不同空气稀释剂对合成气扩散火焰NOx生成特性的影响

第28卷第6期动力工程Vol 28 No, 62008年12月Journal of Power EngineeringDec,2008文章编号:1000-6761(2008)06-0924-06不同空气稀释剂对合成气扩散火焰NO3生成特性的影响汤根土,吕俊复,岳光溪,张海(清华大学热能工程系,热科学与动力工程教育部重点实验室,北京100084)摘要:针对合成气燃烧中NO的生成机理,以结构简单的对冲火焰作为研究对象,利用化学反应动力学模型研究了不同稀释剂对火焰特性、自由基浓度及NO、生成的影响.结果表明:3种稀释剂降低NO排放效果的顺序为:CO2>H2O>N2,少量的CO或H2O稀释空气时能有效地降NO排放;稀释剂量的增加对合成气中是否存在CH时的影响趋势基本一致;合成气中CH4的存在降低了火焰温度和热力型NO生成,促进了快速型N的生成;火焰拉伸率的提高使火焰温度和NO的生成降低.说明采用CO2和H2O稀释空气能有效抑制NO的生成关键词:环境科学;合成气;扩散火焰;NO.;排放特性;稀释剂中图分类号:X511献标识码: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含碳能源物质(如垃圾煤生物质和可燃性废弃物等)气化后会牛成组分恋化很大的合成气其中国煤化工收稿日期:20080326CNMHG基金项目:中国博士后基金资助项日;国家自然科学基金资助项目(50576041)作者简介:汤根土(1969),男浙江兰溪人,博士后,主要从事燃烧污染物生成与抑制技术固体氧化物燃料电池方面的研究电话(Tel)13522618106;E-mail,tanggt@mail.tsinghua.edu.cn.第6期汤根土,等:不同空气稀释剂对合成气扩散火焰NO、生成特性的影响主要成分为H2和CO,也包括许多稀释剂(CO2、G(x)=dF(X)(1)H2O和N2)及其他可燃气体(如CH4),其中大部分污染物在气化后燃烧前已被去除但合成气的绝热H-24(P)+2C+a(9-0(2)火焰温度高,NO,排放量很大.稀释燃烧是改善燃烧或抑制污染物生成的有效途径之一,是目前一项+n(pYv)-wW=0k=1,…,K具有良好开发前景的髙效节能技术,因此急需从理论上研究各种不同稀释剂对NO,排放的影响由于以媒气化为基础的多联产系统具有高效利用能源和有效减排CO2的特点,使燃气轮机燃烧室∑caYVhKU =0(4合成气燃烧技术的开发及基础研究成为目前的一个研究热点小.因高效率HAT循环( humid air式中:G(x)=p/r;F(x)=p/2;轴向压力梯度H=turbine)概念的提出、合成气自身特性及环保排放(1/n)(p/n);a为轴向速度;p为质量密度;为径要求日趋严格,使得研究者在燃用合成气燃气轮机向速度;r为柱坐标的径向坐标;T为温度;Y为组燃烧技术开发中更关注湿空气燃烧技术,但是分的质量分数;v为多组分扩散速度;为动力粘关于不同稀释剂对合成气扩散燃烧污染物生成及排性系数;c,为比热;h为组分的对流传热系数;tin放特性的影响机理研究较少在合成气燃烧机理方为组分的摩尔生成率;W为组分的摩尔质量(单位面,绝大多数研究是针对合成气单个气体成分的燃均采用国际标准单位)烧,而不是针对混合成分19. Williams等人研究燃料流和空气流的边界条件如下了以空气和CO2稀释氧气作为氧化剂时,合成气旋r=0: F=PL, G=0,T=T流扩散燃烧过程中CO和NO3的排放情况,发现H2的存在提高了火焰稳定性、火焰温度和增加了auY+pYVk=(aY,F(5)NO,排放,在O2/CO2混合物中燃烧将造成更多的r=L:F=Polo, G=o,T= tCO排放 Rortveit等人从试验和数值模拟角度auY+pYVk=(auYo研究了燃料流中各种稀释剂对H2/空气非预混和部燃料和空气流入口温度均为400K,燃料和氧分预混火焰NO.排放的影响结果表明CO2比N2化剂流速遵守总拉伸率及动量守恒方程在降低火焰温度和NO.浓度方面更有效.Park等人12从详细化学反应机理角度研究了低热值气体√p(7)的燃烧行为,结果表明在H2/CO/CO2/Ar燃料中Pouo Puf(8)CO和CO2对NO排放行为起着互相抵消的作用式中:P和a分别为密度和速度,下标O和F分别代CO对抑制快速型NO有重要作用.笔者试图运用数值模拟方法在不同稀释剂稀表氧化剂和燃料;L为喷嘴间距离,取2.74cm.为了使停滞面位于中心位置,在给定空气流速条件下释空气的条件下探讨合成气扩散火焰结构和NO根据火焰拉伸率a调整燃料流速生成之间的关系,揭示不同稀释剂(H2O、CO2、N2对合成气扩散燃烧过程中NO生成的影响,并针对不同稀释剂对火焰特性的影响来探讨NO,的生成火焰机理对NO.排放指数EI,进行定量分析,为开发有效的稀释燃烧技术提供理论依据停滑面(SP1数学模型采用轴对称、两喷嘴间隔一定距离且处于对置状态的对冲扩散火焰结构,见图1.这种相对简单的M凵中国煤化工结构有助于详细分析合成气成分和稀释剂对火焰结构、NO3生成机理的影响.其质量、动量、能量及组CNMHffusion flame分守恒方程如下:合成气的主要成分为H2和CO,还有少量CH4,它们的氧化化学反应动力学在 CHEMKIN软926·第28卷件包GRI3.0模型中得到了很好的表达1,由于 CHEMKIN数据库计算在较宽的速度梯度范围内辐射对火焰温度的影响很小仅30~50K,1,因此,本模型忽略了辐射2结果与讨论对温度和NO生成的影响为此采用 CHEMKIN软2.1火焰结构件包中的 OFFDIP编码计算.组分方程中考虑了图2分别表示在火焰拉伸率a为200s-1时,2oret影响能量守恒中忽略 Dufour效应辐射和粘类典型合成气(50%H250%CO与47.5%H2性耗散,不同温度下组分的热力学性质由47.5%C05%CH4(体积比))的扩散火焰结构2500停滞面(=0)停滞面(V,=0)15001500M042025离燃料喷嘴的距高/cm离燃料喷嘴的距离/cm00停滞面VQ00180停面(01600I CaRlo081.0高燃料喷嘴的距离/cml8离燃料喷嘴的距离a)a=200s1,50%H250%CO(b)a=200s-1,47.5%H247.5%C05%CH图2合成气火焰结构Fig 2 Structure of the syngas flame由图2可知,2类气体的总体火焰结构是类似成气47.5%H247.5%CO5%CH4的火焰温度、H、的,其主要差别是由于CH的存在造成的.合成气O、OHN和HCN摩尔分数的变化情况由于稀释中CH4的存在使火焰温度降低了37.6K,产生了被剂添加到空气流中时,相应降低了空气流中O2的看作是瞬时NO主要页献者和炭烟主要前驱物的百分比,结果因稀释效应降低了火焰温度、H、O、C2H2,使CH自由基比合成气50%H250%CO火焰OH、N自由基和HCN浓度.尽管N2稀释时也能降中提高了近10°倍.当合成气燃料组分从燃料喷嘴低H、N、O和HCN浓度,但是与H2O和CO2稀释喷出并逐渐氧化消耗时,温度及产物组分(H2O和相比差得多.N和HCN能间接指示每种稀释剂降CO2)的摩尔分数随之增加.反应区位于停滞面的氧低热力型NO和快速型NO的能力,从图中可推知,化剂侧,并以自由基(H、O、OH)摩尔分数和温度峰3种稀释剂均能有效降低热力型NO和快速型NO.值为特征.从CO和CH4剖面曲线来看,在x≈1.3由于CO2具有较高的比热,所以在降低火焰温度方cm处CO和CH,摩尔分数达到峰值,这是由于在面比H2O好得多与CO2稀释相比,H2O稀释对降温度上升过程中H2的扩散速度比CO和CH4的快低火焰温度和OH自由基浓度较弱,这可能是因为所造成的.H2O的存在提高了火焰中OH自由基的浓度2.2不同空气稀释剂对NO生成的影响图5表示3种稀释剂对峰值火焰温度和峰值图3表示3种不同稀释剂(N2、H2OCO2)添加NO摩尔分数的影响.从图中可知,3种稀释剂稀释到空气中后,2类合成气火焰NO排放降低的相对空气凵中国煤化工散火中NO,少效果从图中可以看出,随着稀释剂量的增加NO量稀降;在降低火焰温摩尔分数的下降梯度是递减的CO2是几种降低度效CNMH>N2;尽管H2ONO生成稀释剂中最好的,其次是H2O,然后是N,和CO在降低火焰温度方面存在较大差别,但是在图4分别示出了空气无稀释和含20%稀释剂时合降低NO浓度方面的作用较为接近.这是因为H2O第6期汤根土,等:不同空气稀释剂对合成气扩散火焰NO,生成特性的影响·9270%H,o0.0004000030cO,te000030.00020C0200001离燃料喷嘴的距高/cm离燃科喷嘴的距离/cm高燃料喷嘴的距离/cm%H250%CO000035000035000025新0.0002510%6H, 00.CO0.00020.000200.0002020%HO002C020.00015是020000104006H2O00000540%C0高燃料喷嘴的距离/cm离燃料喷嘴的距离/cm(b)a=50s-1,47.5%H247.5%C05%CH1图3不同稀释剂对合成气火焰N(摩尔分数剖面的影响Fig. 3 Effects of different diluents on NO) mole fraction profiles in the syngas flame25005×107未稀释未稀释未稀释20%CO2×10高燃料喷嘴的距高/cm高燃料喷嘴的距离离燃料喷嘴的距离/cm001500153.5×1050.012未稀释20%N25x10未稀释20Xl020%CO1.5×10920d50×1061012141610离燃料喷嘴的距高/cm离燃料喷嘴的距离/cm离燃料喷嘴的距离/cma=200s-1,47.5%H247.5%C05%CH图4空气中含20%稀释剂时,合成气火焰温度、HO、 OH,NHCN摩尔分数剖面Fig 4 Profiles of temperature, H.O. OH, N, and HCN mole fraction in the syngas flame with air containing 20% diluents00005CO)240000005000042000中国煤化工气中稀释剂含量体积百分比(a)a=50s-1,50%H250%C()CNMHG35%CH4图5不同稀释剂对合成气峰值火焰温度和峰值NO摩尔分数的影响Fig. 5 Effects of different diluents on the peak flame temperature and peak N( mole fraction of syngas928·动力工程第28卷具有降低CH自由基浓度的作用,进而减少了HCN成少于热力型NO的生成随着稀释剂量的增加,总浓度及快速型NO生成,弥补了CO2降低火焰温度NO和热力型NO的生成率均呈下降趋势,但快速所引起的热力型NO下降;合成气中甲烷的存在导型NO占总NO生成率的比例是增加的CO2和致峰值火焰温度下降及快速型NO生成大幅增加,H2O稀释空气时,总NO和热力型NO生成率的下相应地减少了热力型NO生成降幅度较N2稀释时的大N2稀释时,快速型NO生热效应降低火焰温度进而减少热力型NO生成率相对较平坦,但还是呈下降趋势.其主要原因为成,而化学效应降低CH和HCN浓度,从而减少快H2O和CO2的比热较大,以及稀释效应和化学效应速型NO生成.与N2稀释相比,H2O和CO2稀释在发挥作用引起较大的HCN下降,这将较大幅度地减少快速图7比较了稀释剂量为20%条件下,不同稀释型NO生成剂类型对总NO生成率的影响对于合成气50%在 GRI-MECH3.0中热力型NO生成主要基H250%CO,总NO生成率分别乘以2.4倍(N2稀释于扩大的 Zeldovich机理的3个反应,因此对于热力剂)、7.0倍(H2O稀释剂)、8.1倍(CO2稀释剂)得型NO生成的计算只考虑这3个反应.由于在几种到的形状和峰高与未稀释条件下基本相同.而对于NO生成机理中除了热力型NO和快速型NO外,合成气47.5%H247.5%C05%CH4,总NO生成率其他机理生成的NO所占比例很小,这里忽略所以分别乘以1.6倍(N2稀释剂)、4.8倍(H2O稀释快速型NO=总NO一热力型NO.剂)、5.1倍(CO2稀释剂)得到的峰高分别与未稀释图6表示3种稀释剂对合成气50%H250%CO条件下基本相同然而形状发生了变化,这与CH4火焰NO生成率的影响由图可知快速型NO的生的存在增加了快速型NO生成有直接的关系一总NO亠速型快速型NO空气0.尔分数0400空气中聊尔分数空气中N2摩尔分数图6不同稀释剂对NO生成率的影响Fig 6 Effects of different diluents on No formation rate燃料喷嘴的距离离燃料喷嘴的距离(a)a=200(b)a=200s-1,47.5%H247.5%CO5%CH图7不同稀释剂对总NO生成率的影响Fig 7 Effects of different diluents on total NO formation rate2.3火焰拉伸率对NO生成的影响明显减中国煤化工加减少了燃料图8表示了峰值NO摩尔分数与火焰拉伸率之组分在一度地减少了热间的关系从图中可看出,2类合成气火焰拉伸率与力型人M,提是高火焰拉伸率峰值NO摩尔分数之间的变化关系基本上是一致对降低NO摩尔分数所起的作用不大,但仍然能有的,在低火焰拉伸率时,提高火焰拉伸率使NO生成效地降低峰值火焰温度,这时NO的生成表现为快第6期汤根土,等:不同空气稀释剂对合成气扩散火焰NO3生成特性的影响929速型机理成因所占比例明显增大.另外20%N2稀a=50s10%H250%COcO2稀释空气释空气时,提高火焰拉伸率将大幅度地降低峰值so%H250CoH2O稀释空气NO摩尔分数,而20%H2O和20%CO2稀释空气50%H250CON稀释空气-475%H2475%C05%CH4CO2稀释空时,变化曲线较为平坦,其原因是H2O和CO2的比45%H2475%C5%CH4H2O稀释空热大,以及化学效应部分消除了火焰拉伸率的作用475%H2475%CO5%CH4N2稀释空气00001220%CO220%H,O稀释空气东000-2%N2稀释空气子m图9不同稀释剂对排放指数ElNo的影响Fig 9 Effect of different diluents on the emission index EINo21002200峰值火焰温度/K(a)50%H250%CO3结论0.000000-0c0稀释空气(1)3种稀释剂(H2O、CO2、N2)对合成气燃烧20%HO稀释空气0020N稀释空气100特性的影响是非线性的,随着稀释剂量的增加,NOa=200下降幅度呈递减关系;少量稀释剂稀释空气时就能有效降低NO排放;3种稀释剂降低NO排放效果的顺序为:CO2>H2O>N2(2)稀释剂对合成气中是否存在CH4时的影1 700 1 800 I 900峰值火焰温度/K响趋势基本上是相同的,CH的存在减少了火焰温(b)47.5%H247,5%005%CH4度和热力型NO的生成引起了CH自由基浓度的图8火焰拉伸率对嶂值NO摩尔分数和峰值火焰温度的影响迅速提高,促进了快速型NO的形成g8 Effects of the flame strainthe peak No(3)提高火焰拉伸率和添加稀释剂均能有效减mole fraction and peak flame temperature少NO.排放,其中CO2和H2O稀释剂对于降低排2.4排放指数EI放指数Elk,更为明显,但是在高火焰拉伸率时,提为了定量研究火焰的热释率和质量生成率,合高火焰拉伸率对减少NO排放效果不够明显,因此成气火焰的NO,排放采用NO4排放指标(EI,)来采用CO2和H2O稀释空气是一种有效的抑制NO表征生成的方法(4)合成气火焰中NO生成主要受热力型机理MNo No.dr控制,当添加稀释剂时,停留时间、稀释效应、稀释剂(9)的比热以及化学效应的影响改变了合成气火焰NO排放特性,其结果是降低了空气中的氧含量和重要式中;为生成/消耗率M代表分子量;EIko.表示总自由基ON,H、CH的浓度导致采用CO2和H2ONO,生成率与总燃料消耗率之比,gNO/kg燃料稀释空气时效果更为明显.工业上评价燃烧器的排放特性时,单位燃料消參考文献耗所产生的NO生成量是一个重要的指标图9表示了在不同空气稀释剂2类合成气火焰对NO,排[1] Gadde S, Wu Jian-fan, Gulati A,aal. Syngas放指数的影响,从图中可知,在基于稀释剂体积百分capable combustion systems development for比进行比较时,CO2稀释空气的效果最明显,其次advanced gas turbines [C]//Proceeding of the ASME是H2O和N2,并且随着稀释剂量的增加,排放指数中国煤化工vada USA: IGTI均呈下降趋势,表现为非线性地下降含CH4合成[2CNMHGan J. Laminar flame气火焰的NO,排放指数明显高于不含CH4合成气speeds of H2/CO mixtures: effect of cO, dilution的preheattemperatureandpressure[j].combustion930动力工程第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]刘广建,刘字,李政,等新型二甲醚发电多功能系统的设计与分析[].动力工程,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. Experimentalof diluents on NO, formation in hydrogen counterflowstudy of humid air diffusion flames in HAT cycleflames [] Combustion and Flame, 2002, 130(1[CJ//Proceedings of the ASME Turbo Expo-Power for2):48-6Land Sea and Air. Barcelona, Spain: IGTI, 20071 195 [12] Park Jeong, Choi Jong-Geun, Keel Sand-I, et alFlame structure and NO emissions in gas combustio[6J Lazzaretto A, Segato F. A thermodynamic approachof low calorific heating value [] Internationalto the definition of the hat cycle plant structureJournal of Energy Research, 2003, 27(15): 1339-U]. Energy Conversion and Management, 2002, 43(912):1377-1391[13] Barlow RS, Karpetis AN, Frank JH, et al.Scalar[7] LIbas M, Crayford AP, Yilmaz l, et al. Laminar-profiles and NO) formation in laminar opposed-flowburning velocities of hydrogenr-air and hydrogen-partially premixed methane/air flames [].methane-air mixtures? An experimental study [ JCombustion and Flame, 2001, 127(1-2), 21022118.(12):1768-1779[14] Smith GP, Golden DM, Frenklach M, et aL. GRI[8] Alavandi s K, Agrawal A K. Lean premixedMech3.0[z].http://www.meberkeleyeducombustion of carbon-monoxide-hydrogen-methanefuel mixtures using porous inert media[cJ//[15]冯耀勋,赵黛青,刘庆才等.热辐射对富氧扩散燃Proceedings of the ASME Turbo Expo,2005,2:427-烧火焰结构和氮氧化物生成的影响[.热能动力工433[9] Walton S M, He X, Zigler B T, et al. An [16] Som S, Ramirez A I, Hagerdorn J, et aL.Aexperimental investigation of the ignition properties ofnumerical and experimental study of counterflowhydrogen and carbon monoxide mixtures for syngassyngas flames at different pressures [].Fuel, 2008turbine applications [C J//Proceeding87(3):319-334Mewe// weweseweeweoeeseseseweweweeoeoesevegesesese期特发麦论文截现播再热汽温的动态特性与控制(上海发电设备成套设计研究院,上海200240)摘要:给出了再热器动态特性简便计算公式.按再热器的结构参数和热力参数,分析了摆动火嘴、烟气挡板、烟气再循环等调温方式在烟气侧热量扰动和喷水扰动下的再热汽溫动态时,用一鲺再热器噴水减溫的两种大滞后再热汽温辅助调节系统H中国煤化工法投入自动米用的单回路控制系純即只要把调节器的微分时间常数Td和积分时间常数CNMHG服一级喷水减温再热汽温的大滞后,使控制系统穗定工作,从而满足再热器运行需要