劉婷潔，張學(xué)敏，林超群，李俊韜

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

　　摘要：為研究生物質(zhì)顆粒燃料燃燒NO排放規(guī)律及其生成機(jī)理，采用CFD和ChemKin聯(lián)合仿真，建立試驗鍋爐燃燒筒CFD網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用ChemKin接口導(dǎo)入簡化的17組分58基元反應(yīng)機(jī)理，建立ChemKin-PSR反應(yīng)模擬網(wǎng)絡(luò)，選用Reaction DesignC2_NOx詳細(xì)機(jī)理，對棉稈、玉米秸稈、木質(zhì)3種生物質(zhì)顆粒NO排放進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，NO生成量：棉稈>玉米秸稈>木質(zhì)；NO排放量隨過量空氣系數(shù)的增加先增大后減小，在過量空氣系數(shù)為1.7附近達(dá)到峰值。將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，證明了模型和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的正確性，為生物質(zhì)燃料燃燒NO排放的預(yù)測與控制提供參考。

　　0引言

　　生物質(zhì)能源因其對CO₂零貢獻(xiàn)，且揮發(fā)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(xù)能源，其應(yīng)用日益廣泛^[2-7]。但其巨大消耗量也會導(dǎo)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(zhì)顆粒燃料的NO排放特性愈發(fā)成為研究熱點。

　　國內(nèi)外對生物質(zhì)燃料NO排放試驗研究工作開展較多，趙欣等[9]在生物質(zhì)燃燒試驗平臺上研究了3種生物質(zhì)固體燃料在不同負(fù)荷和進(jìn)氣量下燃燒的NO排放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NO的排放量隨負(fù)荷增加而增加，隨進(jìn)氣量增加而減少。Lunbo Duan等^[10]研究了3種生物質(zhì)單獨(dú)燃燒以及和煤混燒情況下NO的排放，結(jié)果表明，混燒時NO排放低于單獨(dú)燃燒生物質(zhì)。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(zhì)燃料NO排放進(jìn)行了試驗研究，然而試驗研究花費(fèi)大、周期長，且不能直接解釋NO生成機(jī)理，因此，采用數(shù)值模擬方法研究生物質(zhì)燃料燃燒NO排放規(guī)律及其生成機(jī)理顯得十分必要^[18]。

　　國內(nèi)外有關(guān)燃料燃燒過程中NO轉(zhuǎn)化機(jī)理的研究比較廣泛^[19-25]，而針對生物質(zhì)燃料燃燒的并不多。本文采用CFD和ChemKin聯(lián)合仿真，對生物質(zhì)顆粒燃料NO排放特性和機(jī)理進(jìn)行研究。ChemKin是由美國Sandia國家實驗室開發(fā)的大型氣相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)軟件，是燃燒領(lǐng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理得到燃燒器溫度場和氣流速度場，然后根據(jù)相關(guān)參數(shù)在ChemKin中建立適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)器網(wǎng)絡(luò)模型，對3種生物質(zhì)顆粒燃料燃燒的氣相反應(yīng)進(jìn)行模擬仿真，得到NO的排放規(guī)律，并用試驗結(jié)果加以驗證。

　　1模型建立

　　1.1Fluent建模及網(wǎng)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(zhì)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(zhì)燃料工質(zhì)下標(biāo)定為20kW(滿載)，通過風(fēng)機(jī)來控制配風(fēng)量。試驗中采用木質(zhì)顆粒、玉米秸稈顆粒、棉稈顆粒3種燃料。表1為3種生物質(zhì)的揮發(fā)分組分的摩爾（體積）分?jǐn)?shù)^[27]。試驗采用4kg/h的入料速度進(jìn)行燃燒試驗。風(fēng)機(jī)入口風(fēng)速控制為6、7、8m/s，對應(yīng)的空氣量為25.92、30.24、34.56m³/h^[28]。各燃料工業(yè)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(xiàn)[29]。

　　利用Fluent對燃燒筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模、網(wǎng)格劃分（如圖2所示）及邊界條件設(shè)置。在Mesh中劃分三維模型的網(wǎng)格時，對流體區(qū)域分別選擇四面體和六面體混合網(wǎng)格，通過Sweep、Patch、Conforming、Sizing、Inflation等方法來進(jìn)行劃分；在結(jié)構(gòu)細(xì)小處，對網(wǎng)格進(jìn)行加密以獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量。最終網(wǎng)格數(shù)為362782，節(jié)點數(shù)為65584，平均網(wǎng)格畸變度為0.233，最大網(wǎng)格畸變度為0.81，網(wǎng)格質(zhì)量較好。求解設(shè)置EDC渦耗散有限速率化學(xué)反應(yīng)模型，使用詳細(xì)阿累尼烏斯化學(xué)動力學(xué)機(jī)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(yùn)模型選用species transport，該模型可以由用戶自定義反應(yīng)機(jī)理。

　　1.2 NOx化學(xué)機(jī)理的選取

　　NO_x詳細(xì)排放機(jī)理選用ChemKin中Reaction Design發(fā)展的的C2_NO_x機(jī)理。C2_NO_x壓力相關(guān)機(jī)理包括99個反應(yīng)組分和694個基元反應(yīng)，在較寬反應(yīng)域下詳細(xì)描述了碳?xì)浠衔锏难趸蚇O_x的機(jī)理。應(yīng)用于CFD計算的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理要進(jìn)行大量的簡化，反應(yīng)機(jī)理的簡化要求對于給定的精度保證描述燃燒準(zhǔn)確性，省略對燃燒過程沒有明顯影響的組分和基元反應(yīng)，減少仿真運(yùn)算量，因此采用敏感性分析法簡化得到17組分58基元反應(yīng)機(jī)理（見表3）。

　　應(yīng)用ChemKin接口將17組分骨架機(jī)理導(dǎo)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(jié)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(nèi)，這與模型假設(shè)中忽略固定碳?xì)饣任鼰岱磻?yīng)過程的模型設(shè)置有關(guān)。圖中所示的溫度場分布與實際情況相符，高溫區(qū)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(chǎn)生的回流也會使局部溫度較高。將ChemKin中的反應(yīng)機(jī)理導(dǎo)入Fluent中，求解計算得到的模擬結(jié)果在一定程度上體現(xiàn)了真實的燃燒情形。

　　1.3 ChemKin網(wǎng)絡(luò)模擬仿真

　　通過DSMOKE模塊導(dǎo)出CFD仿真結(jié)果的混合區(qū)體積和滯留時間參數(shù)，依據(jù)Fluent仿真得到的結(jié)果，將參數(shù)輸入到ChemKin參數(shù)設(shè)置表中，作為機(jī)理反應(yīng)模型的初始條件，具體參數(shù)見表4所示。問題類型選用Constrain Pressure and Solve Energy Equation (Default)，化學(xué)當(dāng)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(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　圖中共有6個PSR（perfectly stirred reactor）反應(yīng)器，編號為1～6，1個一維柱塞流反應(yīng)器PFR（plug flow reactor）用來模擬排氣管道。反應(yīng)器1到6分別對應(yīng)于燃燒筒的6個反應(yīng)區(qū)域，如圖4b所示，反應(yīng)器1為入口區(qū)域，反應(yīng)器2為固相混合區(qū)，反應(yīng)器3為氣相混合區(qū)域，反應(yīng)器4為火帽上方燃燒區(qū)域，反應(yīng)器5為火帽下方回流區(qū)域，反應(yīng)器6為燃燒筒出口及其后方區(qū)域。

　　2模擬結(jié)果分析

　　2.1各反應(yīng)器的NO分布

　　圖5a為在4kg/h進(jìn)料速度、過量空氣系數(shù)λ=1.5（25m³/h）下的玉米秸稈組分輸入，各PSR反應(yīng)器的CO、O₂、CO₂組分摩爾分?jǐn)?shù)分布。O2含量在反應(yīng)器1、2、3中一直處于高濃度水平，因為這些區(qū)域燃燒并不劇烈，O₂消耗量較少，在區(qū)域3以后，燃燒反應(yīng)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(yīng)器中降到最低點。CO₂和O₂隨后保持水平，達(dá)到動態(tài)平衡，是燃燒穩(wěn)定的區(qū)域。

　　反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)NO的含量變化如圖5b所示。在反應(yīng)器1到3中，燃燒溫度較低，氣體揮發(fā)分的滯留時間較短，所以生成的NO量很少；而反應(yīng)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(quán)重在3種NO中較低，所以此時主要是O₂與生物質(zhì)燃料中的N元素發(fā)生氧化反應(yīng)生成燃料型NO。從該曲線圖中可以很好的預(yù)測NO生成的主要區(qū)域，為提出降低NO的措施提供了理論的依據(jù)。

　　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(jìn)料量為4kg/h、風(fēng)量25m3/h、過量空氣系數(shù)為1.5，木質(zhì)風(fēng)量30m³/h、過量空氣系數(shù)為1.4三種工況下燃燒，對模擬煙氣管道PFR反應(yīng)器中NO排放模擬結(jié)果處理，得到的結(jié)果如圖6所示。

　　對比3種顆粒燃料可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)燃料NO達(dá)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(zhì)顆粒，因此棉稈的生成量大于玉米秸稈大于木質(zhì)顆粒。三者的工業(yè)分析數(shù)據(jù)顯示，棉稈和玉米秸稈的灰分量較高^[27]，導(dǎo)致其NO達(dá)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(jié)果與試驗結(jié)果^[28]進(jìn)行對比，如表5所示。對比試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，其中玉米秸稈和木質(zhì)的結(jié)果較為一致，但棉稈的預(yù)測結(jié)果有6%的偏差，這可能同燃料N中具體的存在形式相關(guān)。在揮發(fā)分析出的過程中，揮發(fā)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(fā)分N。

　　由表5可知，在相同的燃燒器負(fù)荷和相同空氣流速下3種燃料的NO平均排放值可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)。CO主要通過反應(yīng)NCO+O?NO+CO影響NO生成，從平衡常數(shù)判斷，較低的CO濃度可促進(jìn)反應(yīng)向正方向進(jìn)行；H₂主要通過反應(yīng)H₂+OH?H₂O+H產(chǎn)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(dǎo)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(fēng)量的NO排放對比

　　對于玉米秸稈，在4kg/h進(jìn)料速度的工況下，設(shè)置不同的過量空氣系數(shù)（空氣質(zhì)量流率），范圍為1.3～2.0，步長為0.1，得到反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出口處NO的分布。如圖7所示，隨著當(dāng)量比的增加，NO的排放出現(xiàn)較快增長，在過量空氣系數(shù)1.7附近，模型模擬值出現(xiàn)最高排放，隨后NO的排放隨過量空氣系數(shù)的增加開始下降，過量空氣系數(shù)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(jìn)，這之后對NO的影響不顯著，同時過量空氣的稀釋效應(yīng)一定程度降低了NO的體積分?jǐn)?shù)，但對NO的絕對生成量無貢獻(xiàn)。

　　過量空氣系數(shù)是通過進(jìn)氣量增加而增大的，當(dāng)λ從1.5變?yōu)?.7時，燃燒更加充分，O2隨進(jìn)氣量而增多；再繼續(xù)增大進(jìn)氣量，空氣流速增加使得混合氣體在爐膛內(nèi)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(jié)果或是試驗數(shù)據(jù)NO排放值均較高，這除了與燃料自身性質(zhì)有關(guān)外，燃燒器的結(jié)構(gòu)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(nèi)的3種燃燒器排放進(jìn)行了測試，結(jié)果表明本文選用的燃燒器NO結(jié)果較高。燃燒器結(jié)構(gòu)會影響燃燒參數(shù)，從而影響排放。利用本文機(jī)理結(jié)果，可針對不同的燃燒器進(jìn)行模擬研究其排放，從而大大縮減燃燒器的設(shè)計和改進(jìn)過程。這部分相關(guān)原理和模擬研究應(yīng)成為今后研究方向。

　　3結(jié)論

　　1）根據(jù)Fluent對燃燒筒仿真結(jié)果在ChemKin中建立了PSR等離子體管流反應(yīng)器模型,對NO排放的化學(xué)過程進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)模擬。

　　2）結(jié)果顯示各反應(yīng)器NO濃度分布與溫度分布和CO、O₂、CO₂各組分分布有直接關(guān)系，NO主要生成在反應(yīng)器4之后，且為燃料型NO。

　　3）將不同生物質(zhì)成型燃料NO排放的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，兩者得出相同的變化趨勢，棉稈成型顆粒的結(jié)果有6%的偏差，玉米秸稈和木質(zhì)的結(jié)果較為符合。

　　4）不同過量空氣系數(shù)下的玉米秸稈模擬結(jié)果表明：在過量空氣系數(shù)為1.7附近時，燃燒產(chǎn)生的NO排放最高，體積分?jǐn)?shù)為290×10^-6；模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合。

　　5）驗證了選用ReactionDesign的C2_NO_x機(jī)理進(jìn)行CFD和ChemKin聯(lián)合仿真，可實現(xiàn)生物質(zhì)顆粒燃料NO排放預(yù)測，并具有較好的精確性。

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