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气体燃料再燃对NOx还原的影响 (二)

时间:2007-1-27栏目:石油能源论文

3计算结果与分析
  
  本文采用适于求解刚性微分方程的Gear[5]法对给定初始条件的化学反应速度方程进行了求解,从而可以分析再燃燃料组分、再燃区空气过剩系数和温度对NOx再燃过程的影响。
  3.1燃料组分的影响
  图2给出了三种气体燃料作为再燃燃料时NOx浓度随反应时间的变化过程。由图中可见,用甲烷作为再燃燃料时,在所有α范围内,NOx首先大量被还原,但随后烟气中的NOx浓度又会逐渐升高。因此,选择合适的再燃时间就显得非常重要。用C2H2和C2H4作为再燃燃料时未发现有类似于CH4的特性。比较三种燃料可知,选用CH4做再燃燃料时,其对NOx的再燃效果比C2H2和C2H4的再燃效果好。对于所选择的三种再燃燃料,再燃区空气过量系数越小,NOx的还原率越大。当α>0.7以后,所有三种燃料对NOx的再燃效果都不明显,这可能是因为在这样的条件下不容易形成、并保持一定浓度的CHi基。
  
  
  
  图2不同组分在α=0.2-1.0条件下对NO的再燃过程(α沿箭头方向增大)
  
  3.2空气过剩系数的影响
  再燃区空气过量系数对NOx的再燃过程有很大的影响。图3a给出了再燃区最低NOx浓度随再燃区空气过量系数的变化。与图3a对应的NOx最大还原率随再燃区空气过量系数的变化如图3b所示。由图中可见,随着再燃区空气过量系数的增大,NOx的还原率减小,但是,在所有的α范围内,甲烷对NOx的还原率都远远高于C2H2和C2H4,且其NOx还原率高于50%。C2H2和C2H4作为再燃燃料时,NOx还原率比较低,即使在较小的空气过量系数下也不超过30%。这与我们的想象相差甚远。因为NOx的还原主要是由于NOx与形如CH和CH2等的碳氢基发生还原反应的结果。而表面看来C2H2和C2H4更易于形成这样的碳氢基,但是计算发现并不是这样的。由图3可以看出,三种燃料的再燃效果从大到小依次为CH4、C2H2、C2H4。
  
  
  
  图3空气过剩系数对NOx还原率的影响
  
  3.3再燃燃料中含氮组分的影响
  为了研究含N组分对NOx再燃的影响,在α=0.7、再燃温度等于1100℃的条件下研究了三种再燃燃料有、无含氮组分对NOx再燃的影响。图4给出了在这种情况下的计算结果。由图可见,当再燃燃料中存在含N组分时,其再燃特性有明显的差别。
  
  
  
  图4再燃燃料中含氮组分对NO再燃特性的影响
  
  尤其是对于CH4,含氮组分的存在大大的改善了其对NOx的还原特性。使再燃时间的选择范围变得很宽,从而使再燃过程易于实现。对于C2H2和C2H4,含氮组分的存在对NOx的还原特性没有大的影响,只是强化了NOx的再燃过程,增大了再燃效率。在其它空气过量系数条件下,计算结果表明,对于CH4,即使α=0.9,含氮组分的存在也明显地强化了NOx的再燃效果,而对于C2H2和C2H4,当α>0.7时,含N组分的存在反而增大了烟气中NOx的排放量,这可能是因为在这样的情况下,含N组分容易首先与O2反应,被氧化形成了NOx。
  
  3.4再燃温度的影响
  为了研究再燃区温
  
  
  
  度对NOx再燃过程的影响,在空气过量系数α=0.7,温度分别为1100℃、1200℃和1300℃条件下,对再燃效果最好的甲烷进行了NOx再燃过程的计算。根据计算结果整理得到的NOx还原率与再燃区温度的关系如图5所示。由图5可见,再燃温度对NOx的还原率有很大的影响。在本文的计算条件下,NOx还原率与再燃区温度存在极值关系。当再燃燃料为CH4、空气过量系数α=0.7和[HCN]/[NO]摩尔比等于1.0时,最佳的再燃温度位于1150℃~1200℃之间,在此温度下NOx的还原率将达到最大值。由图还可以发现,即使再燃温度高达1300℃,NOx的还原率也可达到22.5%。但是,计算结果表明,当温度进一步升高到超过1400℃以后,再燃温度继续升高将很不利于NOx的还原,而且当主燃料中含有燃料氮时反而会加速含N组分的氧化,使烟气中NOx的浓度增大。
  
  
  
  图5NOx还原率与再燃温度的关系
  
  4结论
  
  由以上的计算结果,及其分析讨论可以得出以下结论:
  (1)在实际锅炉中应用再燃技术时,再燃区的空气过量系数要严格控制在较小值范围内,本文计算结果表明,一般应控制在α≤0.7,以达到较好的再燃效果。
  (2)在本文所采用的再燃燃料中,CH4对NOx的再燃效果明显地比C2H2和C2H4好,但必须选择合适的再燃时间才能达到较高的NOx还原率。
  (3)再燃燃料中含N组分(如HCN)的存在可以改变NOx的再燃过程,并在一定的空气过量系数范围内增大NOx还原率,但在较大空气过量系数(对于CH4-α>0.9,对于

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