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采用低温烟气降低生物质层燃锅炉氮氧化物排放的研究

发布时间:2019-11-01 09:46内容来源:网络整理 点击:

赵琳琳a,王启民b

(沈阳工程学院a.研究生部;b.能源与动力学院,辽宁沈阳110136)

  摘要:为了减少生物质燃烧所产生的NOx排放量,采用将二次风改为低温烟气的方法,并通过fluent软件对该方法进行了计算分析。结果表明:将二次风改为低温烟气后,可以有效地减少锅炉NOx的排放量,且随着低温烟气温度升高,NOx排放量总体成上升趋势。

  随着社会经济的不断发展,人类对能源和环境问题越来越重视。生物质能是可代替煤和石油的可再生能源,具有广阔的科学前景。但生物质能也同其他化石能源一样,会产生一定的污染物,NOx就是生物质燃烧产生的污染物之一,它对人体、植物、大气环境均有危害[1]。因此,研究如何控制生物质燃烧时所产生的NOx排放量具有重大意义。

  国内外学者对该问题均进行了研究。杨国锋[2]研究生物质颗粒燃烧时的烟气排放特性发现:随着二次风比例在0.3~0.7范围内的增加,NOx含量呈现先降低、后增加、又降低、再增加的“W”形变化趋势。PAWLAK-KRUCZEKH等[3]研究富氧燃烧环境下生物质混煤烟气排放特性发现:NOx的排放主要受燃料中挥发分含量、空气分布以及锅炉或燃烧器配置的影响。陈国华等[4]以工业锅炉使用较多的木质成型燃料作为研究对象,发现在温度较高(大于900℃)时,减少空气量的供给,可明显降低NO的排放量。

  本文使用低温烟气来代替二次风的方法,降低生物质在层燃锅炉燃烧时所产生的NOx排放量,并探讨低温烟气温度对NOx排放的影响。研究结果对环境保护及能源利用方面具有重要意义。

  1生物质燃烧NOx生成机理

  生物质燃烧产生的NOx主要是由燃料中的N元素氧化形成的,也可能有少量的NOx是在某些特定条件下由空气中的N元素形成的。燃料燃烧过程中NOx的生成有3大类:热力型NOx、瞬态型NOx和燃料型NOx[5-6]。热力型NOx是由空气中的N2氧化生成,通常需要在1500℃以上才能产生,而生物质燃烧温度很难达到1300℃以上,所以基本上不会产生热力型NOx;瞬时型NOx是在富氧条件下,由碳氢化合物形成活性很强的CH自由基与空气中的N2反应生成的,受空气过剩系数影响很大[7-8];燃料型NOx就是由燃料中的N转化而来的,燃料氮的转换途径如图1所示[9]

  燃料型NOx是生物质燃烧排放的NOx最主要的来源,大约占80%,受到温度、O2量、燃料种类、粒径等诸多因素的综合影响[10]。燃料氮转化率会随着燃烧温度的升高而升高。随着过量空气系数的降低,燃料型NOx的生成量会一直下降。因此,根据这两条影响因素提出采用低温烟气的方法,来降低生物质在层燃锅炉中燃烧所产生的NOx排放量。

  2 NOx排放的数值模拟

  2.1初始条件

  以6t的层燃锅炉为研究对象,炉膛容积为8.28m3,炉排面积为10.37m2,一次风从炉排下部的5个风室进入,二次风从炉膛喉部单侧8个风口送入炉膛,每个风口的截面积为5026.53mm2。炉膛入口空气过剩系数为1.4,炉膛的漏风系数为0.05,炉膛出口处空气过剩系数为1.45,该锅炉选用的燃料为玉米秸秆颗粒,其成分如表1所示。锅炉的燃料消耗量为0.3859kg/s。

  根据玉米秸的成分分析可知理论空气量为4.4885m3/kg,而通过计算得出实际需要的湿空气量为3.018kg/s。一、二次风的配风比为7:3,故可得一次风的流量为2.113kg/s,二次风的流量为0.905kg/s。

  2.2数值模拟

  根据锅炉炉膛实际尺寸,通过icem进行1:1建模。因炉膛的实际结构比较复杂,二次风喷口较多且尺寸较小,很难用结构化网格来模拟。因此,对炉膛采用非结构化网格进行划分。

  将网格导入Fluent进行数值模拟,三维稳态计算选用标准k-ε模型,辐射传热计算采用P1辐射模型,采用动力扩散控制燃烧模型模拟生物质的燃烧。压力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。考虑到模拟过程中存在复杂的流动和燃烧,跟据经验选用分步计算的方法,即先根据实际的各项速度边界条件计算炉内的流动情况,再根据所得到的流场作为初场计算生物质的燃烧。NOx采用后处理的方法,且考虑热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx

  2.3模拟结果及分析

  1)对正常燃烧时(即二次风口通入温度为20℃的空气)的锅炉进行模拟,可以得出炉膛出口烟气温度为1051.81K,出口烟气中氧的含量占总气体的9.48%,而出口的NOx含量为154.66ppm。图2为锅炉二次风风口中间侧切截面温度图。

  2)将20℃的空气改为低温烟气从炉膛喉部风口送入,并进行数值模拟。烟气选用炉膛尾部烟气,其中水蒸气容积份额为4.6%,CO2和SO2的容积份额为14.2%。为了研究烟气温度与炉膛尾部NOx排放量的关系,选取了9个烟气温度进行了数值模拟,并分别计算出了炉膛尾部烟气温度、炉膛尾部氧量占总烟气的百分比及炉膛尾部NOx排放量,其结果如表2所示。

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