王超偉，王長安，王鵬乾，吳?松，車得福

空氣深度分級燃燒NO排放特性的CHEMKIN模擬研究

王超偉，王長安，王鵬乾，吳?松，車得福

(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)

利用兩段PFR反應器構(gòu)建模型在CHEMKIN中模擬，研究空氣深度分級燃燒中各個影響因素，使用生成速率分析和敏感性分析，探求燃料N向NO的轉(zhuǎn)化路徑及原因．模擬結(jié)果表明，主燃區(qū)對NO轉(zhuǎn)化率影響較大，高溫強還原氛圍能明顯降低NO排放；改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O排放，應當考慮主燃區(qū)，而非燃盡區(qū)；當主燃區(qū)溫度小于1500℃，燃盡風比率為35%左右時，NO排放最低；富燃條件下O2/CO2燃燒增大了OH/H，促進NO生成；燃盡風位置向后移會降低NO轉(zhuǎn)化率，改變?nèi)急M風氧濃度NO轉(zhuǎn)化率幾乎不變．本文不僅擴大了前人對空氣分級燃燒的研究范圍，而且對于前人沒有研究的影響因素給出了結(jié)果，并且進行了化學反應動力學分析，對實際鍋爐運行過程中減少NO排放具有指導意義．

空氣深度分級；甲烷燃燒；CHEMKIN；NO

NO是造成環(huán)境污染的主要污染物，根據(jù)現(xiàn)行的《鍋爐大氣污染物排放標準》[1]，國家對鍋爐NO排放要求愈發(fā)嚴格．在這個大背景下，空氣分級燃燒技術(shù)作為一種能有效控制NO排放的燃燒技術(shù)，其應用也越來越廣泛[2-4]．CHEMKIN作為化學反應動力學軟件，已經(jīng)有很多學者利用它來進行氮氧化物排放特性以及化學反應動力學方面的研究．

國內(nèi)很多學者[5-8]都采用實驗方法進行空氣分級燃燒中NO排放特性的研究，但是由于實驗研究的工況范圍有限，所以很多國內(nèi)外學者[9-16]在研究固體或者氣體燃料燃燒中NO的排放特性以及化學反應機理尤其是反應過程中反應物如何變化時，都會采用CHEMKIN模擬．Mendiara等[14]研究了甲烷燃燒過程中氨的氧化過程，同時對比了空氣氛圍與O2/CO2氛圍下NO轉(zhuǎn)化途徑的不同，討論了在不同燃燒氛圍下燃料氮的遷移情況．Rogaume等[12-13]在研究纖維素和塑料燃燒時也使用了CHEMKIN模擬，前期的研究中建立了NO生成的模型，后期的研究中證明在他建立的模型中NO的生成受局部氧濃度影響. Watanabe等[15]進行了O2/CO2條件下的分級燃燒實驗，得出了最低的NO轉(zhuǎn)化率和對應的化學當量比，驗證了CHEMKIN模型并利用模型分析了NO的生成和還原機理．范志林等[16]利用CHEMKIN研究了生物質(zhì)燃燒時的再燃，并且使用生成速率分析法(rate of production，ROP)和敏感性分析法對模擬現(xiàn)象進行了解釋．

影響空氣分級燃燒的因素有過量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風(overfire air，OFA)比率和燃盡風氧濃度等，但是在這些方面利用CHEMKIN進行模擬的學者還很少，大多數(shù)學者只是進行實驗研究，受限于實驗室條件與研究限制無法設置更為寬廣的參數(shù)范圍開展研究工作．例如楊建成等[4]對過量空氣系數(shù)的影響進行研究，但是研究范圍窄，工況設置少，并且沒有考慮過量空氣系數(shù)變化時耦合溫度變化的影響；張曉輝[5]對燃盡風比率的影響進行了實驗研究，但是并沒有給出反應機理層面的分析，無法揭示燃盡風比率變化時氮的遷移規(guī)律；大多數(shù)學者研究燃燒溫度大多在1600℃以下，而本文對主燃區(qū)燃燒溫度的研究介于1300～1900℃之間，研究范圍不僅涵蓋了煤粉爐的燃燒溫度范圍，而且包含了旋風爐的燃燒條件；針對常規(guī)的煤粉燃燒研究時主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的研究范圍介于0.7～1.2之間，而本文研究范圍擴大至0.5～2.0．而將這些影響因素的范圍擴大甚至共同耦合作用，能否有效地降低NO轉(zhuǎn)化率，暫時還沒有一個明確的結(jié)論．

本文利用兩段塞流式反應器(plug flow reactor，PFR)構(gòu)建模型研究了空氣深度分級燃燒，擴大空氣分級燃燒中的各個影響因素(過量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風比率、燃盡風氧濃度以及燃盡風位置)的范圍給出模擬結(jié)果，并且結(jié)合生成速率分析法以及敏感性分析法進行分析，利用化學反應動力學手段對這些結(jié)果做出解釋．同時，本文的研究內(nèi)容對實際鍋爐運行中如何利用空氣分級燃燒降低NO排放具有指導意義．

1?研究對象與模型

1.1?研究對象

將鍋爐中的實際燃燒過程抽象為兩段PFR反應器，均設定長500mm，內(nèi)徑25mm．其中第一段反應器模擬鍋爐中的主燃區(qū)，燃料經(jīng)過主燃區(qū)后通入燃盡風，然后共同進入第二段反應器，即鍋爐中的燃盡區(qū).

本文采用煙煤揮發(fā)分的均相反應進行模擬．而煙煤的揮發(fā)分中多為烴類且大多為甲烷[17]，所以煙煤燃燒在CHEMKIN中可以模擬成甲烷的燃燒過?程[15,18]，即在燃料的選取中以甲烷為主，而NO的前驅(qū)物多為NH3和HCN，根據(jù)鐘北京等[19]的研究，煙煤中HCN/(HCN＋NH3)約為0.7．而關于C/N比的選取，由周永剛等[20]的文獻中可知燃料N的含量為0.2%～3.4%之間，所以燃料N占比選取適當比例1%即可．

本模型采用的反應機理是美國氣體動力學研究所的標準甲烷氧化機理GRI-Mech 3.0[21]，其中包括5種反應元素C、H、O、N和Ar，53種化學物質(zhì)以及325個基元反應，能詳細地模擬甲烷燃燒以及NO的生成或還原過程．本文主要通過甲烷燃燒來模擬煤燃燒過程中產(chǎn)生的高溫環(huán)境，以此來探求這個過程中燃料氮的遷移規(guī)律．而此機理在前人研究氮轉(zhuǎn)化過程中已經(jīng)比較成熟，其中不僅包含了甲烷燃燒的各種反應，也包含了NO轉(zhuǎn)化的諸多反應，加之本文的研究重點在于探究空氣深度分級中不同影響因素單獨作用或者耦合作用下NO的排放規(guī)律以及燃料氮的遷移路徑，所以并未對機理進行針對性的優(yōu)化和改進，該部分研究將在未來的工作中進一步展開．

1.2?模型建立

CHEMKIN由Sandia國家實驗室開發(fā)，用于模擬燃燒過程中氣相化學反應動力學[22]，而本文中采用的PFR反應器是一種常用的燃燒反應器．

圖1(a)是本文建立的空氣分級燃燒模型．氣體均由入口進入模型，PFR反應器用來模擬一維狀態(tài)下氣體的燃燒過程，每兩段反應器之間由不發(fā)生反應的混合模型連接，最終氣體由出口離開反應系統(tǒng)．

PFR反應器使用比較廣泛，在很多研究空氣燃燒及O2/CO2燃燒的文獻中，有大量的學者[14-16,18]在使用，圖1(b)是本文空氣分級燃燒模型在CHEMKIN中建立的反應流程圖．圖1(c)則是空氣深度分級燃燒的物理模型圖．

圖1?空氣深度分級燃燒模型及流程

2?數(shù)據(jù)計算與模型驗證

2.1?計算工況

本文基本工況如表1所示，表中所示數(shù)據(jù)為各物質(zhì)的體積流量(cm3/min)．其中主燃區(qū)的燃燒溫度為1400℃，燃盡區(qū)的燃燒溫度為1100℃，爐膛內(nèi)的過量空氣系數(shù)為1.2，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.9，燃盡風率為25%，即燃盡區(qū)內(nèi)的過量空氣系數(shù)為0.3．

表1?基本工況

Tab.1?Basic condition

2.2?數(shù)據(jù)計算

2.2.1?NO轉(zhuǎn)化率

本文在甲烷燃燒中利用NH3和HCN的轉(zhuǎn)化過程比擬煤燃燒中燃料N的轉(zhuǎn)化，并且主要燃料甲烷的含量為99%，所以在計算過量空氣系數(shù)時只計算甲烷．其次，由模擬結(jié)果可知，燃燒過程中產(chǎn)生的NO大多為NO，所以NO轉(zhuǎn)化率的表達式為：

采取上述公式時，默認出口NO的含量遠大于NO2和N2O的總和，但是當這三者中任意兩者的差距小于或等于一個數(shù)量級，則采用出口處三者之和作為出口處的NO．

2.2.2?敏感性分析

本文采用敏感性系數(shù)來描述反應速率的敏感性，具體表達式為

式中：δY表示第種組分的摩爾分數(shù)變化量；Y表示第種組分的摩爾分數(shù)；δA表示第個反應的指前因子的變化量；A表示第個反應的指前因子．敏感性系數(shù)可以定量地反映各個反應對各個組分的計算結(jié)果的影響大小，敏感性系數(shù)的絕對值越大，影響則越大．而敏感性系數(shù)也有正負之分，當為正，則表示反應促進組分的生成；當為負，則表示反應抑制組分的生成．

2.2.3?模型驗證

為了驗證模型的可靠性，本文選取了過量空氣系數(shù)介于0.7～1.2和燃盡風率介于10%～30%兩組工況進行模擬，結(jié)果如圖2所示．圖中1為主燃區(qū)溫度，2為燃盡區(qū)溫度．由圖2(a)可以看出，當主燃區(qū)過量空氣系數(shù)1小于0.9時，NO轉(zhuǎn)化率緩慢上升；當主燃區(qū)過量空氣系數(shù)1介于0.9～1.0時，NO轉(zhuǎn)化率會相較于之前急劇上升；在1為0.9時，NO轉(zhuǎn)化率達到31%；在主燃區(qū)1介于0.7～0.8時，降低1，NO轉(zhuǎn)化率會比較穩(wěn)定；在主燃區(qū)1為1.2時，NO轉(zhuǎn)化率都接近甚至超過100%，這與楊建成[6]所做實驗無論是特殊節(jié)點的轉(zhuǎn)化率還是總體的變化趨勢都相近，其所研究的還原區(qū)化學當量比即本文所分析的主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，主要差別在于燃料種類不同，但是從定性對比的角度對NO排放進行分析，這些差異都是可以接受的，并且從文獻[6]的實驗結(jié)果也可以看出，無論什么煤種，過量空氣系數(shù)對其NO轉(zhuǎn)化率的影響在某些特殊節(jié)點上的變化都能保持一致，所以本文的模擬結(jié)果具有一定的可信性．由圖2(b)所示，隨著燃盡風比率的增加，NO轉(zhuǎn)化率會下降，并且總體接近線性變化，這與張曉輝[5]在工程實際中的實驗結(jié)果相一致，他所研究機組的爐膛過量空氣系數(shù)為1.2，燃盡風份額變化為5%～30%，這與本文的研究工況類似，其區(qū)別主要是燃料種類，但是對NO排放做定性對比分析時這個差異是可以接受的，并且從圖中也可以看出對比結(jié)果還是契合度較高的，所以本模型在空氣分級燃燒中定性分析NO排放、研究其變化規(guī)律時，結(jié)果可以認為具有可信性．

圖2?NOx轉(zhuǎn)化率隨a1的變化情況

3?結(jié)果與討論

3.1?主燃區(qū)過量空氣系數(shù)影響

設定主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)1為0.5～1.5和2.0，總過量空氣系數(shù)保持1.2～1.5和2.0，主燃區(qū)溫度1介于1300～1900℃，燃盡區(qū)溫度2介于1100～1400℃，觀察不同溫度下，NO轉(zhuǎn)化率隨過量空氣系數(shù)的變化情況．

圖3 NOx轉(zhuǎn)化率在不同主燃區(qū)燃燒溫度下隨主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的變化情況(T2＝1100℃)

圖4 較強氧化性條件下空氣與O2/Ar燃燒的NOx轉(zhuǎn)化率變化情況(T2＝1100℃)

為了研究高溫強還原氛圍和正常條件下空氣分級燃燒燃料N的遷移途徑的不同，本文選取了燃盡區(qū)溫度均為1100℃的基本工況和高溫強還原氛圍(主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.8，主燃區(qū)燃燒溫度為1600℃)進行對比．因為高溫強還原氛圍歸根結(jié)底還是空氣分級燃燒的一種極端情況，所以二者燃料N向NO轉(zhuǎn)化的主要途徑都是一樣的，如圖5所示．NH3和HCN主要是通過生成中間產(chǎn)物NH2等再進一步轉(zhuǎn)化為NO，主要化學反應方程式如下所示：

HCN＋OH→HOCN＋H

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋O→HNO＋H

HNCO＋OH→NCO＋H2O

HNO＋O2→HO2＋NO

圖5 空氣分級燃燒條件下燃料N向NO轉(zhuǎn)化的主要途徑

圖6給出了在不同條件下的NO生成階段中各個主要反應對NO的一階敏感性系數(shù)．如圖所示，在反應條件改變時，不同反應對NO的敏感性系數(shù)有差別，但是差別不大．由此可以認為在NO生成階段中生成NO的總量變化不大，那么最終造成NO轉(zhuǎn)化率差別巨大的原因就是在還原過程中，高溫強還原性氛圍下已經(jīng)生成的NO又被還原了，而普通空氣分級燃燒中主燃區(qū)還原性并不強，所以才使得二者的NO轉(zhuǎn)化率發(fā)生了差異．而還原生成N2的主要還原反應如下所示：

N＋NO→N2＋O

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

NH＋NO→N2＋OH

NNH→N2＋H

NNH＋M→N2＋H＋M

圖6 不同工況下NO生成過程中主要化學反應對NO的一階敏感性系數(shù)(T2＝1100℃)

在空氣分級燃燒中還原生成N2也是以上的化學反應，但是根據(jù)ROP分析的結(jié)果，高溫強還原氛圍下N2的產(chǎn)率為空氣分級燃燒的2～3倍．

3.2?燃燒溫度的影響

本文在基本工況(主燃區(qū)1＝0.9)的基礎上以控制變量法設置工況，然后進行模擬，結(jié)果如圖7所示．由圖7(a)可知，當主燃區(qū)的燃燒溫度發(fā)生變化時，不會對NO的生成造成比較大的影響，但是會使NO轉(zhuǎn)化率先略微上升再略微下降．由圖7(b)可知，當燃盡區(qū)的溫度發(fā)生變化時，NO轉(zhuǎn)化率幾乎不會發(fā)生變化．這說明若想通過改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O轉(zhuǎn)化率，就應考慮改變主燃區(qū)的燃燒溫度．

圖7?NOx轉(zhuǎn)化率隨燃燒溫度變化情況

由圖7(a)可以看出，當主燃區(qū)燃燒溫度為1400℃和1600℃時，NO轉(zhuǎn)化率幾乎相同，但都比主燃區(qū)溫度為1300℃時高，下面就對這3個工況進行敏感性分析．圖8列舉了3個工況中主要反應對NO的敏感性系數(shù)(2＝1100℃)．由圖可以看出，當主燃區(qū)燃燒溫度1為1400℃和1600℃時，二者在多數(shù)促進NO生成的化學反應中其敏感性系數(shù)都是非常接近的，說明生成的NO總量是接近的，即使在1400℃工況時，抑制NO生成的作用更強，但是1600℃的工況已經(jīng)非常接近前文中提到的高溫強還原氛圍，會促進NO生成更多的其他中間物質(zhì)從而轉(zhuǎn)化為N2或者直接轉(zhuǎn)換為N2，其中主要的化學反應如下所示：

N＋NO→N2＋O

NH＋NO→N2＋OH

NH＋NO→N2O＋H

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

由上述化學反應可以看出，NH是一種很關鍵的中間產(chǎn)物，主要由NH3生成的NH2轉(zhuǎn)換而來，即

NH3＋H→NH2＋H2

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋H→NH＋H2

NH2＋OH→NH＋H2O

當主燃區(qū)燃燒溫度為1300℃時，從各個化學反應來看，不僅促使NO生成的反應敏感性系數(shù)更小，且使抑制NO生成的反應敏感性系數(shù)最高，所以當主燃區(qū)燃燒溫度為1300℃時，NO轉(zhuǎn)化率是最低的．

圖8 不同主燃區(qū)燃燒溫度下主要化學反應對NO的?一階敏感性系數(shù)的影響(T2＝1100℃)

3.3?燃盡風率的影響

前文中對于燃盡風率的研究范圍僅限于10%～30%，并且隨著燃盡風率的增加，NO轉(zhuǎn)化率下降有減緩的趨勢，所以本文繼續(xù)擴大研究范圍，將燃盡風率的研究范圍擴大為10%～40%，得到NO排放特性如圖9所示．由圖9可知，在主燃區(qū)溫度小于1500℃，燃盡風比率為35%左右時，NO轉(zhuǎn)化率最低．

由圖9可知，除了主燃區(qū)燃燒溫度為1500℃的工況的NO轉(zhuǎn)化率單調(diào)下降，其余工況下NO轉(zhuǎn)化率都呈現(xiàn)出先下降再上升的趨勢，由前文可知，燃盡區(qū)的燃燒溫度并不會對NO轉(zhuǎn)化率造成影響，那么這種現(xiàn)象的原因就是主燃區(qū)的燃燒溫度不同．通過分析可知，當燃盡風比率增加，意味著主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)減小，再伴隨著主燃區(qū)燃燒溫度增加，就形成了前文中提到的高溫強還原氛圍，這時NO轉(zhuǎn)化率會急劇下降，也就不會形成隨著燃盡風比率的增加NO轉(zhuǎn)化率先減小再增大的現(xiàn)象．

圖9?燃盡風比率為10%～40%NOx的排放特性

表2 燃盡風比率為35%和40%主燃區(qū)內(nèi)促進NO生成的主要化學反應對NO的一階敏感性系數(shù)

Tab.2 First-order sensitivity coefficient of the main chemical reaction promoting the formation of NO with respect to NO when the values of OFA rate are 35% and 40%

由表2可以看出，當燃盡風比率由35%增加至40%時，許多促進NO生成的化學反應對NO的敏感性系數(shù)都大幅增加，即使主燃區(qū)內(nèi)的還原性氣氛也在變強，但是變化不大，而NO生成的效率大幅甚至成倍增加，導致后者的NO轉(zhuǎn)化率大于前者．

3.4?空氣及O2/CO2氛圍的燃燒對比

選定主燃區(qū)溫度1為1500℃，燃盡區(qū)溫度2為1100℃，將空氣氛圍下的燃燒和O2/CO2氛圍下的燃燒做對比，結(jié)果見圖10．如圖所示，在O2/CO2氛圍下做分級燃燒也能適當?shù)亟档蚇O轉(zhuǎn)化率，但是降低的效果遠不如空氣分級燃燒明顯．O2/CO2燃燒時NO轉(zhuǎn)化率呈單調(diào)上升的趨勢，在主燃區(qū)1＝0.5時取得最小值為10.9%；而空氣氛圍下燃燒時在主燃區(qū)1＝0.7時取得了NO轉(zhuǎn)化率的最小值為8.97%．圖中，2為燃盡區(qū)過量空氣系數(shù)．

圖10 空氣和O2/CO2氛圍對NOx轉(zhuǎn)化率的對比(a1＝0.9，a2＝0.3)

關于O2/CO2氛圍下的燃燒，由Mendiara等[14]的實驗研究可知，O2/CO2氛圍下的甲烷燃燒，如果1＞1，會抑制燃料N向NO轉(zhuǎn)化；如果1＜1，會促進燃料N向NO轉(zhuǎn)化．徐德厚等[18]在研究一段PFR反應器的O2/CO2氛圍下燃燒時，利用機理GRI-Mech 3.0對O2/CO2氛圍下燃燒進行模擬，發(fā)現(xiàn)O2/CO2氛圍下的富燃燃燒會提高燃料N向NO的轉(zhuǎn)化速率．針對這種情況，本文設置參考工況為空氣燃燒條件下過量空氣系數(shù)1分別為0.9和1.2，與O2/CO2氛圍下過量空氣系數(shù)分別為0.9和1.2的工況進行對比研究．結(jié)果如圖11所示.由圖可知，在過量空氣系數(shù)大于1的情況，O2/CO2氛圍下燃燒環(huán)境略微抑制了燃料N向NO的轉(zhuǎn)化，這是由于熱力型NO減少；而在過量空氣系數(shù)小于1的情況，O2/CO2環(huán)境很大程度上促進了燃料N向NO的轉(zhuǎn)化，這個結(jié)果與國內(nèi)外學者的研究結(jié)果保持一致．

如果考慮O2/CO2氛圍和O2/Ar氛圍，其中過量空氣系數(shù)保持不變，得到模擬結(jié)果如圖12所示．由圖可見，O2/Ar和空氣氛圍下燃燒，NO轉(zhuǎn)化率相差不大；二者相較于O2/CO2燃燒，轉(zhuǎn)化率都降低了.

圖11 不同過量空氣系數(shù)和燃燒氛圍下NOx轉(zhuǎn)化率(T1＝1400℃，T2＝1100℃)

圖12 NOx轉(zhuǎn)化率隨反應氛圍變化情況(T1＝1400℃，?a1＝0.9；T2＝1100℃，a2＝0.3)

在O2/CO2氛圍下，針對CO2進行生成率的分析可知，以下反應：

CO2＋H→CO＋OH

CO2＋2H→CH2＋O2

是在O2/CO2氛圍下CO2參與的主要反應，這兩個反應導致整個反應相比于空氣氛圍下H減少，OH和O2增加．OH和O2增加，會導致以下反應進行：

HNO＋O2→HO2＋NO

N＋O2→NO＋O

OH＋O→O2＋H

前兩個反應會導致NO生成，但是消耗O2，而第3個反應不僅會生成O2通過前兩個反應繼續(xù)生成NO，而且會生成H，補充之前CO2參與反應消耗的H，促進O2產(chǎn)生，繼而促進NO的生成．

本文研究的模型中第一段PFR反應器正是富燃燃燒，燃盡區(qū)的作用是使燃料燃燒完全，提高燃燒效率，不會對NO轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生實質(zhì)的影響，這一點在前文的研究中就已經(jīng)論證．所以就以上分析可以看出，O2/CO2氛圍燃燒時NO轉(zhuǎn)化率較高，是因為反應中的OH濃度增加，H濃度減少，總體上OH/H比例較其他兩種氛圍下燃燒時有所增加．

3.5?燃盡風位置以及燃盡風氧濃度的影響

當燃盡風的位置發(fā)生變化時，會對NO的轉(zhuǎn)化率造成一定的影響，如圖13(a)所示．當燃盡風位置向后推移的同時也就是增加了主燃區(qū)的長度，在基本工況下，主燃區(qū)處于還原性氣氛，所以就增加了還原區(qū)的長度，即增加了NO在還原區(qū)的停留時間，使得更多的NO被還原，最終NO轉(zhuǎn)化率就會降低．

改變?nèi)急M風的氧體積分數(shù)，保持燃盡區(qū)的過量空氣系數(shù)不變，僅僅改變O2的體積分數(shù)，得到的結(jié)果如圖13(b)所示．由圖可知，隨著燃盡風氧體積分數(shù)的變化，NO轉(zhuǎn)化率變化不大，是因為在保持總過量空氣系數(shù)為1.2的情況下，還原過程都是在主燃區(qū)完成的，燃盡區(qū)的主要作用是充分燃燒，所以燃盡風氧濃度的變化無法對NO轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生較大影響．

4?結(jié)?論

本文利用兩段PFR反應器在CHEMKIN中構(gòu)建了空氣深度分級燃燒模型，對空氣深度分級的NO排放特性進行了模擬，探究了燃燒過程中燃料氮的遷移規(guī)律，研究了主燃區(qū)過量空氣系數(shù)、燃燒溫度、燃盡風比率、燃燒氛圍、燃盡風位置和燃盡風氧體積分數(shù)等因素的影響，并且對各個影響因素出現(xiàn)的現(xiàn)象利用ROP和敏感性分析進行了反應動力學分析．

(2) 主燃區(qū)燃燒溫度對NO轉(zhuǎn)化率影響不大，當主燃區(qū)溫度在1300～1600℃時，NO轉(zhuǎn)化率會先上升再下降；燃盡區(qū)溫度對NO轉(zhuǎn)化率幾乎沒有影響，若想通過改變?nèi)紵郎囟冉档蚇O轉(zhuǎn)化率，應該考慮改變主燃區(qū)的燃燒溫度，而非燃盡區(qū)．

(3) 當主燃區(qū)溫度小于1500℃時，NO轉(zhuǎn)化率隨著燃盡風比率從10%～40%先減小再增大，在燃盡風比率為35%左右時，NO轉(zhuǎn)化率達到極小值；當主燃區(qū)溫度大于1500℃時，NO轉(zhuǎn)化率會隨著燃盡風比率單調(diào)下降．

(4) 在富燃條件下，O2/CO2氣氛會促進燃料N向NO轉(zhuǎn)化，而分級燃燒中的第一段就是富燃條件，導致結(jié)果與空氣氛圍相比差值較大，這是因為O2/CO2氛圍使反應中OH/H比例增加，促進NO生成；燃盡風位置向后移動會增加NO在還原區(qū)的停留時間，從而降低NO轉(zhuǎn)化率，而改變?nèi)急M風氧體積分數(shù)幾乎不會對NO轉(zhuǎn)化率造成影響．

［1］ 環(huán)境保護部. GB13271-2014鍋爐大氣污染物排放標準[S]. 北京：中國環(huán)境科學出版社，2014.

Ministry of Environmental Protection. GB13271-2014 Standards for Discharge of Atmospheric Pollutants from Boilers[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2014(in Chinese).

［2］ 龐永梅，王晉權(quán)，郭?建，等. 空氣分級燃燒降低鍋爐NO排放控制技術(shù)[J]. 電力科學與工程，2007，23(4)：46-49.

Pang Yongmei，Wang Jinquan，Guo Jian，et al. Technology on reducing boiler NOemission by air-staged combustion[J].，2007，23(4)：46-49(in Chinese).

［3］ 周俊虎，趙琛杰，許建華，等. 電站鍋爐空氣分級低NO燃燒技術(shù)的應用[J]. 中國電機工程學報，2010，30(23)：19-23.

Zhou Junhu，Zhao Chenjie，Xu Jianhua，et al. Application of air-staged and low NOemission combustion technology in plant boiler[J].，2010，30(23)：19-23(in Chinese).

［4］ 楊建成，吳江全，胡亞民，等. 高燃料氮煙煤空氣分級燃燒氮氧化物排放特性實驗研究[J]. 熱能動力工程，2015，30(1)：101-107.

Yang Jiancheng，Wu Jiangquan，Hu Yamin，et al. Experimental study of the nitrogen oxide emissions characteristics of a bituminous coal with a high fuel nitrogen content under the condition of the air staged combustion[J].，2015，30(1)：101-107(in Chinese).

［5］ 張曉輝. 揮發(fā)分反應特性和立體分級燃燒對NO排放的影響[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，2008.

Zhang Xiaohui. The Effects of Volatile Reaction and Stereo-staged Combustion Technology on NOEmission [D]. Harbin：School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，2008(in Chinese).

［6］ 楊建成. 高揮發(fā)分煤分級燃燒NO減排實驗及應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，2015.

Yang Jiancheng. Experimental Study on and Application of NOReduction from Staging Combustion of High Volatile Pulverized Coals [D]. Harbin：School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，2015(in Chinese).

［7］ 李?慧，周建明，劉?剛，等. 煤粉空氣分級燃燒過程中NO排放特性試驗研究[J]. 煤炭科學技術(shù)，2016，44(12)：197-201.

Li Hui，Zhou Jianming，Liu Gang，et al. Experiment study on NOemission features during staged-air combustion process of pulverized coal[J].，2016，44(12)：197-201(in Chinese).

［8］ 唐志國，朱全利，唐必光，等. 空氣分級燃燒降低NO排放的實驗研究[J]. 電站系統(tǒng)工程，2003，19(3)：7-9.

Tang Zhiguo，Zhu Quanli，Tang Biguang，et al. NOemissions researched of air staging combustion burning pulverized coal [J].，2003，19(3)：7-9(in Chinese).

［9］ Glarborg P，Miller J A，Ruscic B，et al. Modeling nitrogen chemistry in combustion [J].，2018，67：31-68.

［10］ Hashemi H，Christensen J M，Gersen S，et al. High-pressure oxidation of methane[J].，2016，172：349-364.

［11］ Okafor E C，Naito Y，Colson S，et al. Experimental and numerical study of the laminar burning velocity of CH4-NH3-air premixed flames[J].，2018，187：185-198.

［12］ Rogaume T，Richard F，Barhe T A，et al. Numerical study of NOformation during incineration of cellulosic and plastic materials：The combustion regime[J].，2010，49(2)：443-453.

［13］ Rogaume T，Koulidiati J，Richard F，et al. A model of the chemical pathways leading to NOformation during combustion of mixtures of cellulosic and plastic materials[J].，2006，45(4)：359-366.

［14］ Mendiara T，Glarborg P. Ammonia chemistry in oxy-fuel combustion of methane[J].，2009，156(10)：1937-1949.

［15］ Watanabe Hirotatsu，Yamamoto Jun-ichiro，Ken Okazaki. NOformation and reduction mechanisms in staged O2/CO2combustion[J].，2011，158(7)：1255-1263.

［16］ 范志林，張軍，林曉芬，等. 生物質(zhì)氣再燃還原NO的數(shù)值模擬[J]. 能源研究與利用，2007(1)：7-10.

Fan Zhilin，Zhang Jun，Lin Xiaofen，et al. Numerical simulation on biomass gas reburning deoxidize NO[J].，2007(1)：7-10(in Chinese).

［17］ 吳富賢. 煤的揮發(fā)分產(chǎn)物中氣體成分的初步研究[J]. 中國煤炭地質(zhì)，1992(3)：27-29.

Wu Fuxian. A preliminary study on the composition of gas in volatile products of coal[J].，1992(3)：27-29(in Chinese).

［18］ 徐德厚，周月桂，金旭東，等. O2/CO2氣氛下甲烷燃燒中NO轉(zhuǎn)化過程的CHEMKIN模擬[J]. 鍋爐技術(shù)，2015，46(3)：75-79.

Xu Dehou，Zhou Yuegui，Jin Xudong，et al. The fate of NH3in CH4combustion under O2/CO2atmosphere with CHEMKIN modeling[J].，2015，46(3)：75-79(in Chinese).

［19］ 鐘北京，徐旭常. 燃燒過程中NO形成的數(shù)學模擬[J]. 燃燒科學與技術(shù)，1995，1(2)：120-128.

Zhong Beijing，Xu Xuchang. Numerical simulation of NOformation in combustion processes[J].，1995，1(2)：120-128(in Chinese).

［20］ 周永剛，鄒平國，趙?虹. 燃煤特性影響燃料N轉(zhuǎn)化率試驗研究[J]. 中國電機工程學報，2006，26(15)：63-67.

Zhou Yonggang，Zou Pingguo，Zhao Hong. Experimental study of effects of pulverized coal characteristics on the conversion of fuel nitrogen to NO[J].，2006，26(15)：63-67(in Chinese).

［21］ Smith G P，Golden D M，F(xiàn)renklach M，et al. GRI-Mech 3.0[EB/OL]. http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/，2000.

［22］ 董?剛，蔣?勇，陳義良，等. 大型氣相化學動力學軟件包CHEMKIN及其在燃燒中的應用[J]. 火災科學，2000，9(1)：27-33.

Dong Gang，Jiang Yong，Chen Yiliang，et al. A large-scale gas-phase chemical kinetics software package CHEMKIN and its application in combustion problems [J].，2000，9(1)：27-33(in Chinese).

CHEMKIN Simulation of NOEmission of Deep Air-Staged Combustion

Wang Chaowei，Wang Chang’an，Wang Pengqian，Wu Song，Che Defu

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

A model is established with two-stage PFR in CHEMKIN to study the fuel-N conversion in deep air- staged combustion including all the factors，and the results are analyzed by production rate and sensitivity analysis. The results show that the stoichiometric ratio of main combustion zone affects NOemission significantly，especially under high temperature and strong reducing atmosphere．The temperature of main combustion zone should be considered to decrease NOformation rather than that of burnout zone．The NOemission is the lowest when the temperature of main combustion zone is lower than 1500℃ and the rate of overfire air is 35%．The staged O2/CO2combustion under a fuel-rich condition increases OH/H ratio，leading to more NOproduction．The NOconversion rate will be reduced when the position of overfire air moves backward，but it will be hardly changed when the oxygen concentration of overfire air is changed．The paper not only expands the range of previous research，but also obtains the results that have not been reparted，which are analyzed by chemical reaction kinetics and helpful in reducing NOemissions when the boiler is in practical operation.

deep air-staged；combustion of methane；CHEMKIN；NO

TK11

A

1006-8740(2020)01-0042-09

10.11715/rskxjs.R201903031

2019-03-28．

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0602003).

王超偉（1995—??），男，博士研究生，wangchaowei@stu.xjtu.edu.cn.

王長安，男，博士，副教授，changanwang@mail.xjtu.edu.cn.