（钢铁冶金专业论文）高温低氧燃烧过程及生成氮氧化物浓度场的数值模拟.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 燃烧现象广泛地存在于各行各业之中。传统的燃烧存在着温度不均、焰心温度高、 n o x 排放量大的缺点。高温低氧燃烧是一种新型的燃烧技术，可大大地降低n 砚的排放 量。研究高温低氧燃烧过程及n 嘎的形成对节约能源、解决污染问题有重要意义。 本研究应用传统的物料平衡和热平衡计算方法，计算了在高温低氧燃烧条件下煤气 和空气在矩形燃烧室内燃烧的过程。应用湍流扩散火焰模型，建立了矩形燃烧室内燃烧 过程的数学模型，结合计算机模拟技术，开发了燃烧室湍流燃烧过程计算机模拟软件。 模拟包括流体流动的连续性方程和动量方程、湍流的k e 双方程、混合分数f 方程、 能量方程和浓度方程。 应用所开发的计算机模拟软件研究了高温低氧燃烧过程。通过计算，得到了燃烧室 内燃烧过程中混合气体的速度分布、温度分布和各种n 0 。的浓度分布等。根据这些计算 结果，可知高温低氧燃烧可以改善煤气和空气的混合条件，提高理论燃烧温度，且使燃 烧室内温度分布均匀，降低n 魄排放量。在此基础上，研究了不同因素对高温低氧燃烧 过程的影响，主要是对燃烧火焰长度的影响情况，又特别研究了对n 0 x 生成的影响。研 究发现，提高中心通道内煤气和空气预热温度，提高空气过剩系数到合适的值都可以有 效地加强煤气和空气的混合，缩短燃烧火焰的长度：提高两边通道空气的预热温度将拉 长火焰长度；若将煤气与空气的预热温度同时提高，火焰长度基本保持不变；提高煤气 流量对于煤气和空气的混合没有影响；同时n o 。的排放量也受到煤气和空气预热温度、 空气过剩系数、煤气流量的不同影响，文中除了给出各种不同影响因素下n o 。浓度分布 的二维图。而且为了更直观的了解各种因素对某一具体n o 。生成的影响，还给出了各影 响因素与某一具体n o x 关系的维图。总体来说，高温低氧燃烧生成氮氧化物的浓度远 远低于常规燃烧氮氧化物的排放量，从而降低对环境的污染，满足我国可持续发展战略 的要求。 关键词：高温低氧、氮氧化物、计算机模拟、燃烧、数学模型 内蒙古科技大学硕士学位论文 s t u d y o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m b u s t i o np r o c e s sa n d n o x f o r m a t i o no i lm g h t e m p e r a t u r e w i t hl o w o x y g e n c o n c e n t r a t i o n a b s t r a c t t h e r ei sw i d e l yt h ec o m b u s t i o n p r o c e s s i na l lk i n d so f f i e l d s b e c a u s eo f t h e s h o r t a g e so f t h e b a d d i s m b u t e d t e m p e r a t u r e ，h i g h t e m p e r a t u r e i n t h e h e a r t o f f l a m ea n d h i g h n o x e m i s s i o n , t h en e w l yc o m b u s t i o n t e c h n o l o g yo f h i g ht e m p e r a t u r ew i m l o w o x y g e nc o n c e n t r a t i o n c o m b u s t i o n ( h t l o c ) i sp u t f o r w a r d i nt h e p r o c e s so f t h i st y p eo f c o m b u s t i o n , t h ee m i s s i o no f n o x g r e a t l y r e d u c e d i ti so n eo f t h em o s te f f i c i e n tw a yt h a t s a v i n ge n e r g y a n d p r o t e c t i n g e n v i r o n m e - n t t o s t u d y t h e c o m b u s t o i n p r o c e s sa n d n o x f o r m a t i o n o n h i g h t e m p e r a t u r e w i t h l o w o x y g e n c o n c e n t r a t i o n t h ec o m b u s t i o n p r o c e s su n d e rt h ec o n d i t i o no f h t l o c i nt h er e c t a n g l ec o m b u s t i o n c h a m b e rw a ss t u d i e d b yu s i n g t h em e t h o d so f t h em a c r om a s sa n dh e a tb a l a n c e t h e c o m p u t e r p m g r a m sd e v e l o p e d f o rt h ec o m b u s t i o n p r o c e s s i nt h ec h a m b e rh a v e a p p l i e d t h et u r b d e md i f f u - s i o nf l a m ef r d dm o d e l n l et d fm o d e lc o n s i s t so f t h e c o n t i n u i t ye q u a t i o na n d t h em o m e i i m - m e q u a t i o no f t h ef l u i df l o w , t h et w o - e q u a t i o nk - t u r b u l e n tm o d e l ，m i x t u r ef a c t i o nf e q u a t i o n a n dt h ec o n c e n t r a t i o n e q u a t i o n n 塘h t l o c p r o c e s s e s w e r e s t u d i e d n 伦p r o f i l e s & t h eg a sa n d t h ea i r v e l o c i t y , t e m p - e r a t u r eo f t h ec o m b u s t i o n p r o d u c t sa n d t h ec o n c e n t r a t i o n p r o f i l eo f s o m e k i n d so f n o xw e l ea n - a l y z e d a c c o r d i n g t ot h er e s u l t so f t h e s i m u l a t i o n , i nt h eh t l o c p r o c e s s , t h em i x i n go f g a s a n d t h ea i rc a nb er a i s e dw i t haw e l l - d i s u i b u t e d t e m p e r a t u r ei nc h a m b e r a n dt h ee m i s s i o no f n o x c a nb er e d u c e d b a s e do n t h i s , t h e r ea r es e v e r a lf a c t o r sa f f e c t i n gt h el e n g t ho f t h ef l a m ea n dt h e n o x f o r m a t i o ni nt h ch t l o c p i 0 0 。e s si nc h a m b e r , t h e s e 蛐g e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t , p r e h e a t i n g t e m p e r a t u r eo f t h eg a sa n d t h ea i ra n dt h er a t eo f f l o wo f t h e g a s t h el e n g t h o f t h ef l a m ei n c r - e a s e sw h e nt h eg a s p m h e a t i n g i sd e c r e a s e da n dt h ee x e 贮s sa i rc o e f f i c i e n ti sr e d u c e d , a n dt h e r ei s n oi n f l u e n c et ot h e l e n g - , t ho f t h ef l a m ew h e nc h a n g i n gt h e r a t eo f f l o w o f t h e g a s w e a l lo f t h et h r e ef a c t o ma r ca l lt h e a f f e c t i n g f a c t o mt on o x f o r m a t i o n , h o w e v e r t h ee m i s s i o no f t h en o x i nh t l o c p r o c e s si ss t i l ll o w e rl a r g e l y t h a nt h a ti nt h et r a d i t i o n a lc o m b u s t i o n p r o c e s s k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r e 诵t hl o wo x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，n o x ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，c o m b u s t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l 2 内蒙古科技人学硕士学位论文 引言 我国是世界燃料消耗大国，节能与环保工作已成为直接关系到我国可持续发展 战略能否顺利实旋的大事。近十多年来，通过发展一系列燃烧技术，取得了相当大 的节能进步，但与国际先进水平相比仍有很大差距，且我们发展的多属常规技术。 因此，广泛开展燃烧的基础研究，推广新型燃烧技术，降低燃耗，减少n o , 和c 0 2 排 放量，是我国燃料利用领域的重要任务。高温低氧燃烧技术是2 0 世纪9 0 年代在国 际燃烧界兴起的一项新型燃烧技术，它完全突破了几百年来人们对燃烧的传统认识， 通过极限回收烟气余热并高效预热燃烧空气，实现了高温( 8 0 0 c ) 和低氧气浓度 ( 5 l o ) 条件下的燃烧，因此具有大幅度节能和大幅度降低烟气中n 0 ，排放的双重 优越性。这项技术不仅可以在钢铁、冶金、机械、建材等工业部门中的多种工业燃 料炉上获得应用，而且由于观念上的突破，还为其它领域如煤炭和垃圾等固体物料气 化、新型锅炉的开发和燃气一蒸汽联合循环开辟了一个新天地。日本和一些发达国 家的实际应用情况表明，这项技术所产生的节能和环保效果是划时代的，因此得到了 国际科学界和工业界的高度重视。但此项技术的基础研究工作在我国近年才刚刚开 始，工业上常用燃料在高温低氧条件下的火焰特性尚未明了，高效节能低污染的燃 烧条件尚未确定，且对高温低氧燃烧技术的研究主要依靠实验方法，对其进行理论 计算的研究很少。 本文尝试着运用数值计算的方法，利用湍流扩散燃烧模型，结合计算机编程， 对高温低氧燃烧过程及生成氮氧化物的浓度进行数值模拟。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 高温低氧燃烧的研究现状 1 1 1 高温低氧燃烧的特点 随着生产的发展和人类社会的进步，人们对燃烧质量的要求越来越高。9 0 年代初 出现的高温低氧燃烧技术，在节约能源，降低污染方面有着很好的效果。近年来，随着 人们对节约能源及改善环境的要求日趋提高，对这项技术的研究也更加趋于细致。 ( 1 ) 传统的燃烧 传统的燃烧是利用含氧21 的空气、含氧21 以上的富氧空气或含氧1 0 0 的纯 氧与可燃物质进行燃烧反应，以获得热能。 ( 2 ) 高温低氧燃烧 所谓高温低氧燃烧是将预热空气的温度提高到8 0 0 1 0 0 0 0 ，并将燃烧空间内的氧 浓度降低到5 1 0 进行点火和燃烧的一种非常规燃烧过程【1 】圄跚。 与传统的燃烧相比，高温低氧燃烧有以下优点【4 】： ( 1 ) 能最大限度回收高温烟气的余热 由于高温空气燃烧技术采用了蓄热式烟气余热回收装置，能够最大限度回收高温烟 气的余热。九十年代初，日本工业炉株式会社田中良一领导的科研小组采用热情性小的 蜂窝式陶瓷体作为蓄热体，可把燃烧所需的空气预热到1 3 0 0 1 4 0 0 c ，比烟气温度仅 低5 0 1 0 0 。c ，而加热炉的排烟温度可降至1 5 0 2 0 0 ，其热回收效率可达8 5 以上。 与传统的燃烧方式相比，可节约近5 0 9 6 的燃料。因此极大程度地降低了加热炉的排烟损 失，达到了有效利用能源的目的。同时也降低了c 幔的排放量，减少了对温室效应的影 响。 ( 2 ) 可以大大提高理论燃烧温度从而使炉温得到提高。 利用回收的烟气余热来预热燃烧所需的空气，可将燃烧空气预热至8 0 0 1 0 0 0 c 以 上的温度水平。由于高温预热空气所具有的物理热增加了炉内的理论燃烧温度，这不仅 使原来不能用于高温工业炉窑的低发热值发生炉煤气和高炉煤气，转化为可用于轧钒和 炼钢等工业炉用的燃气，提高了低热值燃气的使用价值；此外由于炉温的升高，炉内传 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 热增强，可以提高产品的产量和质量。这意味着对于生产相同数量的产品，高温空气燃 烧技术节约了燃料消耗量。 ( 3 ) 可减少n o x 生成量减轻环境污染 在采用高温空气燃烧技术的工业炉中，通过燃烧工况的组织，使燃料在含氧浓度低 于2 1 的助燃空气中进行燃烧，从而降低了n o x 的生成量，减轻对环境的污染。 ( 4 ) 可使沿火焰长度方向上温度分布均匀提高产品质量 图1 1 为传统燃烧方式与高风温低氧燃烧方式下沿火焰长度方向上的温度分布。在 传统的燃烧方式中，由于燃料在喷嘴出口处就与助燃空气相遇并燃烧，因此在喷嘴附近 火焰温度较高( 如图1 1 中曲线1 所示) 。在高温空气燃烧技术中，空气喷口和燃料喷口 之间有一间隔，在空气与燃气混合前，高速的空气射流卷吸一定量的炉内烟气，使助燃 空气中的含氧量降低到1 0 或更低，这样，燃气与低含氧浓度的助燃空气混合，使得火 焰的峰值温度降低并滞后，火焰拉长，炉内的温度分布均匀( 如图1 1 中曲线2 所示) ， 有利于提高被加热产品的质量。 2 0 00 p h 1 5 0 0 娄舢 萤 溉7 0 0 05 0 01 0 0 0 火焰长度加 图i i 传统燃烧方式与高风温低氧燃烧方式下沿火焰长度方向温度分布 3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 2 高温低氧燃烧技术的发展历程 8 0 年代初，英国的h o tw o r kd e v e l o p m e n t 公司和英国燃气公司( b r i t i s hg a s ) 联合开发了一种再生燃烧器( 高速切换型燃烧器) ，用于小型玻璃熔化炉中，节能效果 十分显著。其后，这种燃烧器被广泛应用于英国和美国的钢铁和铝工业中。可使燃烧空 气预热温度在实际工业生产条件下，由6 0 0 。c 增加到1 0 0 0 。c 以上，这是当时工业炉窑余 热回收领域的一项重大技术进步，其它国家也相继开发和采用这项技术，应用对象涉及 玻璃熔化、铝熔化、钢坯加热、垃圾焚烧等各种工业炉窑。这种早期开发的高温空气条 件下的燃烧技术被称为“第一代再生燃烧技术”。这种早期开发的高温空气燃烧技术虽 然大大提高了余热利用率，但也带来了以下问题： ( 1 ) 预热风温比炉温低2 0 0 左右，不能实现所谓极限回收。 ( 2 ) 局部高温使高温预热空气燃烧下产生大量n 0 。气体，n o , 是形成酸雨的主要原 因，对人体和植物有很大危害。 真正意义上的“高温空气燃烧技术”是在进入9 0 年代以后，在原有高效节能技术 的基础上，通过实现低n 0 。排放而发展起来的，即将节能和环保结合起来。该技术的核 心是快速切换型蓄热式燃烧技术。所以，高温空气燃烧技术又称为蓄热式燃烧技术。日 本n k k 公司和日本工业炉公司于1 9 8 5 年就开始进行了该技术的基础研发，合作研制以 压力损失小，比表面积大的蜂窝体为蓄热材料，并提出了降低空气含氧量后进行燃料燃 烧的新概念，于9 0 年代初开发出同时实现极限余热回收和低n q 燃烧的蓄热式烧嘴，并 因此提出了与传统燃烧方式机理完全不同的高温低氧燃烧技术，从而开创了针对燃用清 洁或较清洁的气体和液体燃料的工业炉窑和工业锅炉开发应用高温空气燃烧技术的新时 代。使用这种蓄热式烧嘴的燃烧技术被称为第二代再生燃烧技术。日本一些大钢铁公司 将该技术应用在大型轧钢加热炉上，普遍收到了节能3 0 ，产量提高2 0 9 6 以上的效果 【6 】。 第二代再生燃烧技术与第一代再生燃烧技术相比，其主要区别表现在： ( 1 ) 第一代再生燃烧技术的蓄热体采用小球状陶瓷材料，传热面积小；第二代再生 燃烧技术的蓄热体为蜂窝状陶瓷体，传热面积大，可以提高预热空气温度，实现极限余 热回收，见图1 2 及表1 1 。 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 形状固瞪 絮潞加n 擀知 歼孔幂 靠t 矾) t 件 一町 比曩面职 2 哇o a m l 拍4 s r ，f i 图1 2 蓄热体形状比较 ( 2 ) 第二代再生燃烧技术提出高温低氧燃烧的新概念，在实际应用中不仅提高了燃 料利用率，而且可以降低n o , 的排放量，减少环境污染。 表1 1 两种典型陶瓷蓄热体比表面积 小 直径d ，m m 1 01 21 52 a” 球 单位体积表面积m - m ，3 7 83 l s2 s 2，b 91 5 l 蛙单位截面孔数玎- _ 5 0i 1 5 az 3 a d 窝 体 单位体积表面积m 、m ，l0 z l3 8 9l6 4 6ib 6 t o21 7 6 1 1 3 高温低氧燃烧技术的发展现状 国际上十分重视高温低氧燃烧技术的开发研究工作，1 9 9 8 年日本有5 0 余家企业采 用高温燃烧技术改造工业炉窑，其节能效果平均达到3 0 ，n o , 指标达到日本政府环境要 求以内。日本工业界将把推广应用高温低氧燃烧技术作为新世纪节能和环境保护的主要 任务之一。我国是能源消耗的大国，但是能源利用率仅为3 4 ，比发达国家约低十个百 分点，落后约2 0 年，的排放量占全球总排放量的1 1 ，仅次于美国。开发利用高温 空气燃烧技术，对提高我国能源利用效率，改善环境污染，降低企业的生产成本以及提 高企业的竞争力将做出重大贡献1 5 j 0 利用高温低氧燃烧技术的优点，可对工业上使用的熔炼炉，加热炉，热处理炉等各 种炉窑进行技术改造，可以实现在提高产品的产量和质量的同时，大大提高热利用率并 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 减少n o 。c o 。等污染物的排放。此外，高温空气燃烧技术还可应用于开发新型燃气( 或燃 油) 锅炉及煤( 或可燃固体废弃物) 的燃气发生系统【7 l 。 新型燃气( 或燃油) 锅炉将传统锅炉与高温空气燃烧技术相结合，其工作原理是两个 烧嘴周期性地交替工作。燃料燃烧所释放的热量主要以辐射换热的方式传给水冷壁中的 水。这种锅炉不需设置对流受热面，可减小锅炉尺寸，降低设备投资同时还可使用低热 值燃料。 新型燃气发生系统是在高温空气下将煤( 或可燃固体废弃物) 中的可燃物经气化后产 生热值较高的燃气，其系统流程如图1 3 所示。在该系统中，用1 0 0 0 ( 2 的高温空气来 气化煤或可燃固体废气物，产生的燃气先经过余热锅炉，然后进行净化，去除燃气中的 h 2 s 等有害物质。净化后的燃气一部分用于加热气化用空气，使其温度达到1 0 0 0 。c ，另 一部分作为燃料用于生产和生活1 8 l - - 1 5 1 。高温空气燃烧技术用于燃气发生系统，所产生 的燃气值明显高于常温空气下获得的燃气热值：而且可燃固体废弃物经气化生成燃气， 实现了废物利用，既净化了环境，又会带来较高的经济效益。 在对其技术原理和工业应用性能进行研究的过程中，也有一些人对其进行了实验研 究和一定的数值模拟。发达国家在研究与开发高温空气燃烧技术方面已取得了7 0 多项 专利【3 】。 图1 3 高温空气燃烧技术用于煤或可燃固体废弃物气化系统流程图 6 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 4 是一台用于研究火焰特性的热态实验装置，进行高温低氧空气燃烧火焰观 察实验研究，采用电加热法预热助燃剂，预热温度变化范围为3 8 0 1 0 0 0 ：采用掺氮气 的方法调节助燃剂中氧的体积浓度，其变化范围为2 1 2 【旧。 实验得到不同助燃剂预热湓度与含氧浓度时的火焰图，见图1 5 。 在数值模拟方面，国内也有一些研究。例如图1 6 是应用计算机模拟软件对开发的 一种新型栅格式燃烧器的燃烧特性进行了模拟研究，得出了该燃烧器在使用过程中温度 分布的情况。对于作出的这项数值模拟的研究得出的结论是：从温度分布来看，由于其 混合效果很好，燃烧火焰短，温度分布均匀，因此该燃烧器的使用可以大大降低燃烧室 的高度，最适宜于在外燃式热风炉上使用，对于内燃式热风炉由于其高温区下移很多， 火焰区集中在下部，可能对燃烧室下部的耐火砖造成影响，在设计时需特别考虑。当然 其优点是整个燃烧室内的温差很小，产生的应力也较小【l ”。 嗣w 图1 4高温低氧空气燃烧火焰观察实验流程图 1 炉膛2 过渡段卜高温空气预热段4 - 低温空气预热段s _ 谜风 段6 - 胡压器7 - 姻道8 - 空气干燥过滤器9 _ 舶气式热电偶l o _ 韫 度信号采集器1 1 计算机处理系统1 2 - - 丙烷注入通道1 h z b _ 2 5 型玻璃 转子流量计1 4 - - i z j - 1 5 型玻璃转子流量计1 5 _ _ i 刁w w b 型玻璃转子济e 量计 1 6 手动调节阀1 7 一压力表1 8 _ 诫压阀1 9 _ 聋气压缩机2 0 一电动机 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 5 不同助燃剂预热温度与含氧浓度时的火焰 图1 6 栅格式燃烧器温度分布图 8 内蒙古乖4 - 9 大学硕士学位论文 从上述资料来看，对高温低氧燃烧技术的研究主要依靠实验方法，对其进行理论计 算的研究很少，而利用计算机数值模拟方法来研究高温低氧燃烧生成不同类型氮氧化物 浓度分布的资料也很少看到。 1 2 研究的意义和背景 1 2 1 课题研究的背景 人类已经进入2 l 世纪，环境问题更加成为世界各国关注的热点。环保产业作为新 兴的朝阳产业，在防治环境污染，实施环境与经济可持续发展方面发挥了重要作用。空 气污染主要是人类大量燃烧化石燃料造成的，并主要分布在污染源集中的城市地区。在 我国城市大气中，大气中的污染物主要来自硫和氮的氧化物。氮氧化物的天然来源主要 包括闪电、林火、火山活动和土壤中的微生物过程，广泛分布在全球，对某一地区的 浓度不发生什么影响。人为排放的氮氧化物主要集中在北半球人口密集的地区，大多数 来自燃料的燃烧，如以原煤为燃料的火电厂、工业窑炉、民用锅炉等。据统计，2 0 0 5 年以后火电厂燃煤量将超过煤炭消费总量的一半，2 0 2 0 年将超过7 6 。而汽车等机动 车以汽油、柴油为燃料，其尾气中氮氧化物的浓度也相当高。j l 螽测表明，近年来，我国 一些特大型城市的空气氮氧化物浓度超标，氮氧化物的环境容量已基本处于饱和状态， 一些地方甚至产生光化学雾现象。机动车排放和电站燃烧化石燃料差不多占氮氧化物人 为排放量的7 5 ( 见图1 7 ) 。欧美一些国家是世界上排放二氧化硫和氮氧化物最多的 国家。但近1 0 多年来亚太地区经济的迅速增长和能源消费量的迅速增加，使这一地区 的各个国家。特别是中国成为一个主要排放大国。氮氧化物难溶于水，易于侵入呼吸道 深部细支气管的纤毛上皮细胞和肺细胞，并可发生肺气肿样症状。它还能缓慢地溶于肺 泡表面的水分中，形成亚硝酸、硝酸，对肺组织产生强烈的刺激和腐蚀作用，引起肺水 肿。亚硝酸盐进入血液以后，与血红蛋白结合生成高铁血红蛋白，引起组织缺氧。二氧 化氮与支气管哮喘有关，对心、肝、肾以及造血组织等均有影响，慢性中毒作用主要表 现为神经衰弱症状。氮氧化物也是造成酸雨污染的主要致酸物质，我国一些地方的酸雨 污染性质已开始由单一的硫酸型向硝酸根离子不断增加的复合型转化。酸雨的长距离输 送，则使酸雨污染发展成为区域环境问题和跨国污染问题。酸雨问题首先出现在欧洲和 北美洲，现在已出现在亚太的部分地区和拉丁美洲的部分地区。欧洲和北美已采取了防 9 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 止酸雨跨界污染的国际行动。在东亚地区，酸雨的跨界污染己成为一个敏感的外交问 题。欧洲和北美国家经受多年的酸雨危害之后，认识到酸雨是一个国际环境问题，单独 靠一个国家解决不了问题，只有各国共同采取行动，减少二氧化硫和氮氧化物的排放 露万吨3 0 2 0 o 一 ， 一 p o s ，- 却埘咪棚酗哪霸蒯 l 确l 呦鲫1 斓l 蛳卿。 图1 7 世界化石燃料燃烧排放的氮氧化物( 1 9 5 0 - - 1 9 9 3 ) 量，才能控制酸雨污染及其危害1 8 】【l 9 】。 1 2 2 燃烧生成氮氧化物的类型 通过研究，目前比较统一的看法是，燃料燃烧中氮氧化物的生成机理可分为三种： 热力型，燃料型和快速型刚 ( 1 ) 热力型 当燃烧火焰中出现高温时，空气中的氮气和氧气化合反应，生成热力型n o i 。这种 类型的氮氧化物是高温低氧燃烧n o 。生成的主要途径。 ( 2 ) 燃料型 当燃料中含有氮的化合物时，氮在较低的温度下被释放出来，氧化生成燃料型 n 0 l 。 ( 3 ) 快速型 1 0 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 由于动力学因素而形成的n o ，称为快速型氮氧化物，它主要是烃类燃料分解产生的 c h 游离基与空气中的氮气反应生成h c n 的n ，再与q 作用快速生成的，是富碳氢类燃料 燃烧时特有的现象。 1 2 。35 睾1 聂氮氧化物排放量的方法 为了控制燃烧装置排放的氮氧化物对生态环境的危害，国外从5 0 年代起就开始了 燃烧过程中氮氧化物生成机理和控制方法的研究。到7 0 年代末和8 0 年代，直至9 0 年 代，低氮氧化物燃烧技术的研究和开发达到了高潮，开发出了一系列技术，诸如分级燃 烧，控制过剩空气量等各种方法来降低燃烧区的氧含量，达到降低氮氧化物排放水平 2 1 1 。 纵观低n o ，燃烧技术的发展过程，可大致划分为三代 2 2 h 3 3 。 ( 1 ) 第一代低n o 。燃烧技术措施 这一代措施不要求对燃烧系统做大的改动，只是对燃烧装置的运行方式或部分运行 方式做调整或改进。因此简单易行，可方便地用于现役装置，但n o , 的降低幅度十分有 限。 低过剩空气系数运行 这是一种优化装置燃烧、刚氐n o 生成量的简单方法。它不需对燃烧装置做结构改 造，并有可能在降低n o , 排放的同时，提高装置运行的经济性。低过剩空气系数运行抑制 生成量的幅度与燃料种类、燃烧方式以及排渣方式有关。 需要说明的是，电站锅炉实际运行时的过剩空气系数不能做大幅度的调整。对于燃 煤锅炉而言，限制主要来自于过剩空气系数低时会造成受热面的粘污结渣和腐蚀、汽温 特性的变化以及因飞灰可燃物增加而造成经济性下降。对于燃气、燃油锅炉而言，主要 限制在于c o 浓度超标。 降低助燃空气预热温度 降 氐助燃空气预热温度可降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型n o , 的生成量。这 一措施不宜用于燃煤、燃油锅炉，对于燃气锅炉，则有降低n o , 排放的明显效果 浓淡燃烧技术 内蒙古科技大学硕士学位论文 这种方法是让一部分燃料在空气不足的条件下燃烧，即燃料过浓燃烧：另一部分燃料 在空气过剩的条件下燃烧，即燃料过淡燃烧。无论是过浓燃烧还是过淡燃烧，其过剩空气 系数n 都不等于1 。前者 1 ，故又称为非化学当量燃烧或偏差燃烧。 浓淡燃烧时，燃料过浓部分因氧气不足，燃烧温度不高，所以，燃料型n 0 ，和热力型n n 都会减少。燃料过淡部分因空气量过大，燃烧温度低，热力型n o 。生成量也减少。总的结 果是n o , 生成量低于常规燃烧。 这一方法可以用于燃烧器多层布置的电站锅炉，在保持入炉总风量不变的条件下，调 整各层燃烧器的燃料和空气量分配，便能达到降低n o , 排放的效果。 炉膛内烟气再循环 把烟气掺入助燃空气，刚氐助燃空气的氧浓度，是一种降低燃煤液态排渣炉，尤其是 燃气、燃油锅炉n n 排放的方法。 通常的做法是从省煤器出i e i 抽出烟气，加入二次风或一次风中。加入二次风时，火焰 中心不受影响。其唯一作用是降低火焰温度，有利于减少热力型n o 。的生成。对固态排渣 锅炉而言，大约8 0 的n o , 是由燃料氮生成的，这种方法的作用就非常有限。 对于不分级燃烧器，在一次风中掺入烟气效果较好，但由于燃烧器附近的燃烧工况会 有所变化，要对燃烧过程进行调整。 部分燃烧器退出运行 这种方法适用于燃烧器多层布置的电站锅炉。具体做法是停止最上层或几层燃烧器 的燃料供应，只送空气。这样，所有的燃料从下面的燃烧器送入炉内，下面的燃烧器区实 现富燃料燃烧，上层送入的空气形成分级送风。这种方法尤其适用于燃气、燃油锅炉而 不必对燃料输送系统进行重大改造。德国把这种方法用在褐煤大机组上，效果不错。 ( 2 ) 第二代低n o 。燃烧技术措施 这一代措施的特征是助燃空气分级送入燃烧装置，从而降低初始燃烧区( 也称一次区) 的氧浓度，相应地也降低火焰的峰值温度。属于这一代措施的有现阶段广泛应用于电站 锅炉的各种低n o , 空气分级燃烧器。 炉膛内整体空气分级低n o , 直流燃烧器 1 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 这种燃烧器与传统直流燃烧器不同的是在其顶部增设了一层或两层所谓的燃尽风喷 口( o f o v e r f i r e a i r ) ，一部分助燃空气通过这些独立的喷口送入炉膛。这样燃烧 器区处于过剩空气量较低的工况下，抑制了n 0 。的生成。顶部投入的燃尽风用于保证燃料 完全燃烧。 在特殊的情况下，燃烧器区域可以在低于理论燃烧空气量下运行。这种燃烧器的技 术关键有三点：一是要合理确定燃尽风喷口与最上层煤粉喷口的距离。距离大，分级效果 好，n o 。下降幅度大，但飞灰可燃物会增加。合适的距离与炉膛结构、燃料种类有关。二 是燃尽风量要恰当。风量大，分级效果好，但可能引起燃烧器区域因严重缺氧而出现受热 面结渣和高温腐蚀。合理的燃尽风量对于燃煤炉约为2 0 左右，燃气、燃油炉可以再高 一些。三是燃尽风要有足够高的流速，以保证与烟气的良好混合。 空气分级低n o , 旋流燃烧器 这种燃烧器的特点是在其出口实现助燃空气逐渐混入煤粉空气射流，其难点是要准 确地控制燃烧器区域燃料与助燃空气的混合过程，以阻止燃料氮转化为n o , 的反应和热力 型n o 。的生成，同时又要保证较高的燃烧效率。其做法是通过合理的结构设计，控制燃烧 器喉部燃料和空气的动量以及射流的流动方向。 燃料与空气混合物( 一次风) 和二次风形成初始燃烧区( 一次火焰) 。由于二次风的旋 流作用和燃烧器锥口的作用，形成一个内回流区。加热并使一次风着火。挥发分和含氮组 分的大部分在此区中析出，但因处于欠氧和高c o 、浓度之中，限制了含氮组分向n o , 的转换。 二次风从一次火焰的下游混入，形成燃尽风，在此区内，未燃尽的碳粒完成其缓慢的 燃尽过程，低氧浓度也能抑制n o , 的生成。 ( 3 ) 第三代低n o , 燃烧技术措施 这一代措施的主要特征是空气和燃料都是分级送入炉膛，燃料分级送入可在燃烧器 区的下游形成一个富集n i l 、c m t l 、h c n 的低氧还原区，燃烧产物通过此区时，已经生成的 n o 。会部分地被还原为n ：。 属于这一代措施是空气燃料分级低n o 。旋流燃烧器和用于切圆燃烧方式的三级燃 烧。 1 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 空气燃料分级低n 旺燃烧器 这种燃烧器的特点是在一次火焰的下游投入部分燃料( 又称辅助燃料、还原燃料) ， 形成可使部分己生成的n o , 还原的二次火焰区。 首先，与空气分级低n o , 燃烧器一样形成一次火焰，二次风的旋流作用和接近于理论 空气量燃烧可以保证火焰稳定性。还原燃料在一次火焰下游一定距离混入，形成二次火 焰( 超低氧条件) 。在此区域内，已经生成的n 0 。在n 地、h c n 和c 0 等原子团的作用下被还 原为n 。分级风在第三阶段送入完成燃尽过程。 这种燃烧器的成功与否取决于以下因素： ( 1 ) 一次火焰的扩散度： ( 2 ) 二次火焰区的空气比例( 还原燃料量) ： ( 3 ) 燃烧产物在二次火焰区的停留时间： ( 4 ) 还原燃料的反应活性。 增加还原燃料量有利于n o , 的还原，但还原燃料过多会使一次火焰不能维持其主导作 用并产生不稳状况。最佳还原燃料比例在2 0 9 6 3 0 9 6 之间。 还原燃料的反应活性会影响燃尽时间和燃烧产物在还原区的停留时间。用氮含量 低、挥发分高的燃料作为还原燃料较佳 三级燃烧技术 三级燃烧又称再燃烧炉内还原( i f n r ) 或m a c t 法，是直流燃烧器在炉膛内同时实施 空气和燃料分级的方法。 采用此技术时，炉膛内形成3 个区域，即一次区、还原区和燃尽区。 在一次区内，主燃料在稀相条件下燃烧，还原燃料投入后，形成欠氧的还原区，在高温 ( 1 2 0 0 c ) 和还原气氛下析出的n h 3 、h c n 、吼等原子团与来自一次区已生成的n 0 。反应， 生成n ：。燃尽风投入后，形成燃尽区，实现燃料的完全燃烧。 这种方法操作容易、费用低，与其它先进的手段结合，可使n o , 排放量下降8 0 左右， 是目前在发达国家颇受青昧的方法。 综上所述，以上各类方法都有着不同程度的优缺点。实际中，效果较好的燃烧方 法，都或多或少涉及到了高温低氧燃烧方法。高温低氧燃烧技术是新一代燃烧技术，可 ，1 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 大幅度降低及有效控制氮氧化物的生成。有关此项技术的基础研究及其开发应用研究工 作仍有待进一步开展。 1 2 4 对高温低氧燃烧计算研究的重要性 我国是世界燃料消耗大国，节能与环保工作已成为直接关系到我国可续发展战略能 否顺利实施的大事。近十多年来，通过发展一系列燃烧技术，取得了相当大的节能进 步。但与国际先进水平相比仍有很大差距，且我们发展的多属常规技术，国际上对常规 技术的节能潜力基本上是感到走到了尽头，难以取得更大的突破。 因此，广泛开展燃烧的基础研究，推广新型燃烧技术，降低燃耗，减少n o ；和c o z 排放量，是我国燃料利用领域的重要任务。高温低氧燃烧技术是2 0 世纪9 0 年代在国际 燃烧界兴起的一项新型燃烧技术。但此项技术的基础研究工作在我国近年才刚刚开始， 工业上常用燃料在高温低氧条件下的火焰特性尚未明了，高效节能低污染的燃烧条件尚 未确定。这种状况如不尽快改变，将会延缓高温空气燃烧技术在我国的兴起。为此，我 们要紧跟国际研究动态，加速高温低氧燃烧技术在我国的研究，开发，推广应用的步 伐，并开展我国工业常用燃料在高温低氧条件下的火焰特性及燃烧机理的研究。 1 2 5 高温低氧燃烧研究开发方向 随着新型燃烧技术的不断发展。对燃烧的装置，效率，稳定性，成本，低污染等方 面提出了更高的要求。高温低氧燃烧技术需要从基础理论上进一步发展，通过在不同条 件下建立燃烧模型，探索其一般性规律。 ( 1 ) 环保节能方面 a 环保 对于降低氮氧化物的排放浓度，从而减小对环境的污染的研究仍是努力的主要方 向。 b 节能 提高燃烧效率，在同样燃烧质量的前提下，节约能源。进而可减少c q 的排放。 ( 2 ) 燃烧稳定性方面 要求燃烧具有很好的稳定性。 ( 3 ) 燃烧装置的设计方面 1 5 内蒙古科技大学硕士学能论文 高温低氧燃烧装置的设计是向小型化，结构紧凑，寿命长，效率高，成本低的方向 发展。 在查阅资料中，可看出我国对于蓄热式燃烧技术的研究与应用已有了较成熟的经 验，但将此项技术应用到高温低氧燃烧中，并对其中的传质，传热现象进行研究，只有 日本等国家进行了部分及小范围的实验及工业应用胛l 。我国对此的基础研究及其开发应 用研究工作做的并不多，需要不断努力，加强此项工作的开展。因为只有好的燃烧装置 才能稳定的产生高温空气，在炉内实现均匀的低氧浓度气流，从而为高温低氧燃烧技术 的理论研究创造物质条件。 1 2 6 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金和上海宝钢集团联合资助“钢铁联合研究基金”的 “高温空气燃烧机理的f s c i m o 湍流燃烧模型研究”( 基金号5 0 1 0 4 0 0 1 ) 。本文作者主 要进行高温低氧燃烧过程及氮氧化物生成的数值模拟研究。 1 3 结论 综上所述，到目前为止对高温低氧燃烧的研究工作在我国尚处于起步阶段，而对高 温低氧燃烧生成氮氧化物浓度分布的研究更是少之又少。本文尝试在前人工作基础上， 通过进一步的深入研究，将燃烧理论和计算机相结合，对高温低氧燃烧氮氧化物的生成 作一些研究。具体研究工作包括一下几个方面： 应用传统的热平衡和物料平衡理论对燃烧室燃烧过程进行研究，从宏观上确定 燃烧室入口流速及理论燃烧温度： 应用湍流扩散燃烧理论，在已有的计算机软件基础上开发燃烧室燃烧过程中的 计算机模拟软件； 应用所开发的计算机应用软件对矩形燃烧室燃烧过程进行模拟研究，确定出燃 烧过程中气体的速度分布、温度分布及燃烧生成的各类氦氧化物的浓度分布。 ，1 6 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 在进行湍流燃烧过程计算时，首先需进行燃烧过程物料平衡和热平衡的计算，来确 定在不同模拟条件下进入燃烧室的燃气和空气量，以及根据热平衡来确定模拟条件下的 理论燃烧温度d ”。 2 1 计算模型尺寸 计算选用矩形燃烧室，其形状示意图如图2 1 所示。 弩。厂 。 薯之二二二二二二| _ ：二一二二1 日 鸳刮l 图2 1 燃烧室形状示意图 燃烧室长度为8 o m ，高度为o 6 m 煤气入口面积为0 0 3 6 m z ； 空气入口面积为0 0 6 m 2 。 2 2 煤气条件 选用煤气的成份表见表2 1 表2 1 煤气成份表 l组分 c oc 晚n 2h c n 、c h i体积分数w ( ) 3 096 01 查阅资料0 6 】书羽可算得煤气的低发热值为3 7 9 3 2 k j m 3 煤气温度为3 0 * ( 2 ，设计流量为5 0 0 m 3 h 煤气密度( 0 ) 及各组分质量分数的计算： 标准状态下煤气中各组分密度见表2 2 1 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 表2 2 标准状态下煤气中各组分密度 组分 c o c o ,n 2h c n 、c h i密度( o ) p ? 1 2 51 _ 9 71 2 5 0 70 9 3 8 砩= 2 去= 1 3 1 2 1 ( k g m 3 ) - 或 驴恭o = 学 计算得到煤气中各组分的质量分数，以及各组分的体积分数和密度见表2 3 表2 3 标准状态下馍气中各组分体积分数、质量分数和密度 组分 c oc 0 2n 2h c n 、c h 体积分数w ( ) 3 096 01 密度( o ) p o ( k g m 3 ) 1 2 51 9 71 2 5 0 7o 9 3 8 质量分数m ( ) 2 8 5 81 3 5 l5 7 1 9o 7 2 2 3 空气条件 应用与煤气中同样的计算方法，可以确定出标准状态下空气中氧气和氮气的质量分 数、体积分数和密度，见表2 4 表2 4 标准状态下空气中各组分体积分数、质量分数和密度 组分qn 2 体积分数w ( ) l o9 0 密度( 0 ) p o ( k g m 3 ) 1 _ 4 2 91 2 5 0 7 质量分数m ( ) 1 1 2 78 8 7 3 1 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 空气密度 p ：= p ? w ，= 1 2 6 8 ( k g m 3 ) 将煤气和空气中的各组分归纳为四种，即可燃部分f u ，产物部分p r 以及n ：和氧 气0 x ，则煤气和空气中各组分的质量分数如表2 5 所示， 表2 5 标准状态下煤气和空气中各组分的质量分数 组分( 质量分数，) f up ro x n 2 h c n 、c h 煤气( f ) 2 8 5 81 3 5 1o5 7 。1 9o 7 2 空气( a ) oo1 1 2 78 8 7 3o 2 4 物料平衡计算 2 4 1 所需空气量计算( 按煤气中c o 与空气中的0 2 等当量计算) 煤气的体积流量为5 0 0 m 3 h ( 1 ) 煤气质量流量 5 0 0 x 1 3 1 2 1 = 6 5 6 1 k g h ( 2 ) c o 质量流量( 煤气中c o 的质量分数为2 8 5 蹁) 6 5 6 1 0 2 8 5 8 = 1 8 7 5 ( 3 ) 所需0 。