文档介绍：§6 煤燃烧中NOx 生成的模拟
氮的氧化物NOx主要是NO和NO2,其次是N2O,N2O3,N2O4和N2O5
1 燃烧过程中NOx的生成机理
NOx生成的三种主要方式
热力NOx, 它是助燃空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物,其生成机理最先是原苏联科学家Zeldovich等提出的
燃料NOx,系指燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物
快速NOx,指碳化氢系燃料在燃烧时分解所产生的中间产物和N2反应生成的氮氧化物
上述三种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同而有差别。对于燃煤,通常燃料NOx占70% - 85%,热力NOx占15% - 25%,其余为少量的快速NOx
热力NOx
高温下空气中的N2氧化的产物,其主要反应如下
O+N2→NO+N (136)
N+O2→NO+O (137)
N+OH→NO+H (138)
以上反应的活化能很大,且生成速度与燃烧温度的关系密切
当燃烧温度低于1500℃时,热力NOx生成量极少
控制热力NOx 的关键在于降低燃烧温度水平,避免局部高温,同时降低氧气浓度
快速NOx
碳氢化合物燃烧过程中分解的CH,CH2和C2等基团破坏了空气中的N2分子键,,NH和N等原子基团,它们再与O,OH等基团反应生成NO
快速NOx只有在富燃的情况下,即碳氢化合物较多,氧浓度相对较低时才发生
燃料NOx
影响因素多,反应复杂,因而至今对其反应机理的认识还不够完善
有文献认为,从燃料N向NO的转换是由两个互相竞争的过程所决定的。这两个过程是:由燃料N在高温下分解生成含有N原子的中间生成物I(、HCN、和NHi等化合物),然后I和含有氧原子的反应物R(如O、OH、O2等)反应生成NO,或者和NO反应而使之还原为N2,即
I+R→NO+…
燃料N →
I+NO→N2+…
De’,HCN氧化后生成NO,还原生成N2,即
char
O2 → NO → N2+…
燃料-N → HCN
NO→N2
煤粉燃烧之燃料NOx的生成机理更为复杂
既存在挥发分的单相燃烧,又有焦碳的多相燃烧,因而这时的燃料NOx应包括挥发分中的N生成的NO和残留在焦碳中的N生成的NO这两个部分
和NH3,两者的比例不仅取决于煤的挥发分,而且与N和碳氢化合物的结合状态等化学性质有关
在典型的煤粉燃烧条件下,挥发分NOx约占燃料NOx的60-80%
相比挥发分NOx,焦碳NOx的生成机理更为复杂。焦碳NOx的生成速率与焦碳中的N含量、氧浓度和温度、煤颗粒孔隙结构及颗粒反应表面积等因素有关。同时,焦碳表面和CO等还原性气体对已生成的NO会产生还原分解作用,使燃料NOx减少
2. 燃烧过程中NOx生成的模拟
1) 基元反应模型
NOx在燃烧过程中生成复杂,有的研究者就忽略实际燃烧过程的特征,强调NOx生成的平衡反应,考虑体系内所有可能的基元反应和反应物质,按平衡方程求解
忽略了实际的湍流燃烧过程的特征,这样的处理尚未让众多的燃烧工作者接受
2) NOx生成的PDF输运方程模型
燃烧过程中NOx的生成不仅和本身的详细化学反应机理有关,而且和湍流流场及其之间的相互作用有关。诸如湍流场、温度场、燃料种类、氧量和辐射换热等,特别是化学反应机理的非线性和非平衡性,都会极大地影响污染物的最终排放量
通常的湍流模型在模拟化学反应时,一般是假设化学反应速率是线性的或极快的或极慢的,以获得平均反应速率的简化表达式
实际燃烧过程中,化学反应是非线性的、其反应速率是有限的,其中NOx的生成和详细的化学反应机理密切相关,难于用平均的总包反应速率来描述
PDF输运方程模型可以把与湍流输运及化学反应速率有关的项都用封闭的形式表达,无需模拟,任何复杂的化学反应机理都可精确计算,因而它在污染物生成过程的模拟中得到重视和应用
求解PDF输运方程所用的Monte Carlo统计方法在流体颗粒数选取较大时需要很大的计算工作量和存储空间 k-ε湍流模型与化学热力学参数的标量联合PDF方程模型
考虑到计算工作量,其计算过程中选用的随机样本数并不大,这限制了PDF输运方程模型和Monte Carlo模拟对实际更为复杂的湍流反应流的计算
为了兼顾PDF输运方程模型的优点,克服其以上不足,目前实用的主要是给定PDF的简化PDF模型和简化PDF与局部瞬时平衡相结合的模型. 前者仅适用于双组分反应的简单情况,后者则可适用于复杂的扩散燃烧
简化PDF与局部瞬时平衡相结合的模型(同轴射流射入突扩燃烧室)
同轴射流射入突扩燃烧室时,其中心一次风射流为燃料与空气,环缝射流为二次风。混合物分数可定义为:
(139)
其中mp为来自一次风的流体质量,ms是来自二次风的流体质量。混合物分数f表示任一时刻在任一位置上的混合程度,即局部瞬时当量比。任何其