山东大学能源与动力工程学院《燃烧理论》课程阅读论文报告

山东大学能源与动力工程学院燃烧理论课程山东大学能源与动力工程学院燃烧理论课程 阅读论文报告阅读论文报告 姓 名： 陈昌贤 班 级： 08 级热工 A 班（1） 学 号： 20073002002 2011 年 6 月 10 日 在富燃料煤粉燃烧过程中，碳氢化合物反应 对氮氧化物形成和减少的影响 摘要摘要： 我们已经研究出了一种氮氧化物在煤粉燃烧中的反应机理模型化的指标。 这种煤 中氮的反应机理通过在各种燃烧条件下的沉降炉实验而得到了验证。 我们提出气相化学计量 比（SRgas）作为一个重要的指标，用以评估在富燃料火焰中氮氧化物的浓度。SRgas 的定义 是：SRgas=按化学计量学燃烧所需的燃料量/气化燃料量。在这里，所谓气化燃料量是指通 过热解、氧化和气化反应而释放出的气相燃料量。当 SRgas1.0 时，SRgas 的值对氮氧化物 浓度有很大的影响，在这种情况下，氮氧化物浓度几乎不受煤质、煤粒大小和反应时间的影 响。基于这个指标，我们制定了一种模型用以分析煤粉在空气燃烧和在 CO2/O2燃烧下氮氧 化物和 XN(HCN,NH3)的浓度。如果忽略碳氢化合物与氮氧化物的反应，氮氧化物和 XH 的浓 度不会重现实验结果。碳氢化合物反应对氮氧化物和 XH 都很重要，尤其对于在空气中的燃 烧。在本模型中，一个经验公式用于判断煤火焰中碳氢化合物总浓度。其中有复数的芳香环 的重烃反应对分析了煤燃烧碳氢化合物的详细反应机理非常重要的。 当燃烧温度和 SRgas 都 相同时， 在煤燃烧中总烃浓度高于在轻型气态烃燃烧中总烃浓度。 在氧气中燃料燃烧总烃浓 度比在空气中燃烧低， 我们通过沉降炉和安装有低氮氧化物燃烧器的实验室用炉， 验证了所 提出的模型。 关键词：关键词：低氮氧化物燃烧 煤粉 反应模型 气相化学计量比 碳氢化合物反应 研究工作的原因研究工作的原因/背景背景/意义意义 得益于计算机技术的快速发展， 由计算机进行的数值分析对于设计煤粉锅炉和氮氧化物 排放的环保性能等应用越来越多。多种氮氧化物减排技术已经被提出，如分级燃烧、再燃烧 和通过使用低氮氧化物燃烧器还原火焰中的氮氧化物。 这些技术有一个共同点， 就是氮氧化 物形成减小的区域都是燃烧火焰中氧浓度很低的区域。然而，对于煤燃烧，氮氧化物性能的 很容易变化与燃烧条件有关， 如煤质和煤粒大小。 本研究的目的是提出一个反应模型可以可 靠地预测氮氧化物排放浓度。 研究方法研究方法 使用沉降炉，助燃气体是空气或 N2, O2, CO2和 H2O 的混合气，煤粉与助燃气体预混后 通过喷嘴喷射。 助燃气体的流量为 0.96 Nm3/h， 煤炭进给速度根据不同的实验从 0.02-0.5Kg/h 不等。轴向采样位置作为不同的实验条件，对三种煤样：亚烟煤、高挥发分烟煤和低挥发分 烟煤进行了测试，由锥形容器里水中的 NH4+和 CN-的浓度得到 HCN 和 NH3的浓度和总的气 体流速，由连续分析仪器测得氮氧化物、O2、CO 和 CO2，用气相色谱法测定。 实验实验结果结果 1减少氮氧化物的重要指标。 煤炭燃尽程度和氮氧化物浓度的关系： 当灰烬与挥发分比超过 1.5 时可以认为燃烧进入 焦炭燃烧区，对于高挥发分烟煤和低挥发分烟煤，氮氧化物减少开始于焦炭燃烧区。对于亚 烟煤，氮氧化物减少开始于挥发分燃烧区，而且进入焦炭燃烧区后氮氧化物继续减少。 气相化学计量比（SRgas）和氮氧化物浓度的关系：点燃之前，SRgas 最大且为无穷大，随着 燃烧的进行 SRgas 单调下降。当 SRgas1.0 时，随着烧烧的进行，氮氧化物不断增加。对于 所有的煤种，当 SRgas1.0 时，氮氧化物开始减少。当 SRgas1.0 时，氮氧化物的浓度随 着 SRgas 值的减小而迅速减小。氮氧化物浓度几乎不受煤质的影响，SRgas 可能是一个关键 指标来预测在富燃料条件下氮氧化物的浓度。如果 SRgas 的值足够小，就很有可能实现低氮 氧化物燃烧而不受煤质的影响。 2氮氧化物反应模型 碳氢化合物和 OX 是本模型中重要的还原剂和氧化剂，它们的浓度取决于 SRgas 值，而 OX 浓度的估计值可用公式表示如下：OH= 1.3 x 104exp(13,000/T)xOHeq。多相反应对于预 测火焰下游区氮氧化物浓度也很重要。 焦炭中的氮是以 XN,氮氧化物和/或 N2的形式释放的。 释放的比率用 和 来表示。在本研究中，当 约为 0.25 和 约为 0.6 时，氮氧化物的 XN 的预测精度高。 3碳氢化合物反应 碳氢化合物,XN 和氮氧化物之间的反应：当碳氢化合物浓度高时，无论对煤燃烧还是丙 烷燃烧，XN 浓度都提高了。当碳氢化合物和 XN 浓度上升时，氮氧化物浓度将下降。氮氧 化物，碳氢化合物和 XN 浓度之间遵守一定的相关性，并且不受煤质的影响。 SRgas对碳氢化合物浓度的影响： 对了煤/空气燃烧， 当SRgas下降时碳氢化合物浓度将上升， 但是在较大的 SRgas 值时碳氢化合物浓度也将上升。 4XN 和氮氧化物的反应 煤粉在空气中燃烧时，碳氢化合物反应对 XN 形成起到很大的作用，而煤粉在 CO2/O2 燃烧时，碳氢化合物反应对 XN 的形成显得不重要。 在富燃料燃烧条件时， 碳氢化合物反应在 SRgas1 的状况下对其作用很小。另外，在 CO2/O2 燃烧时，当氧化自由基（如 OH） 浓度下降， 氮氧化物浓度也随之下降。 实验还得出， 在煤粉点燃的初期， 氮氧化物快速形成， 但如果然 SRgas 足够小的话，它不会对后期的氮氧化物浓度产生影响。 5模型验证 实验结果反应的 O2,NOX 和 XN 浓度随在实验用炉中心轴线上位置的变化趋势和计算结 果的是相符的 研究结论研究结论 本文研究了煤粉在富燃料燃烧氮氧化物反应机理得出如下结论： （1）提出了气相化学计量比（SRgas）这一概念，作为评估富燃料火焰中氮氧化物的浓 度。 其中 SRgas 定义为按化学计量学燃烧所需的燃料量和气化燃料量之比。 当 SRgas1.0 时， 氮氧化物浓度受 SRgas 值影响很大；当 SRgas 值相同时，氮氧化物浓度几乎不受煤质、煤粒 大小和反应时间的影响。 （2）开发了一个分析煤在空气和在 CO2/O2 燃烧时氮氧化物和 XN（HCN,NH3）浓度的 模型，分析了碳氢化合物反应对氮氧化物和 XN 形成与减少的影响，得到碳氢化合物反应对 氮氧化物和 XN 的重要性，尤其是对煤粉在空气中燃烧的情况下。 （3）发现重烃反应对分析煤粉燃烧中碳氢化合物反应机理的重要性，当燃烧温度和 SRgas 值相同时，煤焰中的总碳氢化合物浓度大于轻质气态烃火焰