趙琳琳^a，王啟民^b

（沈陽工程學院a.研究生部；b.能源與動力學院，遼寧沈陽110136）

　　摘要：為了減少生物質燃燒所產生的NO_x排放量，采用將二次風改為低溫煙氣的方法，并通過fluent軟件對該方法進行了計算分析。結果表明：將二次風改為低溫煙氣后，可以有效地減少鍋爐NO_x的排放量，且隨著低溫煙氣溫度升高，NO_x排放量總體成上升趨勢。

　　隨著社會經濟的不斷發展，人類對能源和環境問題越來越重視。生物質能是可代替煤和石油的可再生能源，具有廣闊的科學前景。但生物質能也同其他化石能源一樣，會產生一定的污染物，NO_x就是生物質燃燒產生的污染物之一，它對人體、植物、大氣環境均有危害^[1]。因此，研究如何控制生物質燃燒時所產生的NO_x排放量具有重大意義。

　　國內外學者對該問題均進行了研究。楊國鋒^[2]研究生物質顆粒燃燒時的煙氣排放特性發現：隨著二次風比例在0.3～0.7范圍內的增加，NO_x含量呈現先降低、后增加、又降低、再增加的“W”形變化趨勢。PAWLAK-KRUCZEKH等^[3]研究富氧燃燒環境下生物質混煤煙氣排放特性發現：NO_x的排放主要受燃料中揮發分含量、空氣分布以及鍋爐或燃燒器配置的影響。陳國華等^[4]以工業鍋爐使用較多的木質成型燃料作為研究對象，發現在溫度較高（大于900℃）時，減少空氣量的供給，可明顯降低NO的排放量。

　　本文使用低溫煙氣來代替二次風的方法，降低生物質在層燃鍋爐燃燒時所產生的NO_x排放量，并探討低溫煙氣溫度對NO_x排放的影響。研究結果對環境保護及能源利用方面具有重要意義。

　　1生物質燃燒NO_x生成機理

　　生物質燃燒產生的NO_x主要是由燃料中的N元素氧化形成的，也可能有少量的NO_x是在某些特定條件下由空氣中的N元素形成的。燃料燃燒過程中NO_x的生成有3大類：熱力型NO_x、瞬態型NO_x和燃料型NO_x^[5-6]。熱力型NO_x是由空氣中的N₂氧化生成，通常需要在1500℃以上才能產生，而生物質燃燒溫度很難達到1300℃以上，所以基本上不會產生熱力型NO_x；瞬時型NO_x是在富氧條件下，由碳氫化合物形成活性很強的CH自由基與空氣中的N2反應生成的，受空氣過剩系數影響很大^[7-8]；燃料型NO_x就是由燃料中的N轉化而來的，燃料氮的轉換途徑如圖1所示^[9]。

　　燃料型NO_x是生物質燃燒排放的NO_x最主要的來源，大約占80%，受到溫度、O₂量、燃料種類、粒徑等諸多因素的綜合影響^[10]。燃料氮轉化率會隨著燃燒溫度的升高而升高。隨著過量空氣系數的降低，燃料型NO_x的生成量會一直下降。因此，根據這兩條影響因素提出采用低溫煙氣的方法，來降低生物質在層燃鍋爐中燃燒所產生的NO_x排放量。

　　2 NO_x排放的數值模擬

　　2.1初始條件

　　以6t的層燃鍋爐為研究對象，爐膛容積為8.28m³，爐排面積為10.37m²，一次風從爐排下部的5個風室進入，二次風從爐膛喉部單側8個風口送入爐膛，每個風口的截面積為5026.53mm²。爐膛入口空氣過剩系數為1.4，爐膛的漏風系數為0.05，爐膛出口處空氣過剩系數為1.45，該鍋爐選用的燃料為玉米秸稈顆粒，其成分如表1所示。鍋爐的燃料消耗量為0.3859kg/s。

　　根據玉米秸的成分分析可知理論空氣量為4.4885m³/kg，而通過計算得出實際需要的濕空氣量為3.018kg/s。一、二次風的配風比為7:3，故可得一次風的流量為2.113kg/s，二次風的流量為0.905kg/s。

　　2.2數值模擬

　　根據鍋爐爐膛實際尺寸，通過icem進行1:1建模。因爐膛的實際結構比較復雜，二次風噴口較多且尺寸較小，很難用結構化網格來模擬。因此，對爐膛采用非結構化網格進行劃分。

　　將網格導入Fluent進行數值模擬，三維穩態計算選用標準k-ε模型，輻射傳熱計算采用P1輻射模型，采用動力擴散控制燃燒模型模擬生物質的燃燒。壓力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。考慮到模擬過程中存在復雜的流動和燃燒，跟據經驗選用分步計算的方法，即先根據實際的各項速度邊界條件計算爐內的流動情況，再根據所得到的流場作為初場計算生物質的燃燒。NO_x采用后處理的方法，且考慮熱力型NO_x、燃料型NO_x和快速型NO_x。

　　2.3模擬結果及分析

　　1）對正常燃燒時（即二次風口通入溫度為20℃的空氣）的鍋爐進行模擬，可以得出爐膛出口煙氣溫度為1051.81K，出口煙氣中氧的含量占總氣體的9.48%，而出口的NO_x含量為154.66ppm。圖2為鍋爐二次風風口中間側切截面溫度圖。

　　2）將20℃的空氣改為低溫煙氣從爐膛喉部風口送入，并進行數值模擬。煙氣選用爐膛尾部煙氣，其中水蒸氣容積份額為4.6%，CO₂和SO₂的容積份額為14.2%。為了研究煙氣溫度與爐膛尾部NO_x排放量的關系，選取了9個煙氣溫度進行了數值模擬，并分別計算出了爐膛尾部煙氣溫度、爐膛尾部氧量占總煙氣的百分比及爐膛尾部NO_x排放量，其結果如表2所示。

　　從表2可以看出，將二次風改為低溫煙氣后，低溫煙氣的溫度對爐膛出口煙氣溫度及爐膛出口O₂平均質量分數影響不大，但對NO_x的排放量有一定的影響。為了更直觀看出低溫煙氣溫度對NO_x排放量的影響，將計算結果繪制成散點圖，如圖3所示。

　　從圖3中可以看出，隨著低溫煙氣溫度的升高，爐膛出口NO_x的排放量總體有上升的趨勢。從選用的這9個溫度中可以看出，煙氣溫度在50℃時，爐膛出口NO_x的排放量最低，為88.15ppm；當煙氣溫度為350℃時，爐膛出口NO_x排放量最高，為196.78ppm。故選用溫度為50℃的低溫煙氣來代替20℃的空氣，從而降低生物質燃燒時所產生的NO_x。

　　圖4為通入50℃低溫煙氣時鍋爐二次風風口中間側切截面溫度圖，與圖1相比可以看出，將二次風改為低溫煙氣，對爐內燃燒及溫度影響不大。

　　圖5和圖6分別為通入20℃空氣和通入50℃煙氣時，在鍋爐相同截面NO_x含量分布圖。將這兩個圖對比可以看出，將20℃空氣改為50℃煙氣可以有效地抑制NO_x在爐膛喉部風口下方生成，使爐膛出口NO_x含量從154.66ppm減少到88.15ppm，減少了43%。

　　3結論

　　本文通過數值模擬對采用低溫煙氣降低生物質層燃鍋爐NO_x排放進行分析，并得出低溫煙氣的溫度對NO_x排放量具有一定的影響。在選用50℃煙氣時NO_x排放量最低為88.15ppm，可使爐膛出口NO_x排放量減少43%。這也驗證了采用二次風改低溫煙氣的方法，可以有效地減少爐膛尾部NO_x的排放量，具有廣泛的應用前景。