W型輻射管NOx排放影響因素的數值模擬

劉燕燕,張國志

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.中央研究院,上海 201999; 2.冷軋廠,上海 200941)

鋼鐵行業是典型的能源消耗大戶,也是污染物排放大戶。近年來,政府相繼出臺了一系列針對鋼鐵行業的污染物排放標準,排放指標越來越嚴格。基于此,寶鋼冷軋廠提出輻射管 NOx排放影響因素的研究,探索在不同工況條件下NOx的排放規律,找出輻射管的燃燒特性及影響NOx排放的各種因素,以實現生產運行的低NOx排放。

輻射管是基于間接加熱的原理,燃料在管內燃燒發熱,通過熱輻射的方式將熱量傳遞出去。這種加熱技術有效地避免了被加熱工件表面的氧化和脫碳,并有加熱均勻的優點,為在保護氣氛下進行熱處理創造了條件,特別適用于對產品質量要求高的場合[1]。 但是輻射管由于燃燒空間受限,容易產生局部高溫,使得NOx排放升高,為此需要重點探討輻射管內NOx排放規律以及影響因素。國內外很多專家學者曾先后采用試驗研究或者理論建模等多種方式對輻射管內部的流場、溫度分布等進行了相關研究工作[2-3],但目前對W型輻射管的NOx排放研究成果較少。

本文以W型輻射管為研究對象,通過數值模擬的方法,對不同空氣預熱溫度、過量空氣系數、燃氣成分等工況對 NOx排放的影響進行研究,分析影響W型輻射管 NOx排放的因素及規律。

1 NOx生成機理

燃燒裝置中排放的NOx中主要是NO(約占95%)。NOx的生成主要分為熱力型、快速型及燃料型。熱力型NOx是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的氮氧化物;燃料型NOx是指燃料中的氮化合物在燃燒過程中熱分解后又氧化而成的NOx;快速型NOx是指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團如CH等反應生成NOx,只有在碳氫燃料燃燒且富燃料的情況下,反應區才會快速生成NOx,由于這個過程產生的NOx量較小(5%以下),故可忽略不計。

本文研究的W型輻射管燃燒器,所用燃料為焦爐煤氣與高爐煤氣的混合燃氣,燃料中不含氮化合物,因此其生成的NOx主要是熱力型NOx。熱力型NOx的生成機理也被稱為捷里道維奇機理,主要反應如下[4]:

(1)

(2)

(3)

NO生成速度表達式如式(4):

(4)

式中:cO2、cN2、cNO分別為O2、N2、NO的摩爾濃度,mol/cm3;T為熱力學溫度,K;t為時間,s;R為摩爾氣體常數,J/(mol·K)。

從式(4)中可以看出,溫度對熱力型NOx的影響是非常明顯的[4],溫度越高,NOx的濃度也就越大。當燃燒溫度低于1 800 K 時,熱力型NOx的生成量非常小;當燃燒溫度高于1 800 K時,熱力型NOx的生成量就會呈指數規律迅速增加。在實際燃燒過程中,由于燃燒室內的溫度分布不均勻,如果有局部的高溫區,則在這些區域會生成較多的NOx,它可能會對整個燃燒室內NOx的生成起關鍵性的作用,所以在實際過程中應盡量避免局部高溫區的形成。

其他因素比如過量空氣系數、燃料種類等都對熱力型NOx的生成起到重要的影響作用,本文將對其影響做數值模擬研究來加以分析。

2 W型輻射管燃燒及NOx排放的數值模擬

2.1 物理模型及網格

為全面模擬輻射管內的流動和燃燒特性,要求物理模型盡可能與實物一致,為此選擇全尺寸的三維模型進行研究。對W型燃氣輻射管,建立對應的物理模型、數學模型以及求解條件,通過數值計算,與現場試驗結果及理論計算值進行對比,驗證模型的可靠性。

輻射管燃燒系統計算域包括輻射管燃燒器及整個輻射管區域,模擬采用六面體網格,計算幾何模型及網格如圖1所示。經多次網格無關性試驗后,確定網格總數為210萬個。

2.2 數學模型

采用流體動力學軟件進行求解,湍流模型采用標準的k-ε模型,燃燒模型采用組分概率密度輸運燃燒模型(Composition PDF Transport Combustion Model),輻射模型采用DO模型,NOx的計算作為燃燒的后處理進行。采用有限體積法,求解采用分離式解法,壓力項和速度項的耦合采用SIMPLE算法,控制方程的離散采用二階迎風差分格式。

2.3 邊界條件

入口條件:燃氣和助燃空氣采用體積流量入口條件。本文的模擬以現場常用工況作為基準工況,其他模擬工況以該基準工況為準,僅作某一因素(變量)的修改,以著重考察該因素對燃燒及NOx排放的影響。基準工況對應的主要邊界條件為:燃氣流量為85 m3/h,燃氣進口溫度為20 ℃,空氣入口溫度為350 ℃,過量空氣系數為1.2,燃氣由體積分數26%的焦爐煤氣與74%的高爐煤氣混合,成分見表1。

表1 煤氣成分表Table 1 Gas composition Table %

出口條件:自由出口。

壁面條件:無滑移壁面,壁面與環境之間的熱交換由對流換熱與輻射換熱兩部分組成。

3 W型輻射管變工況下NOx排放規律的數值模擬

為了研究 NOx排放的規律,特選取對NOx排放影響較大的三個因素進行分析:空氣預熱溫度、過量空氣系數、燃氣成分。

3.1 空氣預熱溫度對NOx排放的影響

為了降低排煙損失,提高能源效率,往往利用煙氣余熱對助燃空氣進行預熱,但是預熱溫度的升高會引起輻射管內溫度水平的提升,從而使得輻射管NOx排放量增大。設定表2中五種不同空氣預熱溫度來對輻射管排放規律進行研究。

表2 不同空氣預熱溫度工況Table 2 Air preheating temperature for different working condition ℃

五種工況下的溫度場與NOx排放結果對比圖2、3所示。圖2和圖3展示的是輻射管中心截面的溫度場分布及NO場分布,從中可以清楚地看出燃氣與一次風混合后進行燃燒,接著未燃盡的燃氣遇到環狀的二次風后,進一步燃燒完全。這樣的布風方式有利于拉長火焰,使爐內溫度均勻性得到提高,同時使輻射管管壁不致過熱。

圖4為不同空氣預熱溫度下的燃燒區平均溫度與出口NOx排放量。可見,燃燒區域的溫度隨著空氣預熱溫度的升高而升高。空氣預熱溫度每增加50 K,燃燒區平均溫度上升約15 K。由于燃氣燃燒產生的NOx主要是熱力型NOx,與溫度緊密相關,因此出口NOx值隨著空氣預熱溫度的提高而增大。為了同時兼顧熱效率和污染物排放指標,應選擇適當的空氣預熱溫度,由計算結果可見,空氣預熱溫度不超過400 ℃為宜。

3.2 過量空氣系數對NOx排放的影響

設定表3八種不同過量空氣系數的工況,對輻射管排放規律進行研究。

過量空氣系數對熱力型NOx的影響是非常明顯的。從式(4)中可以看出,熱力型NOx生成量與氧濃度的平方根成正比。NOx隨過量空氣系數的變化可分為兩個階段分析:①貧氧燃燒時,過量空氣系數的增加會增加氧濃度,使得NOx生成量增加;并且在過量空氣系數增大的過程中,氧濃度越大,越接近于完全燃燒,燃燒溫度越來越高,NOx排放也隨之增加。此時,NOx排放值隨著過量空氣系數的增加而增加。②當過量空氣系數進一步增加到1.0以上時,雖然氧濃度增加,使得NOx生成量增加,但同時會使助燃空氣總量增多,大量多余的空氣增強了稀釋作用,降低了燃燒溫度,火焰溫度降低,NOx排放減少。兩者相比較,后一方面對NOx產生的影響更大。此時,隨著過量空氣系數的增加,NOx的排放是降低的。

表3 不同過量空氣系數工況Table 3 Excess air coefficient for different working condition

因此,從貧氧到富氧的過程中,隨著過量空氣系數的增加,NOx生成量先增加,到一個極值后會下降。理想狀態下,燃氣和空氣混合均勻,極值出現在過量空氣系數為1的地方,此時,NOx排放值最高。由圖5的模擬計算結果可見,這個極值出現在過量空氣系數為1.05處。因為,實際生產中,在擴散火焰的情況下,燃料與空氣邊混合、邊燃燒,由于混合不良,NOx的最大值要移至過量空氣系數大于1的區域[4]。燃料與空氣混合越差,NOx最大值的位置越往過量空氣系數大于1的方向推移。

實際生產中,既要確保燃氣完全燃燒,同時為了提高熱效率,要盡量減少過剩氧量,同時降低NOx排放,為此選擇適當的過量空氣系數很重要。由上述的計算結果可見,過量空氣系數在1.1～1.2之間為宜。

3.3 燃氣成分對NOx排放的影響

燃氣為高爐煤氣與焦爐混合煤氣,設定表4三種工況,分別計算其對NOx排放的影響。

表4 不同燃氣成分工況Table 4 Fuel gas components for different working condition %

由計算結果(圖6)可見,隨著焦爐煤氣比例的增加,燃燒區內平均溫度逐漸升高。由于NOx排放與溫度緊密相關,因此輻射管燃燒產生的NOx排放也隨之增加。焦爐煤氣比例由20%增加到26%時,燃燒區平均溫度上升了約40 K,NOx排放大幅度增加。當焦爐煤氣比例增加到30%時,其NOx排放值已經達到180 mg/m3(這已經接近于目前加熱爐的可允許排放值)。因此,實際生產中,如要保證NOx達標排放同時兼顧熱效率,需要適當降低焦爐煤氣的比例,建議焦爐煤氣的比例不超過30%。

4 數值模擬結果的驗證

本文通過對基準工況的驗證來說明數值模擬結果的準確性。基準工況模擬得到的中心截面溫度場及NOx濃度場見圖2和圖3中的A3分圖,燃燒器內的平均溫度約1 370 ℃,火焰的最高溫度出現在燃燒器的中心軸線上。隨著燃燒的進行,燃燒溫度在截面上逐漸趨于均勻,出口NOx排放值為105.74 mg/m3。

針對基準工況,通過化學反應平衡理論計算得到出口煙氣的CO2、H2O及出口殘留的O2數值,與數值模擬計算得到的數值對比如表5所示,結果誤差在3%以內,從理論上驗證了燃燒數值模擬的準確性。

表5 基于化學反應平衡理論的煙氣出口成分 理論計算值與數值模擬計算值的比較Table 5 Comparison of the flue gas outlet components between theoretical calculation value based on chemical reaction equilibrium theory and numerical simulation calculation value %

同時,利用煙氣分析儀對輻射管燃燒系統進行了基準工況下的現場測試,測得的NOx排放濃度為100.2 mg/m3,由此模擬結果與試驗結果誤差為5.2%,說明模型精度基本滿足要求。

5 結論

(1) 隨著空氣預熱溫度的提高,燃燒區域的溫度也隨之升高。空氣預熱溫度每增加50 K,平均燃燒溫度上升約15 K。由于NOx排放與溫度緊密相關,因此出口NOx排放值也隨著空氣預熱溫度的提高而提高。為了兼顧熱效率,應選擇適當的空氣預熱溫度,由計算結果可見,空氣預熱溫度不超過400 ℃為宜。

(2) 從貧氧到富氧的過程中,隨著過量空氣系數的增加,NOx生成量先增加,到一個極值后會下降。理想狀態下,燃氣和空氣混合均勻,極值出現在過量空氣系數為1的地方。實際生產中,在擴散火焰的情況下,燃料與空氣邊混合、邊燃燒,由于混合不良,NOx的最大值要移至過量空氣系數大于1的區域。實際生產中,要兼顧熱效率與NOx排放,選擇適當的過量空氣系數,由計算結果可見,過量空氣系數在1.1～1.2之間為宜。

(3) 隨著焦爐煤氣比例的增加,輻射管內燃燒溫度逐漸升高,輻射管燃燒產生的NOx排放也隨之增加。為兼顧熱效率與NOx排放,需要適當降低焦爐煤氣的比例,建議焦爐煤氣的比例不超過30%。