图3挥发份析出速率图4焦炭燃烧速率

　　图5氧气浓度分布及0.05浓度等势面

　　a) b) c) d)

　　图6HCN 生成速率(gmol/m3s)

　　3.3 热力型NO生成特性

　　结合图7热力型NO生成的等势面图，图8温度分布和图4焦炭燃烧速率可以看出，热力型NO在燃烧器下部温度较低处没有产生。主要集中在焦炭燃烧区和燃尽风区。热力型NO对温度和氧气的依赖性很强，尤其对于温度的依赖性很强。从温度分布来看焦炭剧烈燃烧区的温度在1800K左右，燃烧温度很高，由于燃烧温度高于1450℃时，温度每增加100℃，NO的生成速度将增加6～7倍，燃烧温度低于1450℃时，几乎观测不到NO的生成反应[20]。因此，在焦炭剧烈燃烧区产生大量的热力型NO。在SOFA区及上部由于温度很高，并且氧气浓度也很高，因此也产生了大量的热力型NO。

　　图7热力型NO生成速率图8温度分布

　　3.4 炉内总NO生成特性

　　从图9总NO生成速率分布图来看，NO生成速率分布图与图2燃料型NO分布图相似，但并不相同，同时，也不是热力型与燃料型NO生成速率的简单叠加。在主燃烧器区，焦炭剧烈燃烧区产生的热力型NO会和燃烧时释放的HCN发生均相消减反应，因此不会增加总体的NO量。在SOFA区域，由于大量热力型NO和燃料型NO的生成，该部分的总NO生成速率大致为二者的叠加效果。但这种叠加也不是简单的叠加，因为热力型NO和燃料型NO的产生都要消耗氧气，因此会发生竞争反应。

　　图9总NO生成速率(gmol/m3s)

　　3.5 燃烧早期NO生成速率分析

　　上面的分析我们可以知道，挥发份的析出和焦炭的燃烧对早期NO的生成产生重要的影响。而挥发份的析出速率和焦炭的燃烧速率在射流的早期梯度变化明显，那么深入研究某一燃烧器射流，研究挥发份析出和焦炭燃烧对NO的生成速率的影响，对深入研究燃烧早期NO的生成特性具有重要的价值。可以为燃烧器的设计低NOx燃烧器提供理论依据。由于本文选取为一次风射流中心线来反应燃烧初期氮氧化物生成情况。从一次风截面图可以看到射流入口处NO生成速率发生剧烈的变化，而在炉膛内部则生成速率比较均匀。

　　a) b) c)

　　a)总NO b) 燃料型NO c) 热力型NO

　　图10一次风截面NO生成速率

　　在燃烧器入口3m内，各参数发生剧烈变化，而后平稳。在燃烧器入口附近首先挥发份析出产生HCN，由于射流不断受到上游热气流的冲击，因此射流温度升高，挥发份析出速率增加，因此HCN生成速率迅速增加，在氧气充足条件下HCN转化为NO的速率增加。到达焦炭燃烧温度后焦炭燃烧，并随温度的增加反应速率增大。挥发份析出和焦炭燃烧的双重作用，促使早期产生的HCN速率很大，超过HCN氧化为NO的速率。使HCN生成速率迅速增加。在距离燃烧器1m处，HCN生成速率达到最大值。而后由于煤粉内挥发份的减少和氧浓度的降低，挥发份析出速率变慢，因此HCN产生速率变慢。同时焦炭燃烧速率也由于氧气的消耗而降低，释放HCN也变慢，两种因素共同结果造成HCN生成速率迅速降低。随着反应的进行，NO与HCN的均相消减反应，与HCN的氧化反应渐渐大于挥发份析出与焦炭燃烧的HCN生成反应，因此，HCN的消减速率增大，最终由于反应物的消耗，反应速率趋于0。

　　NO生成速率首先随着HCN生成速率的增加而增大，当HCN速率最大时，NO的生成速率也最大。对于NO生成速率的减小，一方面是由于氧气浓度降低HCN氧化为NO的速率降低，另一方面由于HCN的不断积累，会迅速与NO发生均相反应生成N2，并且NO也会和固定碳反应生成N2，因此综合效果使得NO生成速率降低，甚至出现负值即NO的消减速率大于生成速率，这是由于剩余焦炭与NO的异相反应和HCN与NO的均相消减反应大于HCN的氧化反应造成的。随焦炭燃烧速率的降低与HCN的消减，NO的消减反应速率和生成反应都降低，最终趋于0。

　　在早期燃烧中，热力型NO的生成速率较燃料型NO的生成速率可以忽略不计。

　　由于NO的反应速率的剧烈变化集中于燃烧其出口区域不远处，并且对于挥发份的析出和焦炭的燃烧依赖较大，因此，改进的燃烧方式要尽量使挥发份迅速析出，焦炭迅速燃烧，有利于降低NO的排放，比如：增大一次风中煤粉的浓度。

　　图11 一次风中心线产物生成速率分布

　　图12 一次风中心线挥发分析出与焦炭燃烧

　　4 结论

　　(1)从燃料型NO的生成情况来看，挥发份析出阶段会产生大量的燃料型NO，焦炭在缺氧的气氛下燃烧促进了焦炭燃烧时释放产生HCN与已经产生的NO发生均相消减反应生成N2。组织早期的缺氧燃烧是降低主燃区产生NOx的关键。SOFA区域焦炭在氧化性气氛下燃烧，会导致燃料型NO生成速率增加。

　　(2)在焦炭剧烈燃烧区，温度较高;SOFA区域温度和氧气浓度都较高，因此，这两区域热力型NO生成较多。

　　(3)从总NO生成速率图可以看出，主燃区NO分布与燃料型NO分布基本相同，SOFA区 NO生成速率大致为燃料型和热力型NO二者的叠加。

　　(4)从一次风射流中心线上氮氧化物生成来看，距离燃烧器3m内，NO生成速率变化较大，而在3m以外，速率为0。HCN与NO的速率变化趋势相同都与早期挥发份析出与焦炭燃烧有着密切的关系。

　　组织空气分级低氮燃烧技术的关键为主燃区焦炭燃烧在缺氧条件下进行，但深度分级不一定会达到降低氮氧化物排放的结果，在SOFA区域氧浓度如果太高，会造成氮氧化物排放大大增加。因此合理的优化主燃区与燃尽区氧量配比是关键。

　　参 考 文 献 S.L. Chen, M.P. Heap, D.W. Pershing, G.B. Martin, Influence of Coal Composition onthe Fate of Volatile and Char Nitrogen During Combustion, NineteenthSymposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh,1982, 1271–1280 R.P. vander Lam, P. Glarborg, K. Dam-Johansen, Influence of process parameters onnitrogen oxide formation in pulverized coal burners, Progress in Energy andCombustion Science, 1997, 23 (4): 349–377 马立军.空气分级燃烧对炉内NOx生成影响的 数值模拟研究[J].锅炉制造，2010, (1): 20-25

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