|
劉婷潔，張學敏，林超群，李俊韜
（中國農業大學工學院，北京100083）
摘要：為研究生物質顆粒燃料燃燒NO排放規律及其生成機理，采用CFD和ChemKin聯合仿真，建立試驗鍋爐燃燒筒CFD網絡模型，應用ChemKin接口導入簡化的17組分58基元反應機理，建立ChemKin-PSR反應模擬網絡，選用Reaction DesignC2_NOx詳細機理，對棉稈、玉米秸稈、木質3種生物質顆粒NO排放進行模擬。結果表明，NO生成量：棉稈>玉米秸稈>木質；NO排放量隨過量空氣系數的增加先增大后減小，在過量空氣系數為1.7附近達到峰值。將模擬結果與試驗結果進行比較，證明了模型和化學反應機理的正確性，為生物質燃料燃燒NO排放的預測與控制提供參考。
0引言
生物質能源因其對CO2零貢獻，且揮發分較煤高，N、S、灰分和固定炭含量較煤低[1]，作為替代化石燃料的可持續能源，其應用日益廣泛[2-7]。但其巨大消耗量也會導致NO的排放劇增[8]。NO會傷害人的呼吸器官，造成酸雨，破壞臭氧層等。因此，針對生物質顆粒燃料的NO排放特性愈發成為研究熱點。
國內外對生物質燃料NO排放試驗研究工作開展較多，趙欣等[9]在生物質燃燒試驗平臺上研究了3種生物質固體燃料在不同負荷和進氣量下燃燒的NO排放，結果發現，NO的排放量隨負荷增加而增加，隨進氣量增加而減少。Lunbo Duan等[10]研究了3種生物質單獨燃燒以及和煤混燒情況下NO的排放，結果表明，混燒時NO排放低于單獨燃燒生物質。Winter[11]，張鶴豐[12]，Maryori Díaz-Ramírez[13]，Murari MohonRoy[14]，Evelyn Cardozo[15]，Gerhard Stubenberger[16]，Takero Nakahara[17]等均針對不同生物質燃料NO排放進行了試驗研究，然而試驗研究花費大、周期長，且不能直接解釋NO生成機理，因此，采用數值模擬方法研究生物質燃料燃燒NO排放規律及其生成機理顯得十分必要[18]。
國內外有關燃料燃燒過程中NO轉化機理的研究比較廣泛[19-25]，而針對生物質燃料燃燒的并不多。本文采用CFD和ChemKin聯合仿真，對生物質顆粒燃料NO排放特性和機理進行研究。ChemKin是由美國Sandia國家實驗室開發的大型氣相化學反應動力學軟件，是燃燒領域普遍使用的模擬計算工具[26]。本文首先對所選燃燒器在Fluent中進行網絡建模，結合化學反應機理得到燃燒器溫度場和氣流速度場，然后根據相關參數在ChemKin中建立適當的反應器網絡模型，對3種生物質顆粒燃料燃燒的氣相反應進行模擬仿真，得到NO的排放規律，并用試驗結果加以驗證。
1模型建立
1.1Fluent建模及網格劃分
本文所采用的試驗裝置如圖1所示，燃料器選用Pellet Biocontrol20型生物質燃料器。
試驗所用燃燒器是一種頂置喂料式成型顆粒燃燒器，其額定燃燒功率在木質燃料工質下標定為20kW(滿載)，通過風機來控制配風量。試驗中采用木質顆粒、玉米秸稈顆粒、棉稈顆粒3種燃料。表1為3種生物質的揮發分組分的摩爾（體積）分數[27]。試驗采用4kg/h的入料速度進行燃燒試驗。風機入口風速控制為6、7、8m/s，對應的空氣量為25.92、30.24、34.56m3/h[28]。各燃料工業分析、每千克各燃料完全燃燒所需的理論空氣量TAV（theoretical air volume）和理論煙氣量如表2所示，具體計算可參考文獻[29]。
利用Fluent對燃燒筒結構進行三維建模、網格劃分（如圖2所示）及邊界條件設置。在Mesh中劃分三維模型的網格時，對流體區域分別選擇四面體和六面體混合網格，通過Sweep、Patch、Conforming、Sizing、Inflation等方法來進行劃分；在結構細小處，對網格進行加密以獲得較好的網格質量。最終網格數為362782，節點數為65584，平均網格畸變度為0.233，最大網格畸變度為0.81，網格質量較好。求解設置EDC渦耗散有限速率化學反應模型，使用詳細阿累尼烏斯化學動力學機理，燃燒過程湍流模擬采用Reynolds平均法（RANS）k-ε雙方程模型。組分輸運模型選用species transport，該模型可以由用戶自定義反應機理。
1.2 NOx化學機理的選取
NOx詳細排放機理選用ChemKin中Reaction Design發展的的C2_NOx機理。C2_NOx壓力相關機理包括99個反應組分和694個基元反應，在較寬反應域下詳細描述了碳氫化合物的氧化和NOx的機理。應用于CFD計算的化學反應機理要進行大量的簡化，反應機理的簡化要求對于給定的精度保證描述燃燒準確性，省略對燃燒過程沒有明顯影響的組分和基元反應，減少仿真運算量，因此采用敏感性分析法簡化得到17組分58基元反應機理（見表3）。
應用ChemKin接口將17組分骨架機理導入Fluent中，得到玉米秸稈在入口氣流速度為6m/s時溫度場的模擬結果如圖3所示。
圖3表明整個溫度場最高溫度為1320K，略高于試驗測得燃燒器出口的爐膛測試平均溫度1293K[28]，但在可接受范圍內，這與模型假設中忽略固定碳氣化等吸熱反應過程的模型設置有關。圖中所示的溫度場分布與實際情況相符，高溫區主要集中于火帽下方火焰峰面，這是因為火帽的存在使得該處的壓力較大，同時會產生的回流也會使局部溫度較高。將ChemKin中的反應機理導入Fluent中，求解計算得到的模擬結果在一定程度上體現了真實的燃燒情形。
1.3 ChemKin網絡模擬仿真
通過DSMOKE模塊導出CFD仿真結果的混合區體積和滯留時間參數，依據Fluent仿真得到的結果，將參數輸入到ChemKin參數設置表中，作為機理反應模型的初始條件，具體參數見表4所示。問題類型選用Constrain Pressure and Solve Energy Equation (Default)，化學當量比為1.0、壓力為1atm、溫度為1400K。在ChemKin中建立簡化的理想均相反應器網絡，整個網絡結構如圖所示。
圖中共有6個PSR（perfectly stirred reactor）反應器，編號為1～6，1個一維柱塞流反應器PFR（plug flow reactor）用來模擬排氣管道。反應器1到6分別對應于燃燒筒的6個反應區域，如圖4b所示，反應器1為入口區域，反應器2為固相混合區，反應器3為氣相混合區域，反應器4為火帽上方燃燒區域，反應器5為火帽下方回流區域，反應器6為燃燒筒出口及其后方區域。
2模擬結果分析
2.1各反應器的NO分布
圖5a為在4kg/h進料速度、過量空氣系數λ=1.5（25m3/h）下的玉米秸稈組分輸入，各PSR反應器的CO、O2、CO2組分摩爾分數分布。O2含量在反應器1、2、3中一直處于高濃度水平，因為這些區域燃燒并不劇烈，O2消耗量較少，在區域3以后，燃燒反應充分，O2含量迅速下降，同時CO2量迅速增加，此時CO生成量在反應器中降到最低點。CO2和O2隨后保持水平，達到動態平衡，是燃燒穩定的區域。
反應器網絡NO的含量變化如圖5b所示。在反應器1到3中，燃燒溫度較低，氣體揮發分的滯留時間較短，所以生成的NO量很少；而反應器4以后，燃燒充分，溫度升高，O2被大量的消耗，使得NO濃度大幅度上升，但因為溫度低于1500K，即熱力型NO的生成條件，又由于快速型NO的權重在3種NO中較低，所以此時主要是O2與生物質燃料中的N元素發生氧化反應生成燃料型NO。從該曲線圖中可以很好的預測NO生成的主要區域，為提出降低NO的措施提供了理論的依據。
2.2不同燃料的NO排放對比
對玉米秸稈、棉稈顆粒燃料在進料量為4kg/h、風量25m3/h、過量空氣系數為1.5，木質風量30m3/h、過量空氣系數為1.4三種工況下燃燒，對模擬煙氣管道PFR反應器中NO排放模擬結果處理，得到的結果如圖6所示。
對比3種顆粒燃料可以發現，木質燃料NO達到峰值的距離最短，速度最快，而棉稈最慢。在生成量方面，因為燃燒溫度都在1500K以下，且空氣量充足，所以生成的NO主要是燃料型NO，3種顆粒燃料的N元素含量由高到低以此為棉稈、玉米秸稈、木質顆粒，因此棉稈的生成量大于玉米秸稈大于木質顆粒。三者的工業分析數據顯示，棉稈和玉米秸稈的灰分量較高[27]，導致其NO達到峰值速度相對較慢，但從生成量的變化量上來看，三者增值僅為5e-6左右，并不明顯。
圖6的模擬結果與試驗結果[28]進行對比，如表5所示。對比試驗結果數據，其中玉米秸稈和木質的結果較為一致，但棉稈的預測結果有6%的偏差，這可能同燃料N中具體的存在形式相關。在揮發分析出的過程中，揮發分氮主要以HCN和NH3形式析出，而本文參考Faravellie的研究用HCN替代燃料中的揮發分N。
由表5可知，在相同的燃燒器負荷和相同空氣流速下3種燃料的NO平均排放值可以發現，木質顆粒的NO排放最低，棉稈顆粒的最高，玉米秸稈顆粒介于二者之間。
這是因為，在1400K溫度下HCN向NO的轉化路徑是：HCN+M?H+CN+M、HCN+OH?CN+H2O、CN+O?NO+C、HCN+OH?HOCN+H、HNCO+O2?NCO+HO2、NCO+O?NO+CO、HNC+O?NH+CO等一系列反應。CO主要通過反應NCO+O?NO+CO影響NO生成，從平衡常數判斷，較低的CO濃度可促進反應向正方向進行；H2主要通過反應H2+OH?H2O+H產生H基作用于CH2+NO?H+HNCO，使得NO的上升；N元素含量高以及高溫也會導致高NO生成[8]。通過分析棉稈的輸入組分，CO相對含量低，H2相對含量高，在自身元素分析中N的質量分數是三者中最高，而且與玉米秸稈顆粒相比較，棉稈顆粒的燃燒溫度1283K要高于玉米秸稈的燃燒溫度1259K，因此棉稈NO的排放量是3種燃料中最高的。
2.3不同風量的NO排放對比
對于玉米秸稈，在4kg/h進料速度的工況下，設置不同的過量空氣系數（空氣質量流率），范圍為1.3～2.0，步長為0.1，得到反應網絡系統出口處NO的分布。如圖7所示，隨著當量比的增加，NO的排放出現較快增長，在過量空氣系數1.7附近，模型模擬值出現最高排放，隨后NO的排放隨過量空氣系數的增加開始下降，過量空氣系數的變化帶來燃料過程中氧濃度的變化，在λ≤1.7前對NO的生成有較明顯促進，這之后對NO的影響不顯著，同時過量空氣的稀釋效應一定程度降低了NO的體積分數，但對NO的絕對生成量無貢獻。
過量空氣系數是通過進氣量增加而增大的，當λ從1.5變為1.7時，燃燒更加充分，O2隨進氣量而增多；再繼續增大進氣量，空氣流速增加使得混合氣體在爐膛內的滯留時間變短，同時對NO有所稀釋，因而其濃度降低。
需要說明的是，不管模擬結果或是試驗數據NO排放值均較高，這除了與燃料自身性質有關外，燃燒器的結構對其排放也有很大影響。張永亮[30]對包括本文研究的PB-20型燃燒器在內的3種燃燒器排放進行了測試，結果表明本文選用的燃燒器NO結果較高。燃燒器結構會影響燃燒參數，從而影響排放。利用本文機理結果，可針對不同的燃燒器進行模擬研究其排放，從而大大縮減燃燒器的設計和改進過程。這部分相關原理和模擬研究應成為今后研究方向。
3結論
1）根據Fluent對燃燒筒仿真結果在ChemKin中建立了PSR等離子體管流反應器模型,對NO排放的化學過程進行反應動力學模擬。
2）結果顯示各反應器NO濃度分布與溫度分布和CO、O2、CO2各組分分布有直接關系，NO主要生成在反應器4之后，且為燃料型NO。
3）將不同生物質成型燃料NO排放的模擬結果與試驗結果進行對比，兩者得出相同的變化趨勢，棉稈成型顆粒的結果有6%的偏差，玉米秸稈和木質的結果較為符合。
4）不同過量空氣系數下的玉米秸稈模擬結果表明：在過量空氣系數為1.7附近時，燃燒產生的NO排放最高，體積分數為290×10-6；模擬結果與試驗結果較為吻合。
5）驗證了選用ReactionDesign的C2_NOx機理進行CFD和ChemKin聯合仿真，可實現生物質顆粒燃料NO排放預測，并具有較好的精確性。
[參 考 文 獻]
[1]羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質顆粒燃料燃燒設備的研究進展[J].可再生能源，2009，27(12)：90－95.
[2]田紅，廖正祝.農業生物質燃燒特性及燃燒動力學[J].農業工程學報，2013，29(10)：203－212.
[3]張永亮，趙立欣，姚宗路，等.生物質固體成型燃料燃燒顆粒物的數量和質量分布特性[J].農業工程學報，2013，29(19)：185－192.
[4]Matti Parikka.Global biomass fuel resources[J].Biomass and bioenergy，2004，27(6): 613－620.
[5]陳漢平，李斌，楊海平，等.生物質燃燒技術現狀與展望[J].工業鍋爐，2009(5)：1－7.
[6]Demirbas A.Combustion characteristics of different biomass fuels[J].Progress in Energy and Combustion Science，2004，30(2): 219－230.
[7]姚宗路，吳同杰，趙立欣，等.生物質成型燃料燃燒揮發性有機物排放特性試驗[J].農業機械學報，2015，45(10)：135－240.
[8]Williams A，Jones J M，Ma L，et al.Pollutants from the combustion of solid biomass fuels[J].Progress in Energy and Combustion Science，2012(38): 113－137.
[9]趙欣，李慧，胡乃濤，等.生物質固體成型燃料燃燒的 NO和 CO 排放研究[J].環境工程，2015，33(10)：50－54.
[10]Lunbo Duan，Yuanqiang Duan，Changsui Zhao，et al.NO emission during co-firing coal and biomass in an oxy-fuel circulating fluidized bed combustor[J].Fuel，2015，150(15): 8－13.
[11]Winter F，Wartha C，Hofbauer H，et al.NO and N2O formation during the combustion of wood，straw，malt waste and peat[J].Bioresour Technol，1999，70(1): 39－49.
[12]張鶴豐.中國農作物秸稈燃燒排放氣態、顆粒態污染物排放特征的實驗室模擬[D].上海：復旦大學，2009.
[13]Maryori Díaz-Ramírez，Fernando Sebastián，Javier Royo，et al.Influencing factors on NOx emission level during grate conversion of three pelletized energy crops[J].Appl Energy，2014，115(4): 360－373.
[14]Murari Mohon Roy，Kenny W.Corscadden.An experimental study of combustion and emissions of biomass briquettes in a domestic wood stove[J].Applied Energy，2012，99: 206－212.
[15]Evelyn Cardozo，Catharina Erlich，Lucio Alejo，et al.Combustion of agricultural residues: An experimental study for small-scale applications[J].Fuel，2014，115: 778－787.
[16]Gerhard Stubenberger，Robert Scharler，Selma Zahirovic，et al.Experimental investigation of nitrogen species release from different solid biomass fuels as a basis for release models[J].Fuel，2008，87: 793－806.
[17]Takero Nakahara，Hui Yan，Hiroyuki Ito.Study on one-dimensional steady combustion of highly densified biomass briquette (bio-coke) in air flow[J].Proceedings of the Combustion Institute，2015，35: 2415－2422.
[18]Capucine Dupont，Guillaume Boissonnet，Jean-Marie Seiler.Study about the kinetic processes of biomass steam gasification[J].Fuel，2007，86: 32－40.
[19]徐德厚，周月桂，金旭東，等.O2/CO2氣氛下甲烷燃燒中NOx轉化過程的CHEMKIN模擬[J].鍋爐技術，2015，46(3)：75－79.
[20]叢晶，周月桂，徐德厚，等.O2/CO2氣氛下煤粉燃燒中NOx轉化機理的CHEMKIN模擬[J].鍋爐技術，2015，46(5)：63－67.
[21]趙然，劉豪，胡翰，等.O2/CO2氣氛下甲烷火焰中NO均相反應機理研究[J].中國電機工程學報，2009(20)：52－59.
[22]Hirotatsu Watanabe，Jun-ichiro Yamamoto，Ken Okazaki，et al.NOx formation and reduction mechanisms in staged O2/CO2combustion[J].Combustion and Flame，2011，158(7):1255－1263.
[23]Okazaki K，Ando T.NOx reduction mechanism in coal combustion with recycled CO2 [J].Energy，1996，22(2):207－215.
[24]Zhao Ran，Liu Hao，Hu Han，Zhong Xiaojiao，et al.Experimental and modeling study of NO emission under high CO2concentration[J].Science China，2010，53(12): 3275－3283.
[25]Vincent Fichet，Mohamed Kanniche，Pierre Plion，et al.A reactor network model for predicting NOx emissions in gas turbines[J].Fuel，2010，89: 2202－2210.
[26]董剛，蔣勇，陳義良，等.大型氣相化學動力學軟件包CHEMKIN及其在燃燒中的應用[J].火災科學，2000，9(1)：27－33.
[27]Demirbas A.Biorefineries: current activities and future developments energy convers[J].Manage，2009，50(11):2782－2801.
[28]趙欣.生物質成型燃料氣態排放物特性研究[D].北京：中國農業大學，2015.
[29]李鑫華.生物質顆粒燃料燃燒爐的優化設計[D].北京：北京工業大學，2011.
[30]張永亮.生物質固體成型燃料顆粒物排放特性研究[D].北京：中國農業大學，2014. |
