天然氣分級燃燒器NOx排放的數(shù)值模擬研究

丁冬冬， 劉道銀， 梁 財， 李家敏， 解樹超， 劉太孝，邵萌萌

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096；2. 江西中船航海儀器有限公司，江西九江 332000)

能源緊缺與環(huán)境污染問題始終是當今世界所面臨的兩大問題，隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國各項環(huán)保要求日趨嚴格，部分地區(qū)規(guī)定新建鍋爐的NOx排放質量濃度應低于30 mg/m3[1]，因此，工業(yè)鍋爐降低NOx排放的任務仍然非常艱巨。

燃燒器作為鍋爐組織燃料燃燒的裝置，其性能直接影響鍋爐內燃燒溫度、燃燒熱效率及NOx排放量。常用低NOx燃燒技術主要有空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)技術及濃淡偏差燃燒等。通過改進鍋爐運行方式，抑制燃燒過程中NOx的生成，降低NOx的排放量。

國內外學者對于降低NOx排放量進行了大量研究[2-7]。NISHIMURA M等[8]將低NOx燃燒器應用于蓄熱式工業(yè)爐系統(tǒng)中，將空氣和燃料以一定角度噴射抑制燃燒初期的混合過程，從而降低NOx生成量。CHO E S等[9]研究煙氣再循環(huán)對NOx還原的影響，發(fā)現(xiàn)CO2作為稀釋劑對于NO的還原效果較好；在相同稀釋氣體再循環(huán)比的條件下，對燃料進行稀釋更能降低NO排放。胡滿銀等[10]通過對某煙氣循環(huán)條件下的電站鍋爐的燃燒與NOx排放特性進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)能夠有效降低爐內最高溫度和平均溫度，NOx排放量明顯降低。崔軍[11]對采用細粉再燃低NOx燃燒技術的燃煤鍋爐進行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)采用細粉再燃后，爐內燃燒中心區(qū)域溫度降低，NOx含量降低，NOx排放量隨著細粉量的增加逐漸降低。姬海民等[12]針對某化工燃氣鍋爐進行低NOx改造，發(fā)現(xiàn)增加煙氣再循環(huán)率后，燃燒區(qū)域溫度降低，NOx在燃燒區(qū)域生成量顯著降低，質量濃度始終低于30 mg/m3。宋少鵬等[13-14]對燃燒器進行試驗，發(fā)現(xiàn)隨著二級燃料增加，NOx含量先增加后下降；隨著煙氣再循環(huán)率從0%增加到25%，NOx排放量呈線性減少。董璐[15]對軸向和徑向同時噴射燃料的某燃燒器進行研究，發(fā)現(xiàn)旋流燃燒器內形成中心回流區(qū)，燃燒室頭部區(qū)域NO含量較低，火焰鋒面處NO含量最高，NOx含量隨燃燒區(qū)域空氣過剩系數(shù)的增加先增加后減小，而空氣預熱溫度的升高會促進NOx生成。

筆者針對某天然氣分級燃燒器，通過數(shù)值模擬研究鍋爐和燃燒器內溫度分布、速度分布及NOx排放特性，并且進一步研究采用燃氣分級和煙氣再循環(huán)技術對燃燒過程NOx生成的影響。

1 天然氣分級燃燒器

天然氣分級燃燒器為AWIID新型燃燒器，主要為工業(yè)鍋爐提供熱能。工業(yè)鍋爐系統(tǒng)主要由燃燒器、鍋爐、供氣系統(tǒng)、供風系統(tǒng)及控制系統(tǒng)構成。供風系統(tǒng)為燃燒器提供一次風和二次風。燃燒器內燃氣與空氣進行強烈混合后燃燒，主要燃料為天然氣，燃氣可分為二級。燃燒器通過錐形管道和鍋爐連接，鍋爐整體結構和燃燒器入口結構見圖1。鍋爐高為2.34 m，爐膛直徑為2.15 m，鍋爐出口管道直徑為0.6 m。

2 模型和方法

2.1 物理模型

燃燒器及鍋爐內流動和燃燒過程十分復雜，涉及多相流動、燃燒、輻射傳熱等。基于ANSYS FLUENT軟件，湍流采用標準k-ε模型，天然氣燃燒采用渦耗散組分運輸和化學反應模型，鍋爐內輻射換熱采用P1輻射傳熱模型[15]。天然氣的主要氣體成分為甲烷，筆者將其簡化處理為體積分數(shù)為100%的甲烷。天然氣中幾乎不含N元素，因此只考慮熱力型和快速型NOx。

2.2 網(wǎng)格與邊界條件

圖2為鍋爐和燃燒器整體網(wǎng)格，圖3為燃燒器區(qū)域局部網(wǎng)格。采用四面體非結構網(wǎng)格劃分，在燃氣和空氣入口區(qū)域進行網(wǎng)格加密，網(wǎng)格總數(shù)為338萬。

燃氣和空氣入口均采用速度入口邊界條件，鍋爐出口采用壓力出口邊界條件，燃氣和空氣入口溫度為300 K，壁面為無滑移壁面，壁溫恒定為1 000 K，煙氣再循環(huán)后混合氣體溫度為320 K。

3 結果與分析

3.1 基準工況

采用只有一級燃氣出口，無循環(huán)煙氣，以總燃氣體積流量為580 m3/h條件為基準工況，記為工況A，具體參數(shù)見表1。

表1 工況A數(shù)值模擬條件

表1(續(xù))

結果分析時主要關注鍋爐和燃燒器結構中心線截面的溫度分布、速度分布等，其中Y截面為鍋爐和燃燒器豎直方向截面，X截面為燃燒器水平方向截面。

圖4為工況A鍋爐整體區(qū)域Y截面氣體速度分布。由圖4可知：燃氣和助燃風的高速入射導致燃燒器入口區(qū)域氣體速度較大，達到70 m/s。隨著燃燒的進行，氣體速度下降，鍋爐內部靠近燃燒器火焰出口位置氣體速度較大，燃燒器出口處管道截面擴大，氣體速度減小，鍋爐內氣體速度維持在10～20 m/s，爐膛出口由于面積減小，出口處氣體速度有所增大。

圖5為工況A鍋爐溫度分布。

由圖5(a)可知：燃氣進入燃燒器后迅速和空氣混合發(fā)生燃燒反應，鍋爐和燃燒器區(qū)域溫度明顯升高，高溫區(qū)域主要集中在鍋爐內，最高局部溫度達到了2 600 K，燃燒器火焰出口能明顯觀察到高溫區(qū)域，燃燒反應主要集中于該區(qū)域，鍋爐下部和出口區(qū)域溫度較低，爐膛出口溫度為1 607 K。由圖5(b)可知燃燒區(qū)域主要集中于鍋爐中心區(qū)域。

圖6為工況A燃燒器區(qū)域的氣體速度分布。由圖6可知：燃燒器入口截面局部區(qū)域氣體速度可以達到50 m/s，整個截面中間區(qū)域相對于邊界區(qū)域氣體速度較小，這是因為大量的高速燃氣和一次風從邊界進入燃燒器，局部速度大，而中間區(qū)域只有少量二次風入射。隨著燃燒的進行，從右至左三個截面區(qū)域內速度大的面積逐漸減少，燃氣和空氣逐漸混合燃燒，速度分布在20～35 m/s的區(qū)域面積增大。

圖7為工況A燃燒器區(qū)域的溫度分布。由圖7可知：燃燒器區(qū)域內燃燒并不充分，最高溫度只有1 800 K；隨著燃氣和空氣的混合，管道內開始發(fā)生燃燒反應；隨著燃燒的進行，截面溫度逐漸升高，高溫區(qū)域面積不斷增多。

表2為天然氣燃燒過程中鍋爐出口氣相組分的模擬結果。

表2 鍋爐出口煙氣成分

由表2可得：爐膛出口O2體積分數(shù)為2.57%，含氧量較低說明燃燒狀況良好，O2基本消耗完全。H2O體積分數(shù)為CO2的2倍，符合天然氣燃燒化學反應過程。鍋爐出口NOx質量濃度為219 mg/m3。

圖8為工況A鍋爐和燃燒器區(qū)域NOx分布。

由圖8(a)可知：NOx在燃燒區(qū)域內燃燒器出口處含量最高，燃氣和空氣以非預混方式進入燃燒區(qū)域，因此燃燒器區(qū)域NOx含量較低，剛進入燃燒室時兩者并未發(fā)生反應，NOx的生成集中在燃燒器出口，對比溫度分布，此處是燃氣燃燒形成的火焰鋒面高溫區(qū)域，溫度達到2 400 K，因此熱力型NOx大量生成，NOx體積分數(shù)最高達到了4.5×10-6。由圖8(b)可知：燃燒器區(qū)域內NOx體積分數(shù)為1.5×10-6～3.5×10-6，NOx體積分數(shù)沿著X截面方向初始逐漸增大，進入鍋爐內燃燒區(qū)域內由于燃燒室壁面的冷卻溫度有所降低，NOx的生成量也隨之降低，最終趨于穩(wěn)定。

圖9為工況A燃燒器區(qū)域NOx分布。

由圖9可知：燃燒開始階段燃燒器區(qū)域內幾乎沒有NOx生成，隨著燃燒的進行，在燃燒器出口截面有部分NOx生成，最高體積分數(shù)為0.5×10-6。燃氣進入燃燒器后與空氣混合開始燃燒，氧化物中部分N被氧化，生成燃料型NOx，而燃燒過程中放出大量熱量，溫度升高，空氣中的N2發(fā)生氧化還原反應生成熱力型NOx，熱力型NOx的生成需要高溫，燃燒初期溫度較低，因此NOx含量較低。

3.2 燃氣分級對NOx含量分布影響

采用天然氣燃燒時，可以通過一、二級燃氣分級降低NOx排放量，筆者通過模擬燃氣分級情況下天然氣燃燒得到鍋爐出口NOx含量分布。模擬工況A和S燃氣總體積流量均為580 m3/h，工況S采用燃氣分級條件，研究燃氣分級時兩級燃氣所占不同比例對燃氣燃燒及NOx排放特性的影響。工況S分為S1、S2、S3三個工況，一、二級燃氣體積流量及占比見表3。

表3 一、二級燃氣體積流量及占比

圖10為工況S鍋爐和燃燒器區(qū)域溫度分布。

對比工況A和工況S可得：在相同燃氣體積流量下，燃氣分級時，鍋爐和燃燒器區(qū)域內溫度升高，鍋爐內高溫區(qū)域面積明顯增多。工況A中采用一級燃氣燃燒最高溫度為2 315 K；由工況S模擬結果可得，隨著一級燃氣體積流量占總燃氣體積流量比例從90.00%降至75.00%，燃燒器出口高溫區(qū)域不斷增加，燃燒區(qū)域內最高溫度從2 302 K增加到2 412 K，燃燒區(qū)域內整體高溫區(qū)域不斷增大，因此降低一級燃氣量有利于燃燒反應的進行。

圖11為工況S鍋爐和燃燒器區(qū)域NOx分布。

對比工況A和工況S可得：在相同燃氣體積流量下，采用燃氣分級時，最高NOx體積分數(shù)能夠從4.5×10-6降低到2×10-6，鍋爐和燃燒器區(qū)域內NOx含量整體明顯降低。工況S中一級燃氣體積流量占總燃氣體積流量比例從90.00%降到75.00%時，最高NOx體積分數(shù)從3×10-6降低到2×10-6，一級燃氣體積流量占比越小，導致燃燒區(qū)域內燃料不足，降低了燃料型NOx的生成，燃燒區(qū)域內NOx整體含量越低，因此一級燃氣的減少降低了主要燃燒區(qū)域內NOx的生成。

3.3 煙氣再循環(huán)對NOx含量分布影響

研究煙氣再循環(huán)對燃氣燃燒及NOx排放特性的影響，燃氣體積流量為580 m3/h，助燃風體積流量為5 895 m3/h，循環(huán)煙氣體積流量為963 m3/h，煙氣再循環(huán)率為14%，記為工況R。

圖12為工況R鍋爐和燃燒器區(qū)域溫度分布和NOx分布。對比工況A和工況R可得：在相同燃氣體積流量條件下，增加循環(huán)煙氣后，燃燒器出口高溫區(qū)域不斷減少，燃燒區(qū)域內整體高溫區(qū)域不斷降低，鍋爐內最高溫度從2 315 K降低到2 126 K，因此循環(huán)煙氣的存在會影響爐內燃燒效率；對比圖8(a)和圖12(b)可得，采用煙氣循環(huán)條件能夠有效降低鍋爐內NOx含量，燃燒區(qū)域內最高NOx體積分數(shù)從0.45×10-6降低到0.35×10-6，燃燒區(qū)域內NOx含量整體降低，增加煙氣再循環(huán)后，由于循環(huán)煙氣本身攜帶大量熱量，使得入射空氣溫度升高，因此有利于燃燒器內燃燒反應的進行，燃燒生成的NOx含量明顯降低。

3.4 不同工況NOx排放量對比

通過數(shù)值模擬計算得到不同工況下鍋爐出口整體的NOx質量濃度，具體見圖13。由圖13可得：相對一級燃氣燃燒，在燃氣分級燃燒條件下，鍋爐出口NOx質量濃度有所降低，不分級燃燒時NOx質量濃度為219 mg/m3，采用分級燃燒NOx質量濃度降到200 mg/m3以下；一級燃氣體積流量占總燃氣體積流量比例從90.00%降到75.00%時，鍋爐出口NOx質量濃度明顯降低，從184 mg/m3降低到127 mg/m3，表明可以通過降低一級燃氣量減少鍋爐出口NOx生成。根據(jù)工況R和工況A鍋爐出口NOx質量濃度對比可得：煙氣再循環(huán)條件下鍋爐出口NOx質量濃度大大降低，NOx質量濃度僅為16 mg/m3。這是因為煙氣再循環(huán)時, 爐內平均溫度和最高溫度明顯降低，有效降低熱力型NOx的生成，同時煙氣再循環(huán)降低了爐內O2含量，抑制了燃料型NOx的生成，因此煙氣再循環(huán)能夠有效降低鍋爐出口NOx生成，且效果最明顯。

4 結語

筆者采用數(shù)值模擬研究了天然氣分級燃燒器燃燒特性與NOx排放特性，主要結論如下：

(1)燃氣分級對于NOx排放具有重要的影響，一級燃氣體積流量占總燃氣體積流量比例為81.13%時，NOx質量濃度降低最多，為100 mg/m3，隨著一級燃氣體積流量比例從90.00%降到75.00%時，鍋爐出口NOx質量濃度明顯降低，從184 mg/m3降低到127 mg/m3。

(2) 煙氣再循環(huán)能夠極大地降低鍋爐出口NOx質量濃度，煙氣再循環(huán)時NOx質量濃度可降低到16 mg/m3。