第28卷第6期動(dòng)力工程Vol 28 No, 62008年12月Journal of Power EngineeringDec,2008文章編號(hào):1000-6761(2008)06-0924-06不同空氣稀釋劑對(duì)合成氣擴(kuò)散火焰NO3生成特性的影響湯根土,呂俊復(fù),岳光溪,張海(清華大學(xué)熱能工程系,熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)摘要:針對(duì)合成氣燃燒中NO的生成機(jī)理,以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的對(duì)沖火焰作為研究對(duì)象,利用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型研究了不同稀釋劑對(duì)火焰特性、自由基濃度及NO、生成的影響.結(jié)果表明:3種稀釋劑降低NO排放效果的順序?yàn)?CO2>H2O>N2,少量的CO或H2O稀釋空氣時(shí)能有效地降NO排放;稀釋劑量的增加對(duì)合成氣中是否存在CH時(shí)的影響趨勢(shì)基本一致;合成氣中CH4的存在降低了火焰溫度和熱力型NO生成,促進(jìn)了快速型N的生成;火焰拉伸率的提高使火焰溫度和NO的生成降低.說(shuō)明采用CO2和H2O稀釋空氣能有效抑制NO的生成關(guān)鍵詞:環(huán)境科學(xué);合成氣;擴(kuò)散火焰;NO.;排放特性;稀釋劑中圖分類(lèi)號(hào):X511獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AEffects of Different Air Diluents on No formationin Counterflow Syngas Diffusion FlamesTANG Gentu, LU Jun-fu, YUE Guang-xi, ZHANG Hai(MOE,s Key Lab of Thermal Science and Power Engineering, Department ofThermal Engineering, Tsinghua University, China)Abstract: Based on NO, formation mechanism in syngas combustion, taking the simple-structuredcounterflow flame as the object of study, the effects of different diluents on flame characteristics. freeradical concentration and NO, formation were investigated by using models of detail chemical-kineticmechanism. Results show that, in reducing NO, emission, CO appears to be most effective, followed bH,O, and then N2. NO, emission can effectively be reduced by diluting the air with a small amount of CO,or H,O. Existance of CH in syngas has little influence on diluents in reducing NO, emission, but reducesthe flame temperature and thermal NO formation, and promotes prompt NO formation. The flametemperature and No formation can be reduced by increasing the flame strain rate. Therefore, CO, andHo diluting air can effectively inhibit NO, formation.Key words: environmental science; syngas; diffusion flame; NO, emission characteristics, diluent含碳能源物質(zhì)(如垃圾煤生物質(zhì)和可燃性廢棄物等)氣化后會(huì)牛成組分戀化很大的合成氣其中國(guó)煤化工收稿日期:20080326CNMHG基金項(xiàng)目:中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)日;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50576041)作者簡(jiǎn)介:湯根土(1969),男浙江蘭溪人,博士后,主要從事燃燒污染物生成與抑制技術(shù)固體氧化物燃料電池方面的研究電話(huà)(Tel)13522618106;E-mail,tanggt@mail.tsinghua.edu.cn.第6期湯根土,等:不同空氣稀釋劑對(duì)合成氣擴(kuò)散火焰NO、生成特性的影響主要成分為H2和CO,也包括許多稀釋劑(CO2、G(x)=dF(X)(1)H2O和N2)及其他可燃?xì)怏w(如CH4),其中大部分污染物在氣化后燃燒前已被去除但合成氣的絕熱H-24(P)+2C+a(9-0(2)火焰溫度高,NO,排放量很大.稀釋燃燒是改善燃燒或抑制污染物生成的有效途徑之一,是目前一項(xiàng)+n(pYv)-wW=0k=1,…,K具有良好開(kāi)發(fā)前景的髙效節(jié)能技術(shù),因此急需從理論上研究各種不同稀釋劑對(duì)NO,排放的影響由于以媒氣化為基礎(chǔ)的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)具有高效利用能源和有效減排CO2的特點(diǎn),使燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室∑caYVhKU =0(4合成氣燃燒技術(shù)的開(kāi)發(fā)及基礎(chǔ)研究成為目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)小.因高效率HAT循環(huán)( humid air式中:G(x)=p/r;F(x)=p/2;軸向壓力梯度H=turbine)概念的提出、合成氣自身特性及環(huán)保排放(1/n)(p/n);a為軸向速度;p為質(zhì)量密度;為徑要求日趨嚴(yán)格,使得研究者在燃用合成氣燃?xì)廨啓C(jī)向速度;r為柱坐標(biāo)的徑向坐標(biāo);T為溫度;Y為組燃燒技術(shù)開(kāi)發(fā)中更關(guān)注濕空氣燃燒技術(shù),但是分的質(zhì)量分?jǐn)?shù);v為多組分?jǐn)U散速度;為動(dòng)力粘關(guān)于不同稀釋劑對(duì)合成氣擴(kuò)散燃燒污染物生成及排性系數(shù);c,為比熱;h為組分的對(duì)流傳熱系數(shù);tin放特性的影響機(jī)理研究較少在合成氣燃燒機(jī)理方為組分的摩爾生成率;W為組分的摩爾質(zhì)量(單位面,絕大多數(shù)研究是針對(duì)合成氣單個(gè)氣體成分的燃均采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位)燒,而不是針對(duì)混合成分19. Williams等人研究燃料流和空氣流的邊界條件如下了以空氣和CO2稀釋氧氣作為氧化劑時(shí),合成氣旋r=0: F=PL, G=0,T=T流擴(kuò)散燃燒過(guò)程中CO和NO3的排放情況,發(fā)現(xiàn)H2的存在提高了火焰穩(wěn)定性、火焰溫度和增加了auY+pYVk=(aY,F(5)NO,排放,在O2/CO2混合物中燃燒將造成更多的r=L:F=Polo, G=o,T= tCO排放 Rortveit等人從試驗(yàn)和數(shù)值模擬角度auY+pYVk=(auYo研究了燃料流中各種稀釋劑對(duì)H2/空氣非預(yù)混和部燃料和空氣流入口溫度均為400K,燃料和氧分預(yù)混火焰NO.排放的影響結(jié)果表明CO2比N2化劑流速遵守總拉伸率及動(dòng)量守恒方程在降低火焰溫度和NO.濃度方面更有效.Park等人12從詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理角度研究了低熱值氣體√p(7)的燃燒行為,結(jié)果表明在H2/CO/CO2/Ar燃料中Pouo Puf(8)CO和CO2對(duì)NO排放行為起著互相抵消的作用式中:P和a分別為密度和速度,下標(biāo)O和F分別代CO對(duì)抑制快速型NO有重要作用.筆者試圖運(yùn)用數(shù)值模擬方法在不同稀釋劑稀表氧化劑和燃料;L為噴嘴間距離,取2.74cm.為了使停滯面位于中心位置,在給定空氣流速條件下釋空氣的條件下探討合成氣擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)和NO根據(jù)火焰拉伸率a調(diào)整燃料流速生成之間的關(guān)系,揭示不同稀釋劑(H2O、CO2、N2對(duì)合成氣擴(kuò)散燃燒過(guò)程中NO生成的影響,并針對(duì)不同稀釋劑對(duì)火焰特性的影響來(lái)探討NO,的生成火焰機(jī)理對(duì)NO.排放指數(shù)EI,進(jìn)行定量分析,為開(kāi)發(fā)有效的稀釋燃燒技術(shù)提供理論依據(jù)?；?SP1數(shù)學(xué)模型采用軸對(duì)稱(chēng)、兩噴嘴間隔一定距離且處于對(duì)置狀態(tài)的對(duì)沖擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1.這種相對(duì)簡(jiǎn)單的M凵中國(guó)煤化工結(jié)構(gòu)有助于詳細(xì)分析合成氣成分和稀釋劑對(duì)火焰結(jié)構(gòu)、NO3生成機(jī)理的影響.其質(zhì)量、動(dòng)量、能量及組CNMHffusion flame分守恒方程如下:合成氣的主要成分為H2和CO,還有少量CH4,它們的氧化化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在 CHEMKIN軟926·第28卷件包GRI3.0模型中得到了很好的表達(dá)1,由于 CHEMKIN數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算在較寬的速度梯度范圍內(nèi)輻射對(duì)火焰溫度的影響很小僅30~50K,1,因此,本模型忽略了輻射2結(jié)果與討論對(duì)溫度和NO生成的影響為此采用 CHEMKIN軟2.1火焰結(jié)構(gòu)件包中的 OFFDIP編碼計(jì)算.組分方程中考慮了圖2分別表示在火焰拉伸率a為200s-1時(shí),2oret影響能量守恒中忽略 Dufour效應(yīng)輻射和粘類(lèi)典型合成氣(50%H250%CO與47.5%H2性耗散,不同溫度下組分的熱力學(xué)性質(zhì)由47.5%C05%CH4(體積比))的擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)2500停滯面(=0)停滯面(V,=0)15001500M042025離燃料噴嘴的距高/cm離燃料噴嘴的距離/cm00停滯面VQ00180停面(01600I CaRlo081.0高燃料噴嘴的距離/cml8離燃料噴嘴的距離a)a=200s1,50%H250%CO(b)a=200s-1,47.5%H247.5%C05%CH圖2合成氣火焰結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of the syngas flame由圖2可知,2類(lèi)氣體的總體火焰結(jié)構(gòu)是類(lèi)似成氣47.5%H247.5%CO5%CH4的火焰溫度、H、的,其主要差別是由于CH的存在造成的.合成氣O、OHN和HCN摩爾分?jǐn)?shù)的變化情況由于稀釋中CH4的存在使火焰溫度降低了37.6K,產(chǎn)生了被劑添加到空氣流中時(shí),相應(yīng)降低了空氣流中O2的看作是瞬時(shí)NO主要頁(yè)獻(xiàn)者和炭煙主要前驅(qū)物的百分比,結(jié)果因稀釋效應(yīng)降低了火焰溫度、H、O、C2H2,使CH自由基比合成氣50%H250%CO火焰OH、N自由基和HCN濃度.盡管N2稀釋時(shí)也能降中提高了近10°倍.當(dāng)合成氣燃料組分從燃料噴嘴低H、N、O和HCN濃度,但是與H2O和CO2稀釋噴出并逐漸氧化消耗時(shí),溫度及產(chǎn)物組分(H2O和相比差得多.N和HCN能間接指示每種稀釋劑降CO2)的摩爾分?jǐn)?shù)隨之增加.反應(yīng)區(qū)位于停滯面的氧低熱力型NO和快速型NO的能力,從圖中可推知,化劑側(cè),并以自由基(H、O、OH)摩爾分?jǐn)?shù)和溫度峰3種稀釋劑均能有效降低熱力型NO和快速型NO.值為特征.從CO和CH4剖面曲線(xiàn)來(lái)看,在x≈1.3由于CO2具有較高的比熱,所以在降低火焰溫度方cm處CO和CH,摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值,這是由于在面比H2O好得多與CO2稀釋相比,H2O稀釋對(duì)降溫度上升過(guò)程中H2的擴(kuò)散速度比CO和CH4的快低火焰溫度和OH自由基濃度較弱,這可能是因?yàn)樗斐傻?H2O的存在提高了火焰中OH自由基的濃度2.2不同空氣稀釋劑對(duì)NO生成的影響圖5表示3種稀釋劑對(duì)峰值火焰溫度和峰值圖3表示3種不同稀釋劑(N2、H2OCO2)添加NO摩爾分?jǐn)?shù)的影響.從圖中可知,3種稀釋劑稀釋到空氣中后,2類(lèi)合成氣火焰NO排放降低的相對(duì)空氣凵中國(guó)煤化工散火中NO,少效果從圖中可以看出,隨著稀釋劑量的增加NO量稀降;在降低火焰溫摩爾分?jǐn)?shù)的下降梯度是遞減的CO2是幾種降低度效CNMH>N2;盡管H2ONO生成稀釋劑中最好的,其次是H2O,然后是N,和CO在降低火焰溫度方面存在較大差別,但是在圖4分別示出了空氣無(wú)稀釋和含20%稀釋劑時(shí)合降低NO濃度方面的作用較為接近.這是因?yàn)镠2O第6期湯根土,等:不同空氣稀釋劑對(duì)合成氣擴(kuò)散火焰NO,生成特性的影響·9270%H,o0.0004000030cO,te000030.00020C0200001離燃料噴嘴的距高/cm離燃科噴嘴的距離/cm高燃料噴嘴的距離/cm%H250%CO000035000035000025新0.0002510%6H, 00.CO0.00020.000200.0002020%HO002C020.00015是020000104006H2O00000540%C0高燃料噴嘴的距離/cm離燃料噴嘴的距離/cm(b)a=50s-1,47.5%H247.5%C05%CH1圖3不同稀釋劑對(duì)合成氣火焰N(摩爾分?jǐn)?shù)剖面的影響Fig. 3 Effects of different diluents on NO) mole fraction profiles in the syngas flame25005×107未稀釋未稀釋未稀釋20%CO2×10高燃料噴嘴的距高/cm高燃料噴嘴的距離離燃料噴嘴的距離/cm001500153.5×1050.012未稀釋20%N25x10未稀釋20Xl020%CO1.5×10920d50×1061012141610離燃料噴嘴的距高/cm離燃料噴嘴的距離/cm離燃料噴嘴的距離/cma=200s-1,47.5%H247.5%C05%CH圖4空氣中含20%稀釋劑時(shí),合成氣火焰溫度、HO、 OH,NHCN摩爾分?jǐn)?shù)剖面Fig 4 Profiles of temperature, H.O. OH, N, and HCN mole fraction in the syngas flame with air containing 20% diluents00005CO)240000005000042000中國(guó)煤化工氣中稀釋劑含量體積百分比(a)a=50s-1,50%H250%C()CNMHG35%CH4圖5不同稀釋劑對(duì)合成氣峰值火焰溫度和峰值NO摩爾分?jǐn)?shù)的影響Fig. 5 Effects of different diluents on the peak flame temperature and peak N( mole fraction of syngas928·動(dòng)力工程第28卷具有降低CH自由基濃度的作用,進(jìn)而減少了HCN成少于熱力型NO的生成隨著稀釋劑量的增加,總濃度及快速型NO生成,彌補(bǔ)了CO2降低火焰溫度NO和熱力型NO的生成率均呈下降趨勢(shì),但快速所引起的熱力型NO下降;合成氣中甲烷的存在導(dǎo)型NO占總NO生成率的比例是增加的CO2和致峰值火焰溫度下降及快速型NO生成大幅增加,H2O稀釋空氣時(shí),總NO和熱力型NO生成率的下相應(yīng)地減少了熱力型NO生成降幅度較N2稀釋時(shí)的大N2稀釋時(shí),快速型NO生熱效應(yīng)降低火焰溫度進(jìn)而減少熱力型NO生成率相對(duì)較平坦,但還是呈下降趨勢(shì).其主要原因?yàn)槌?而化學(xué)效應(yīng)降低CH和HCN濃度,從而減少快H2O和CO2的比熱較大,以及稀釋效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)速型NO生成.與N2稀釋相比,H2O和CO2稀釋在發(fā)揮作用引起較大的HCN下降,這將較大幅度地減少快速圖7比較了稀釋劑量為20%條件下,不同稀釋型NO生成劑類(lèi)型對(duì)總NO生成率的影響對(duì)于合成氣50%在 GRI-MECH3.0中熱力型NO生成主要基H250%CO,總NO生成率分別乘以2.4倍(N2稀釋于擴(kuò)大的 Zeldovich機(jī)理的3個(gè)反應(yīng),因此對(duì)于熱力劑)、7.0倍(H2O稀釋劑)、8.1倍(CO2稀釋劑)得型NO生成的計(jì)算只考慮這3個(gè)反應(yīng).由于在幾種到的形狀和峰高與未稀釋條件下基本相同.而對(duì)于NO生成機(jī)理中除了熱力型NO和快速型NO外,合成氣47.5%H247.5%C05%CH4,總NO生成率其他機(jī)理生成的NO所占比例很小,這里忽略所以分別乘以1.6倍(N2稀釋劑)、4.8倍(H2O稀釋快速型NO=總NO一熱力型NO.劑)、5.1倍(CO2稀釋劑)得到的峰高分別與未稀釋圖6表示3種稀釋劑對(duì)合成氣50%H250%CO條件下基本相同然而形狀發(fā)生了變化,這與CH4火焰NO生成率的影響由圖可知快速型NO的生的存在增加了快速型NO生成有直接的關(guān)系一總NO亠速型快速型NO空氣0.爾分?jǐn)?shù)0400空氣中聊爾分?jǐn)?shù)空氣中N2摩爾分?jǐn)?shù)圖6不同稀釋劑對(duì)NO生成率的影響Fig 6 Effects of different diluents on No formation rate燃料噴嘴的距離離燃料噴嘴的距離(a)a=200(b)a=200s-1,47.5%H247.5%CO5%CH圖7不同稀釋劑對(duì)總NO生成率的影響Fig 7 Effects of different diluents on total NO formation rate2.3火焰拉伸率對(duì)NO生成的影響明顯減中國(guó)煤化工加減少了燃料圖8表示了峰值NO摩爾分?jǐn)?shù)與火焰拉伸率之組分在一度地減少了熱間的關(guān)系從圖中可看出,2類(lèi)合成氣火焰拉伸率與力型人M,提是高火焰拉伸率峰值NO摩爾分?jǐn)?shù)之間的變化關(guān)系基本上是一致對(duì)降低NO摩爾分?jǐn)?shù)所起的作用不大,但仍然能有的,在低火焰拉伸率時(shí),提高火焰拉伸率使NO生成效地降低峰值火焰溫度,這時(shí)NO的生成表現(xiàn)為快第6期湯根土,等:不同空氣稀釋劑對(duì)合成氣擴(kuò)散火焰NO3生成特性的影響929速型機(jī)理成因所占比例明顯增大.另外20%N2稀a=50s10%H250%COcO2稀釋空氣釋空氣時(shí),提高火焰拉伸率將大幅度地降低峰值so%H250CoH2O稀釋空氣NO摩爾分?jǐn)?shù),而20%H2O和20%CO2稀釋空氣50%H250CON稀釋空氣-475%H2475%C05%CH4CO2稀釋空時(shí),變化曲線(xiàn)較為平坦,其原因是H2O和CO2的比45%H2475%C5%CH4H2O稀釋空熱大,以及化學(xué)效應(yīng)部分消除了火焰拉伸率的作用475%H2475%CO5%CH4N2稀釋空氣00001220%CO220%H,O稀釋空氣東000-2%N2稀釋空氣子m圖9不同稀釋劑對(duì)排放指數(shù)ElNo的影響Fig 9 Effect of different diluents on the emission index EINo21002200峰值火焰溫度/K(a)50%H250%CO3結(jié)論0.000000-0c0稀釋空氣(1)3種稀釋劑(H2O、CO2、N2)對(duì)合成氣燃燒20%HO稀釋空氣0020N稀釋空氣100特性的影響是非線(xiàn)性的,隨著稀釋劑量的增加,NOa=200下降幅度呈遞減關(guān)系;少量稀釋劑稀釋空氣時(shí)就能有效降低NO排放;3種稀釋劑降低NO排放效果的順序?yàn)?CO2>H2O>N2(2)稀釋劑對(duì)合成氣中是否存在CH4時(shí)的影1 700 1 800 I 900峰值火焰溫度/K響趨勢(shì)基本上是相同的,CH的存在減少了火焰溫(b)47.5%H247,5%005%CH4度和熱力型NO的生成引起了CH自由基濃度的圖8火焰拉伸率對(duì)嶂值NO摩爾分?jǐn)?shù)和峰值火焰溫度的影響迅速提高,促進(jìn)了快速型NO的形成g8 Effects of the flame strainthe peak No(3)提高火焰拉伸率和添加稀釋劑均能有效減mole fraction and peak flame temperature少NO.排放,其中CO2和H2O稀釋劑對(duì)于降低排2.4排放指數(shù)EI放指數(shù)Elk,更為明顯,但是在高火焰拉伸率時(shí),提為了定量研究火焰的熱釋率和質(zhì)量生成率,合高火焰拉伸率對(duì)減少NO排放效果不夠明顯,因此成氣火焰的NO,排放采用NO4排放指標(biāo)(EI,)來(lái)采用CO2和H2O稀釋空氣是一種有效的抑制NO表征生成的方法(4)合成氣火焰中NO生成主要受熱力型機(jī)理MNo No.dr控制,當(dāng)添加稀釋劑時(shí),停留時(shí)間、稀釋效應(yīng)、稀釋劑(9)的比熱以及化學(xué)效應(yīng)的影響改變了合成氣火焰NO排放特性,其結(jié)果是降低了空氣中的氧含量和重要式中;為生成/消耗率M代表分子量;EIko.表示總自由基ON,H、CH的濃度導(dǎo)致采用CO2和H2ONO,生成率與總?cè)剂舷穆手?gNO/kg燃料稀釋空氣時(shí)效果更為明顯.工業(yè)上評(píng)價(jià)燃燒器的排放特性時(shí),單位燃料消參考文獻(xiàn)耗所產(chǎn)生的NO生成量是一個(gè)重要的指標(biāo)圖9表示了在不同空氣稀釋劑2類(lèi)合成氣火焰對(duì)NO,排[1] Gadde S, Wu Jian-fan, Gulati A,aal. Syngas放指數(shù)的影響,從圖中可知,在基于稀釋劑體積百分capable combustion systems development for比進(jìn)行比較時(shí),CO2稀釋空氣的效果最明顯,其次advanced gas turbines [C]//Proceeding of the ASME是H2O和N2,并且隨著稀釋劑量的增加,排放指數(shù)中國(guó)煤化工vada USA: IGTI均呈下降趨勢(shì),表現(xiàn)為非線(xiàn)性地下降含CH4合成[2CNMHGan J. Laminar flame氣火焰的NO,排放指數(shù)明顯高于不含CH4合成氣speeds of H2/CO mixtures: effect of cO, dilution的preheattemperatureandpressure[j].combustion930動(dòng)力工程第28卷and Flame,2007,151(1-2):104-119Combustion Institute. 2007: 3147-3154[3] De Biasi V. Targeting turbine research needed to[1o] Williams TC, Shaddix CR, Schefer RW. Effect ofburn syngas and hydrogen fuels [J]. Gas Turbinesyngas composition on emissions from an idealized gasWorld,2005,35(1):28turbine combustor [C]//23* Annual International[4]劉廣建,劉字,李政,等新型二甲醚發(fā)電多功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析[].動(dòng)力工程,2006,26(2)Environmental Sustainable Development, 2006.295-299,[11] Rortveit GJ, Hustad J E, Li Shui-Chi, et al. effect[5] Ge Bing, Zang Shu-sheng, Gu Xin. 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