度较高（大于900℃）时，减少空气量的供给，可明显降低NO的排放量。

本文使用低温烟气来代替二次风的方法，降低生物质在层燃锅炉燃烧时所产生的NOx排放量，并探讨低温烟气温度对NOx排放的影响。研究结果对环境保护及能源利用方面具有重要意义。

1 生物质燃烧NOx生成机理

生物质燃烧产生的NOx主要是由燃料中的N元素氧化形成的，也可能有少量的NOx是在某些特定条件下由空气中的N元素形成的。燃料燃烧过程中NOx的生成有3大类：热力型NOx、瞬态型NOx和燃料型 NOx［5-6］。热力型 NOx是由空气中的 N2氧化生成，通常需要在1 500℃以上才能产生，而生物质燃烧温度很难达到1 300℃以上，所以基本上不会产生热力型NOx；瞬时型NOx是在富氧条件下，由碳氢化合物形成活性很强的CH自由基与空气中的N2反应生成的，受空气过剩系数影响很大［7-8］；燃料型NOx就是由燃料中的N转化而来的，燃料氮的转换途径如图1所示［9］。

图1 生物质燃烧中燃料氮转换途径

燃料型NOx是生物质燃烧排放的NOx最主要的来源，大约占80%，受到温度、O2量、燃料种类、粒径等诸多因素的综合影响［10］。燃料氮转化率会随着燃烧温度的升高而升高。随着过量空气系数的降低，燃料型NOx的生成量会一直下降。因此，根据这两条影响因素提出采用低温烟气的方法，来降低生物质在层燃锅炉中燃烧所产生的NOx排放量。

2 NOx排放的数值模拟

2.1 初始条件

以6 t的层燃锅炉为研究对象，炉膛容积为8.28 m3，炉排面积为10.37 m2，一次风从炉排下部的5个风室进入，二次风从炉膛喉部单侧8个风口送入炉膛，每个风口的截面积为5 026.53 mm2。炉膛入口空气过剩系数为1.4，炉膛的漏风系数为0.05，炉膛出口处空气过剩系数为1.45，该锅炉选用的燃料为玉米秸秆颗粒，其成分如表1所示。锅炉的燃料消耗量为0.385 9 kg/s。

表1 玉米秸的工业分析和元素分析

根据玉米秸的成分分析可知理论空气量为4.488 5 m3/kg，而通过计算得出实际需要的湿空气量为3.018 kg/s。一、二次风的配风比为7:3，故可得一次风的流量为2.113 kg/s，二次风的流量为0.905 kg/s。

2.2 数值模拟

根据锅炉炉膛实际尺寸，通过icem进行1:1建模。因炉膛的实际结构比较复杂，二次风喷口较多且尺寸较小，很难用结构化网格来模拟。因此，对炉膛采用非结构化网格进行划分。

将网格导入Fluent进行数值模拟，三维稳态计算选用标准k-ε模型，辐射传热计算采用P1辐射模型，采用动力扩散控制燃烧模型模拟生物质的燃烧。压力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。考虑到模拟过程中存在复杂的流动和燃烧，跟据经验选用分步计算的方法，即先根据实际的各项速度边界条件计算炉内的流动情况，再根据所得到的流场作为初场计算生物质的燃烧。NOx采用后处理的方法，且考虑热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx。

2.3 模拟结果及分析

1）对正常燃烧时（即二次风口通入温度为20℃的空气）的锅炉进行模拟，可以得出炉膛出口烟气温度为1 051.81 K，出口烟气中氧的含量占总气体的9.48%，而出口的NOx含量为154.66 ppm。图2为锅炉二次风风口中间侧切截面温度图。

图2 锅炉二次风风口中间侧切截面温度

2）将20℃的空气改为低温烟气从炉膛喉部风口送入，并进行数值模拟。烟气选用炉膛尾部烟气，其中水蒸气容积份额为4.6%，CO2和SO2的容积份额为14.2%。为了研究烟气温度与炉膛尾部NOx排放量的关系，选取了9个烟气温度进行了数值模拟，并分别计算出了炉膛尾部烟气温度、炉膛尾部氧量占总烟气的百分比及炉膛尾部NOx排放量，其结果如表2所示。

表2 不同低温烟气计算结果汇总

从表2可以看出，将二次风改为低温烟气后，低温烟气的温度对炉膛出口烟气温度及炉膛出口O2平均质量分数影响不大，但对NOx的排放量有一定的影响。为了更直观看出低温烟气温度对NOx排放量的影响，将计算结果绘制成散点图，如图3所示。

图3 低温烟气温度对NOx排放量的影响

从图3中可以看出，随着低温烟气温度的升高，炉膛出口NOx的排放量总体有上升的趋势。从选用的这9个温度中可以看出，烟气温度在50℃时，炉膛出口NOx的排放量最低，为88.15 ppm；当烟气温度为350℃时，炉膛出口NOx排放量最高，为196.78 ppm。故选用温度为50℃的低温烟气来代替20℃的空气，从而降低生物质燃烧时所产生的NOx。

图4 通入50℃烟气时锅炉截面温度

图4为通入50℃低温烟气时锅炉二次风风口中间侧切截面温度图，与图1相比可以看出，将二次风改为低温烟气，对炉内燃烧及温度影响不大。

图5和图6分别为通入20℃空气和通入50℃烟气时，在锅炉相同截面NOx含量分布图。将这两个图对比可以看出，将20℃空气改为50℃烟气可以有效地抑制NOx在炉膛喉部风口下方生成，使炉膛出口NOx含量从154.66 ppm减少到88.15 ppm，减少了43%。

图5 通入20℃空气时锅炉截面NOx含量分布

图6 通入50℃烟气时锅炉截面NOx含量分布

3 结 论

本文通过数值模拟对采用低温烟气降低生物质层燃锅炉NOx排放进行分析，并得出低温烟气的温度对NOx排放量具有一定的影响。在选用50℃烟气时NOx排放量最低为88.15 ppm，可使炉膛出口NOx排放量减少43%。这也验证了采用二次风改低温烟气的方法，可以有效地减少炉膛尾部NOx的排放量，具有广泛的应用前景。