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    • 气体燃料再燃对NOx还原的影响 （一）
    来源：天天加油　　更新时间：2005-3-9
    您正在看的能源动力论文是:气体燃料再燃对NOx还原的影响 （一）。
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    • 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(CHi)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(CHi)，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。

    419-1.gif (5160 bytes)

    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.TN.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

    .0000

    .2000E+04

    19

    CH3+OH=H2CO+H2

    .2100E+07

    .0000

    .0000E+OO

    20

    CH3+H=CH2+H2

    .2000E+08

    .0000

    .1240E+05

    21

    CH2+O2=HCO+OH

    .1000E+09

    .0000

    .3700E+04

    22

    CH2+OH=CH+H2O

    .2692E+06

    .6700

    .2570E+05

    23

    CH2+O=CH+OH

    .1960E+06

    .6700

    .2500E+05

    24

    CH2+H=CH+H2

    .2692E+06

    .6700

    .2570E+05

    25

    CH+O2=HCO+O

    .1000E+08

    .0000

    .0000E+00

    26

    H2CO+OH=HCO+H2O

    .7586E+07

    .0000

    .1700E+03

    27

    H2CO+O2=HCO+HO2

    .3630E+10

    .0000

    .4606E+05

    28

    H2CO+H=HCO+H2

    .3310E+09

    .0000

    .1050E+05

    29

    H2CO+O=HCO+OH

    .5012E+08

    .0000

    .4600E+04

    30

    HCO+O2=CO+HO2

    .3981E+07

    .0000

    .7000E+04

    31

    HCO+H=H2+CO

    .2000E+09

    .0000

    .0000E+OO

    32

    HCO+OH=CO+H2O

    .1000E+09

    .0000

    .0000E+00

    33

    HCO+O=OH+CO

    .1000E+09

    .0000

    .0000E+00

    34

    CO+OH=CO2+H

    .1500E+02

    1.3000

    -.7700E+03

    35

    CO+O+M=CO2+M

    .5888E+04

    .0000

    .4100E+04

    36

    CO+H+M=HCO+M

    .5000E+OO

    1.0000

    .1550E+04

    37

    O+O+M=O2+M

    .4677E+04

    -.2800

    .0000E+00

    38

    N+N+M=N2+M

    .2500E+04

    .0000

    .0000E+00

    39

    N2+O=NO+N

    .1300E+09

    .0000

    .7550E+05

    40

    N+O2=NO+O

    .6300E+04

    1.0000

    .6250E+04

    41

    N+OH=NO+H

    .5000E+06

    .5000

    .5000E+04

    42

    HCN+OH=CN+H2O

    .1450E+08

    .0000

    .1093E+05

    43

    HCN+H=CN+H2

    .2000E+06

    .6900

    .1840E+05

    44

    HCN+O=CN+OH

    .2700E+04

    1.5800

    .2660E+05

    45

    HCN+OH=HNCO+H

    .4000E+06

    .0000

    .0000E+00

    46

    NH3+H=NH2+H2

    .6360E+00

    2.3900

    .1017E+05

    47

    NH3+O=NH2+OH

    .1300E+07

    .0000

    .6000E+04

    48

    NH3+OH+NH2+H2O

    .3300E+07

    .0000

    .2200E+04

    49

    CN+O2=NCO+O

    .5600E+07

    .0000

    .0000E+00

    50

    CN+OH=NCO+H

    .5600E+08

    .0000

    .0000E+00

    51

    NCO+H=NH+CO

    .2000E+08

    .0000

    .0000E+00

    52

    HNCO+H=NH2+CO

    .1000E+08

    .0000

    .0000E+00

    53

    NH2+H=NH+H2

    .5000E+06

    .5000

    .2000E+04

    54

    NH2+O=NH+OH

    .2000E+08

    .0000

    .1000E+04

    55

    CN+O=N+CO

    .6310E+06

    .5000

    .0000E+00

    56

    NH+OH=N+H2O

    .5000E+06

    .5000

    .2000E+04

    57

    NH2+O+OH=NO+H+H2O

    .6630E+09

    -.5000

    .0000E+00

    58

    NH+H=N+H2

    .1000E+07

    .6800

    .1900E+04

    59

    NH+O=NO+H

    .5000E+06

    .5000

    .5000E+04

    60

    NH+OH+OH=NO+H+H2O

    .2000E+08

    .0000

    .0000E+00

    61

    N2+CH=HCN+N

    3000E+06

    .0000

    .1360E+05

    62

    N2+CH2=HCN+NH

    .1000E+08

    .0000

    .7400E+05

    63

    NO+NH=N2+OH

    .2400E+07

    .0000

    .0000E+00

    64

    NO+CH2=HCN+OH

    .1000E+09

    .0000

    .1200E+05

    65

    NO+NH2=N2+H2O

    .1260E+11

    -1.2500

    .0000E+00

    66

    NH+N=N2+H

    .6300E+06

    .5000

    .0000E+00

    67

    NH+O2=NO+OH

    .7600E+05

    .0000

    .1530E+04

    68

    C2H4+M=C2H2+H2+M

    .2950E+12

    .0000

    .7929E+05

    69

    C2H4+O=CH3+HCO

    .3300E+07

    .000

    .1130E+04

    70

    C2H4+OH=H2CO+CH3

    .2000E+07

    .0000

    .9600E+03

    71

    C2H4+O=H2CO+CH2

    .2500E+08

    .0000

    .5000E+04

    72

    C2H2+OH=CH3+CO

    .1200E+07

    .0000

    .5000E+03

    73

    C2H2+O=CH2+CO

    .6760E+08

    .0000

    .4000E+04

    74

    CH4+M=CH3+H+M

    .2000E+12

    .0000

    ,8840E+05

    75

    CH3+OH=CH2+H2O

    .7500E+01

    2.0000

    .5000E+04

    76

    CH3+OH=H2CO+H+M

    .5300E+07

    .0000

    .0000E+00

    77

    CH4+HO2=CH3+H2O2

    .1800E+06

    .0000

    .1870E+05

    78

    H2O2+OH=H2O+HO2

    .1000E+08

    .0000

    .1800E+04

    79

    H2O2+O2=HO2+HO2

    .3981E+08

    .0000

    .4264E+05

    80

    H2O2+M=OH+OH+M

    .1300E+12

    .0000

    .4550E+05

    81

    H2O2+H=HO2+H2

    .1698E+07

    .0000

    .3750E+04

    82

    H2CO+HO2=HCO+H2O2

    .1000E+07

    .0000

    .8000E+04

    83

    H2O2+H=H2O+OH

    .3200E+09

    .0000

    .8900E+04

    84

    H2O2+O=HO2+OH

    .2800E+08

    .0000

    .6400E+04

    85

    H2O2+O=H2O+O2

    .1400E+08

    .0000

    .6400E+04

    86

    HNCO+M=NH+CO+M

    .1140E+11

    .0000

    .8680E+05

    87

    NO+CH=HCN+O

    .1100E+09

    .0000

    .0000E+00

    88

    NCO+O=NO+CO

    .2000E+08

    .0000

    .0000E+00

    89

    NCO+H2=HNCO+H

    .8580E+07

    .0000

    .9000E+04

    90

    NH2+OH=NH+H2O

    .4000E+01

    2.0000

    .1000E+04

    91

    HCN+O=NH+CO

    .3450E-02

    2.6400

    .4980E+04

    92

    HCN+O=NCO+H

    .1380E-01

    2.6400

    .4980E+04

    93

    CH3+N=HCN+H+H

    .3000E+09

    .0000

    .2200E+05

    94

    CH2+N=HCN+H

    .5000E+08

    .0000

    .0000E+00

    95

    N2+O+M=N2O+M

    .1820E+02

    .0000

    .2140E+05

    96

    N2O+O=NO+NO

    .1995E+08

    .0000

    .2170E+05

    97

    N2O+O=N2+O2

    .1660E+08

    .0000

    .2090E+05

    98

    N2O+H=N2+OH

    .7600E+08

    .0000

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