氣體燃料再燃對NOx還原的影響 （二）
3計算結果與分析本文采用適于求解剛性微分方程的Gear［5］法對給定初始條件的化學反應速度方程進行了求解，從而可以分析再燃燃料組分、再燃區空氣過剩系數和溫度對NOx再燃過程的影響。
3.1燃料組分的影響
圖2給出了三種氣體燃料作為再燃燃料時NOx濃度隨反應時間的變化過程。由圖中可見，用甲烷作為再燃燃料時，在所有α范圍內，NOx首先大量被還原，但隨后煙氣中的NOx濃度又會逐漸升高。因此，選擇合適的再燃時間就顯得非常重要。用C2H2和C2H4作為再燃燃料時未發現有類似于CH4的特性。比較三種燃料可知，選用CH4做再燃燃料時，其對NOx的再燃效果比C2H2和C2H4的再燃效果好。對于所選擇的三種再燃燃料，再燃區空氣過量系數越小，NOx的還原率越大。當α＞0.7以后，所有三種燃料對NOx的再燃效果都不明顯，這可能是因為在這樣的條件下不容易形成、并保持一定濃度的CHi基。
圖2不同組分在α＝0.2-1.0條件下對NO的再燃過程(α沿箭頭方向增大)
3.2空氣過剩系數的影響
再燃區空氣過量系數對NOx的再燃過程有很大的影響。圖3a給出了再燃區最低NOx濃度隨再燃區空氣過量系數的變化。與圖3a對應的NOx最大還原率隨再燃區空氣過量系數的變化如圖3b所示。由圖中可見，隨著再燃區空氣過量系數的增大，NOx的還原率減小，但是，在所有的α范圍內，甲烷對NOx的還原率都遠遠高于C2H2和C2H4，且其NOx還原率高于50%。C2H2和C2H4作為再燃燃料時，NOx還原率比較低，即使在較小的空氣過量系數下也不超過30%。這與我們的想象相差甚遠。因為NOx的還原主要是由于NOx與形如CH和CH2等的碳氫基發生還原反應的結果。而表面看來C2H2和C2H4更易于形成這樣的碳氫基，但是計算發現并不是這樣的。由圖3可以看出，三種燃料的再燃效果從大到小依次為CH4、C2H2、C2H4。
圖3空氣過剩系數對NOx還原率的影響
3.3再燃燃料中含氮組分的影響
為了研究含N組分對NOx再燃的影響，在α＝0.7、再燃溫度等于1100℃的條件下研究了三種再燃燃料有、無含氮組分對NOx再燃的影響。圖4給出了在這種情況下的計算結果。由圖可見，當再燃燃料中存在含N組分時，其再燃特性有明顯的差別。
圖4再燃燃料中含氮組分對NO再燃特性的影響
尤其是對于CH4，含氮組分的存在大大的改善了其對NOx的還原特性。使再燃時間的選擇范圍變得很寬，從而使再燃過程易于實現。對于C2H2和C2H4，含氮組分的存在對NOx的還原特性沒有大的影響，只是強化了NOx的再燃過程，增大了再燃效率。在其它空氣過量系數條件下，計算結果表明，對于CH4，即使α＝0.9，含氮組分的存在也明顯地強化了NOx的再燃效果，而對于C2H2和C2H4，當α＞0.7時，含N組分的存在反而增大了煙氣中NOx的排放量，這可能是因為在這樣的情況下，含N組分容易首先與O2反應，被氧化形成了NOx。
3.4再燃溫度的影響
為了研究再燃區溫
度對NOx再燃過程的影響，在空氣過量系數α＝0.7，溫度分別為1100℃、1200℃和1300℃條件下，對再燃效果最好的甲烷進行了NOx再燃過程的計算。根據計算結果整理得到的NOx還原率與再燃區溫度的關系如圖5所示。由圖5可見，再燃溫度對NOx的還原率有很大的影響。在本文的計算條件下，NOx還原率與再燃區溫度存在極值關系。當再燃燃料為CH4、空氣過量系數α＝0.7和［HCN］/［NO］摩爾比等于1.0時，最佳的再燃溫度位于1150℃～1200℃之間，在此溫度下NOx的還原率將達到最大值。由圖還可以發現，即使再燃溫度高達1300℃，NOx的還原率也可達到22.5%。但是，計算結果表明，當溫度進一步升高到超過1400℃以后，再燃溫度繼續升高將很不利于NOx的還原，而且當主燃料中含有燃料氮時反而會加速含N組分的氧化，使煙氣中NOx的濃度增大。
圖5NOx還原率與再燃溫度的關系
4結論
由以上的計算結果，及其分析討論可以得出以下結論：
(1)在實際鍋爐中應用再燃技術時，再燃區的空氣過量系數要嚴格控制在較小值范圍內，本文計算結果表明，一般應控制在α≤0.7，以達到較好的再燃效果。
(2)在本文所采用的再燃燃料中，CH4對NOx的再燃效果明顯地比C2H2和C2H4好，但必須選擇合適的再燃時間才能達到較高的NOx還原率。
(3)再燃燃料中含N組分(如HCN)的存在可以改變NOx的再燃過程，并在一定的空氣過量系數范圍內增大NOx還原率，但在較大空氣過量系數(對于CH4-α＞0.9，對于C2H2和C2H4-α＞0.8)或較高再燃溫度(T≥1400℃)下反而會由于含N組分的氧化使煙氣中NOx濃度明顯增大。
(4)再燃區溫度對NOx的還原率有較大的影響，對于特定的再燃燃料和再燃區空氣過量系數，存在一個最佳的再燃溫度，使NOx的還原率達到最大。
基金項目：國家自然科學基金資助項目(59606011)
作者簡介：鐘北京(1963-),男,江西瑞金人,清華大學工程力學系副教授,副主任.
郵編100084北京
作者單位：參考文獻
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