天然气燃烧NOx排放特性实验研究及数值模拟

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1、昂0面弗I朋锅炉技术Vo1．46，No．1学兔兔www.xuetutu.com2015年1月B0ILERTECHN0LoGYJan．，2015【节能与环保】天然气燃烧NO排放特性实验研究及数值模拟张笑慰，范卫东，李宇，郭青宏(上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240)摘要：通过在实验与数值模拟下对不同预混度、气氛、燃气流量和环境温度对天然气火焰NO生成的影响分析。研究结果表明：在空气气氛下，NO排放随燃气流量的增大而单调增大，完全预混燃烧时NO排放最低，完全扩散燃烧时NO排放最高，而在部分预混燃烧时存在一个N排放次低点，其预混程度大约为50～6O。其中，热力型NO

2、形成规律与总NO形成规律相似，而快速型N大概占总N0r的1o％～2O，随预混程度增大而递减。在增氧气氛下(>21O。与N)，NO随0浓度的提高而成倍增加，其中，快速型NO增长缓慢，热力型N0大幅增加。同时，N0的形成直接受环境温度影响，在一定温度范围内N0的生成量与环境温度成二次函数的关系。关键词：NO；天然气；燃烧；数值模拟中图分类号：TQ534文献标识码：A文章编号：1672—4763(2015)0卜0070-05实验对比，说明了在燃烧条件改变后，热力型0前言NO与快速型N分别对NO排放的影响我国蕴藏有丰富的天然气资源。天然气是规律。一种洁净能源，相比于煤炭、石油，天

3、然气燃烧1实验装置及数值计算方法介绍后的烟气中固体污染物、硫氧化物含量较低，但其主要污染物是N0。国家环保局于2011年71．1实验装置月29日发布的《火电厂大气污染排放标准》实验装置示意图见如1。(GB13223—2011)中明确规定：对重点地区，以排烟天然气为燃料或其他气体为燃料的锅炉氮氧化物排放限值为100mg／m。或50mg／m。。目前国内一些以燃气为主要工业燃料的重点行业，其氮氧化物排放是远超排放标准的，如某企业燃气加热炉的烟气中氮氧化物排放量为200mg／m。以上。可见，燃气工业燃烧的NO排放须得到控制，本文将为燃气低氮燃烧技术提供一些指导。目前国内外许多研究

4、者对常温下空气气氛下的甲烷火焰N排放规律进行研究l_】]，而在增氧气氛与高温环境下甲烷火焰NO排放研究较少增氧气氛是指在空气中混入氧气，提高燃烧效率，尤其低热值燃气。同时减少排烟图1实验装置示意图量，进而减少排烟热损失，提高锅炉效率。本文研究了预混程度、氧气浓度、环境温度对天然气如图1所示，燃烧器中心前接的是燃料与压燃烧NO排放的影响规律，并通过数值模拟与缩空气的混合物，外层环形管道前接二次空气，收稿日期：2014—0115；修回日期：2014一O5—29作者简介：张笑慰(1988一)，男，硕士研究生，主要从事燃气清洁燃烧技术的研究。学兔兔www.xuetutu.com第

5、1期张笑慰，等：天然气燃烧N排放特性实验研究及数值模拟总空气过量系数为1．2。在纯扩散工况下，中心计算所得总N、计算所得热力型NO与计算通道通入燃料，环形通道通入全部空气。在预混所得快速型NO生成规律，可见计算所得结果与工况下，中心通道通入燃料与空气的混合物，环实验结果规律吻合的很好。形通道通人剩余的二次空气。在增氧工况下，中心通道通人燃料、空气与氧气的混合物，环形通道通人空气和氧气的混合物。点火后加入石英苫]管，石英管直径为70mm，长度为1．2m。燃烧后Z瞳产生的烟气一部分由尾部直接排出，另一部分经露乡由一个过滤装置进入烟气分析仪，此部分的烟气林1量为1L／rain，

6、过滤装置主要为了排去烟气中的水分和炭黑等杂质，以保护仪器设备。1．2计算模型根据石英管与燃烧器的实际尺寸建立了三维模型并对其进行网格划分，模型中燃料与空气2入口处气体参数变化较大，故网格布置较密，模Z珀型后端网格布置较疏，是为了控制网格总体数难蜮量，减少运算量，网格总数量24万。湍流模型采士用标准忌一e模型，辐射模型采用DO模型，化学000．20．40．60．81．01．2反应模型采用有限速率／涡耗散模型，采用Sim—预混度(b)计算所得总NOxpieC算法，差分格式。∞∞∞∞∞∞∞o∞加∞蚰∞∞加O∞加∞∞∞∞加0∞∞∞舳印∞∞01．3工况介绍宝本文中所采用的天然气主要

7、组分和浓度如Z下：Co2>0。47，N2>0．97，CH4>96．23副霰。过量空气系数为1．2。预混程度为一次空气靶系数，预混程度为0即指纯扩散燃烧。实验与数撼：值模拟共分为三大部分：第一部分为常温空气气氛下燃烧实验与数值模拟，3个天然气流量300预混度(c)计算所得热力型NOxml／min、400ml／min、500ml／min，实验中做了13个预混度(O、0．1、0．2⋯⋯1．2)，数值计算中做了7邑个预混度(0、0．2、0．4⋯⋯1．2)；第二部分为增氧j_▲。5o0ml／min1Z气氛(o。／N)下扩散燃烧的实验与数