过剩空气系数和喷嘴布置对NO生成路径的影响

2020-05-19曹艳光贺天智

煤气与热力 2020年4期

王舸，曹艳光，贺天智，蔡磊

(1. 佛山市燃气集团股份有限公司，广东佛山528100;2. 华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074)

1 概述

在以天然气为燃料的隧道窑燃烧过程中，不同的窑炉结构以及燃烧条件下NO的排放特性差异较大，对各种工况下燃烧所释放的NO的排放特性和生成路径进行系统的研究，可为实际工业窑炉NO污染物的控制提供理论依据。目前国内外对工业窑炉NO减排的研究，大多是考虑燃烧器、燃烧技术、过剩空气系数等因素对NO降低量的影响[1-2]。主要采用实验和模拟的方法研究了窑内温度、压力及NO含量等。目前的研究中较多的是关注窑炉结构中的一部分或是只针对燃烧带进行研究，并没有依据实际窑炉燃烧工况进行模拟。因此并不清楚完整窑炉中NO生成过程，不同因素对NO生成影响的具体原因还不清楚。

NO的生成路径分析是NO减排的基础研究，对NO减排具有重要的理论意义。国内外学者对NO生成路径开展了相关研究。Shih等人[3]对常压下富氢和富氢合成气中的NOx生成路径进行研究，结果发现NNH和N2O路线中的NO形成较少，NO主要通过NH+NO→N2+OH和NH+NO→N2O+H的反应消散。Ahn等人[4]通过使用CO2/O2混合物为氧化剂，对整体化学反应途径详细分析了气化煤合成气逆流火焰中NO生成机理的特征。研究表明，CO2/O2混合物作为氧化剂时，火焰温度和NO含量明显降低，对于使用空气气化合成气的燃烧，各种燃料NO机制中的HNO→NO反应主导NO产生。Li等人[5]对CH4/H2燃料混合物在MILD(炉膛内氧气被强烈稀释到低氧条件下的一种温和燃烧模式)燃烧中NO的生成机理进行了研究，研究发现N2主要通过N2→N2O→NO，N2→NNH→NO，N2→HCN→NCO→NO和N2→N→NO路径转化为NO，N2O、NNH基团相关基元反应是MILD条件下产生NO的重要反应。可见研究者研究了不同气体燃料的NO生成路径，这对理解NO生成有着重要意义。然而天然气窑炉中NO生成路径的相关研究目前还未见报道。

本文研究了不同过剩空气系数和喷嘴布置方式对NO生成路径的影响，研究结果对于天然气窑炉NO减排具有一定的借鉴意义。

2 数值模拟方法及验证

本文模拟的是某天然气隧道窑，模型分为预热带、燃烧带和冷却带3段[6]，总长112 m，其中预热带长41 m；燃烧带共30 m，分25小节，每小节1.2 m；冷却带长41 m。窑内宽3.2 m，窑内高1.05 m，分窑道上和窑道下。

窑炉前端是预热带，物料的前进方向与燃烧带高温燃烧产生的烟气的流动方向相反。烟气被抽烟机抽向窑头对物料进行预热[7]；在燃烧带，隧道窑上下都有喷嘴，且喷嘴在每节中轴线上相对布置，共有100个喷嘴，其中燃气进口直径为4 cm，空气进口直径为2 cm；窑炉末端是冷却带。

采用CFD软件模拟过剩空气系数和喷嘴的布置方式对NO生成路径的影响。空气和燃气进口均采用速度进口条件，烟气出口采用自由流条件，其他壁面采用温度条件。湍流模型采用标准的k-ε模型[8-10]，辐射采用P1模型[11-12]。研究中加载GRI-mech2.11详细化学反应机理来模拟天然气的化学反应过程[13]，该机理包含49种组分和297个可逆基元反应。其中，含N的组分有18种，关于N的可逆反应有104个。本研究所涉及的主要含N基元反应如下(括号前面为反应编号，括号内为基元反应，后文涉及该基元反应时，只出现反应编号)。基元反应方程中的“+M”是指反应的第三体，指壁面或者其他的表面，不改变反应路径，只起到传递能量的作用。

该隧道窑实际工作中过剩空气系数为9.95，喷嘴布置方式为相对布置。采用上述模型按照实验条件进行模拟，并将实验数据与模拟数据进行对比，对比结果见表1。从表1可以认为建立的模型比较合理，可以用来研究不同工况下NO的生成路径。

表1 对比结果

3 模拟结果

① 不同过剩空气系数下NO的生成路径研究

过剩空气系数分别在1.1、6.0、9.0和9.95下进行了模拟，喷嘴均为相对布置方式。取距离窑头1 m处即烟气出口所在横截面的含N基元反应速率，结果见表2(表2中“α”指过剩空气系数；“—”表示反应速率的数值量级极小，低于10-13，与其他反应速率相比可以忽略)。过剩空气系数为1.1、6.0工况燃烧生成NO主要路径见图1。

表2 隧道窑距离窑头1 m处截面不同过剩空气系数下主要含N基元反应速率 kmol/(m3·s)

续表2

由表2、图1可以看出以下几点。

a．图1中，与过剩空气系数为1.1工况相比，过剩空气系数为6.0工况下基元反应速率增大的基元反应路径已标示为红色。由图1可知N2生成NO主要通过N、NH、HCN、HNO、NCO和HNCO共6种基团来实现，生成NO的主要基元反应有R195、R216、R224等。根据表2中生成NO主要基元反应速率的大小，结合图1，可知NO生成的主要路径有4条，分别为：

N2→HCN→HNCO→NH2→HNO→NO

N2→HCN→HNCO→NH→NO

N2→HCN→NH→NO

N2→HCN→NCO→NO

b．从图1可以看出，过剩空气系数为6.0工况时天然气中的N2主要参与R240基元反应，该反应生成的HCN基团通过R231、R232、R235间接生成NO。HCN是生成NO基元反应中主要的中间基团，其还参与基元反应R219、R234、R236，这些基元反应又会间接进一步生成NO，不过反应速率较小。而R267反应方向发生改变，HCN经R231基元反应生成的NCO基团通过反应R267生成HNCO，进一步增加了NO生成的路径。

图1 过剩空气系数为1.1、6.0工况燃烧生成NO主要路径

c．根据表2，过剩空气系数为6.0工况时生成NO主要相关基元反应速率相比过剩空气系数为1.1工况时增加，生成NO的速率增加，烟气中NO含量明显增大。对炉内NO生成影响较大的反应是R179、R195、R197、R201、R216、R224。

d．过剩空气系数为9.0工况时，生成NO主要基元反应中R251、R236、和R235的反应速率小于过剩空气系数为6.0工况的反应速率，R224反应速率很小，对NO的生成贡献可以忽略，其余基元反应速率均大于过剩空气系数为6.0工况。从图1、表2可知，基团HCN通过R235生成HNCO，通过R236生成NH2，反应速率较小，生成NO较少。NO经过R251生成基团HCNO，由于反应速率很小，NO的循环生成反应减弱，NO含量减少。

e．根据表2，过剩空气系数为9.95工况下生成NO主要基元反应速率比过剩空气系数为9.0工况下基元反应速率都小。

② 喷嘴布置方式对NO的生成路径的影响

研究了过剩空气系数为1.1，喷嘴分别相对和相错布置两种工况下的NO生成路径。表3为不同喷嘴布置方式工况下生成NO主要相关基元反应的反应速率。图2为喷嘴相错布置工况NO主要生成路径，其中红色路径表示与喷嘴相对布置的方式相比，喷嘴相错布置时反应速率升高的路径。

表3 不同喷嘴布置方式下主要含N基元反应速率 kmol/(m3·s)

从表3、图2可以看出，当喷嘴相错布置时生成NO的多条路径的反应速率相比喷嘴相对布置时均有增大，因为在喷嘴相错布置时，气流扰动增强，燃烧更加充分，炉内温度较高，促进NO的生成。但是，燃烧主要生成NO的反应R216(图中绿色)反应方向与喷嘴相对布置正好相反，喷嘴相对布置时，基元反应R216消耗氧气生成NO，而在喷嘴相错布置时，R216反应方向发生改变，但R274的反应速率明显增大。在生成HNCO基团的基元反应中，R235的反应速率在增大，所以生成HNCO基团的速率加快，同时HCNO直接转化为HNCO的基元反应R270的反应速率也在增大，HNCO向NO转化的基元反应路径中的R265反应速率也增大，生成NH2基团的速率加快，NH2基团又经过反应R203生成基团NH，再经过R195生成NO。

从图2、表3还可以看出，与喷嘴相对布置相比，喷嘴相错布置的R220的反应速率也在增大，并且消耗一部分O2，生成基团NCO。此时基团HNCO生成的NCO相关的基元反应R227和R224反应速

图2 喷嘴相错布置工况NO主要生成路径

率也在增大，两条路径反应速率都在增大，导致NO生成速率迅速增加，NO含量也明显增加。在N2生成NO的路径中，基元反应R240和R241的反应速率增大，迅速生成基团HCN，与之相关的基元反应R232、R235和R236的反应速率都在增大，进一步向NO转化的反应速率增加。由于喷嘴相错布置时，炉内燃烧温度较高，炉内温度分布较均匀，生成NO的路径中大部分反应速率都在增大，所以喷嘴相错布置时燃烧生成的NO的体积分数比喷嘴相对布置时多。