空气深度分级燃烧NOx排放特性的CHEMKIN模拟研究

王超伟，王长安，王鹏乾，吴 松，车得福

空气深度分级燃烧NO排放特性的CHEMKIN模拟研究

王超伟，王长安，王鹏乾，吴 松，车得福

(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

利用两段PFR反应器构建模型在CHEMKIN中模拟，研究空气深度分级燃烧中各个影响因素，使用生成速率分析和敏感性分析，探求燃料N向NO的转化路径及原因．模拟结果表明，主燃区对NO转化率影响较大，高温强还原氛围能明显降低NO排放；改变燃烧温度降低NO排放，应当考虑主燃区，而非燃尽区；当主燃区温度小于1500℃，燃尽风比率为35%左右时，NO排放最低；富燃条件下O2/CO2燃烧增大了OH/H，促进NO生成；燃尽风位置向后移会降低NO转化率，改变燃尽风氧浓度NO转化率几乎不变．本文不仅扩大了前人对空气分级燃烧的研究范围，而且对于前人没有研究的影响因素给出了结果，并且进行了化学反应动力学分析，对实际锅炉运行过程中减少NO排放具有指导意义．

空气深度分级；甲烷燃烧；CHEMKIN；NO

NO是造成环境污染的主要污染物，根据现行的《锅炉大气污染物排放标准》[1]，国家对锅炉NO排放要求愈发严格．在这个大背景下，空气分级燃烧技术作为一种能有效控制NO排放的燃烧技术，其应用也越来越广泛[2-4]．CHEMKIN作为化学反应动力学软件，已经有很多学者利用它来进行氮氧化物排放特性以及化学反应动力学方面的研究．

国内很多学者[5-8]都采用实验方法进行空气分级燃烧中NO排放特性的研究，但是由于实验研究的工况范围有限，所以很多国内外学者[9-16]在研究固体或者气体燃料燃烧中NO的排放特性以及化学反应机理尤其是反应过程中反应物如何变化时，都会采用CHEMKIN模拟．Mendiara等[14]研究了甲烷燃烧过程中氨的氧化过程，同时对比了空气氛围与O2/CO2氛围下NO转化途径的不同，讨论了在不同燃烧氛围下燃料氮的迁移情况．Rogaume等[12-13]在研究纤维素和塑料燃烧时也使用了CHEMKIN模拟，前期的研究中建立了NO生成的模型，后期的研究中证明在他建立的模型中NO的生成受局部氧浓度影响. Watanabe等[15]进行了O2/CO2条件下的分级燃烧实验，得出了最低的NO转化率和对应的化学当量比，验证了CHEMKIN模型并利用模型分析了NO的生成和还原机理．范志林等[16]利用CHEMKIN研究了生物质燃烧时的再燃，并且使用生成速率分析法(rate of production，ROP)和敏感性分析法对模拟现象进行了解释．

影响空气分级燃烧的因素有过量空气系数、燃烧温度、燃尽风(overfire air，OFA)比率和燃尽风氧浓度等，但是在这些方面利用CHEMKIN进行模拟的学者还很少，大多数学者只是进行实验研究，受限于实验室条件与研究限制无法设置更为宽广的参数范围开展研究工作．例如杨建成等[4]对过量空气系数的影响进行研究，但是研究范围窄，工况设置少，并且没有考虑过量空气系数变化时耦合温度变化的影响；张晓辉[5]对燃尽风比率的影响进行了实验研究，但是并没有给出反应机理层面的分析，无法揭示燃尽风比率变化时氮的迁移规律；大多数学者研究燃烧温度大多在1600℃以下，而本文对主燃区燃烧温度的研究介于1300～1900℃之间，研究范围不仅涵盖了煤粉炉的燃烧温度范围，而且包含了旋风炉的燃烧条件；针对常规的煤粉燃烧研究时主燃区过量空气系数的研究范围介于0.7～1.2之间，而本文研究范围扩大至0.5～2.0．而将这些影响因素的范围扩大甚至共同耦合作用，能否有效地降低NO转化率，暂时还没有一个明确的结论．

本文利用两段塞流式反应器(plug flow reactor，PFR)构建模型研究了空气深度分级燃烧，扩大空气分级燃烧中的各个影响因素(过量空气系数、燃烧温度、燃尽风比率、燃尽风氧浓度以及燃尽风位置)的范围给出模拟结果，并且结合生成速率分析法以及敏感性分析法进行分析，利用化学反应动力学手段对这些结果做出解释．同时，本文的研究内容对实际锅炉运行中如何利用空气分级燃烧降低NO排放具有指导意义．

1 研究对象与模型

1.1 研究对象

将锅炉中的实际燃烧过程抽象为两段PFR反应器，均设定长500mm，内径25mm．其中第一段反应器模拟锅炉中的主燃区，燃料经过主燃区后通入燃尽风，然后共同进入第二段反应器，即锅炉中的燃尽区.

本文采用烟煤挥发分的均相反应进行模拟．而烟煤的挥发分中多为烃类且大多为甲烷[17]，所以烟煤燃烧在CHEMKIN中可以模拟成甲烷的燃烧过 程[15,18]，即在燃料的选取中以甲烷为主，而NO的前驱物多为NH3和HCN，根据钟北京等[19]的研究，烟煤中HCN/(HCN＋NH3)约为0.7．而关于C/N比的选取，由周永刚等[20]的文献中可知燃料N的含量为0.2%～3.4%之间，所以燃料N占比选取适当比例1%即可．

本模型采用的反应机理是美国气体动力学研究所的标准甲烷氧化机理GRI-Mech 3.0[21]，其中包括5种反应元素C、H、O、N和Ar，53种化学物质以及325个基元反应，能详细地模拟甲烷燃烧以及NO的生成或还原过程．本文主要通过甲烷燃烧来模拟煤燃烧过程中产生的高温环境，以此来探求这个过程中燃料氮的迁移规律．而此机理在前人研究氮转化过程中已经比较成熟，其中不仅包含了甲烷燃烧的各种反应，也包含了NO转化的诸多反应，加之本文的研究重点在于探究空气深度分级中不同影响因素单独作用或者耦合作用下NO的排放规律以及燃料氮的迁移路径，所以并未对机理进行针对性的优化和改进，该部分研究将在未来的工作中进一步展开．

1.2 模型建立

CHEMKIN由Sandia国家实验室开发，用于模拟燃烧过程中气相化学反应动力学[22]，而本文中采用的PFR反应器是一种常用的燃烧反应器．

图1(a)是本文建立的空气分级燃烧模型．气体均由入口进入模型，PFR反应器用来模拟一维状态下气体的燃烧过程，每两段反应器之间由不发生反应的混合模型连接，最终气体由出口离开反应系统．

PFR反应器使用比较广泛，在很多研究空气燃烧及O2/CO2燃烧的文献中，有大量的学者[14-16,18]在使用，图1(b)是本文空气分级燃烧模型在CHEMKIN中建立的反应流程图．图1(c)则是空气深度分级燃烧的物理模型图．

图1 空气深度分级燃烧模型及流程

2 数据计算与模型验证

2.1 计算工况

本文基本工况如表1所示，表中所示数据为各物质的体积流量(cm3/min)．其中主燃区的燃烧温度为1400℃，燃尽区的燃烧温度为1100℃，炉膛内的过量空气系数为1.2，主燃区过量空气系数为0.9，燃尽风率为25%，即燃尽区内的过量空气系数为0.3．

表1 基本工况

Tab.1 Basic condition

2.2 数据计算

2.2.1 NO转化率

本文在甲烷燃烧中利用NH3和HCN的转化过程比拟煤燃烧中燃料N的转化，并且主要燃料甲烷的含量为99%，所以在计算过量空气系数时只计算甲烷．其次，由模拟结果可知，燃烧过程中产生的NO大多为NO，所以NO转化率的表达式为：

采取上述公式时，默认出口NO的含量远大于NO2和N2O的总和，但是当这三者中任意两者的差距小于或等于一个数量级，则采用出口处三者之和作为出口处的NO．

2.2.2 敏感性分析

本文采用敏感性系数来描述反应速率的敏感性，具体表达式为

式中：δY表示第种组分的摩尔分数变化量；Y表示第种组分的摩尔分数；δA表示第个反应的指前因子的变化量；A表示第个反应的指前因子．敏感性系数可以定量地反映各个反应对各个组分的计算结果的影响大小，敏感性系数的绝对值越大，影响则越大．而敏感性系数也有正负之分，当为正，则表示反应促进组分的生成；当为负，则表示反应抑制组分的生成．

2.2.3 模型验证

为了验证模型的可靠性，本文选取了过量空气系数介于0.7～1.2和燃尽风率介于10%～30%两组工况进行模拟，结果如图2所示．图中1为主燃区温度，2为燃尽区温度．由图2(a)可以看出，当主燃区过量空气系数1小于0.9时，NO转化率缓慢上升；当主燃区过量空气系数1介于0.9～1.0时，NO转化率会相较于之前急剧上升；在1为0.9时，NO转化率达到31%；在主燃区1介于0.7～0.8时，降低1，NO转化率会比较稳定；在主燃区1为1.2时，NO转化率都接近甚至超过100%，这与杨建成[6]所做实验无论是特殊节点的转化率还是总体的变化趋势都相近，其所研究的还原区化学当量比即本文所分析的主燃区过量空气系数，主要差别在于燃料种类不同，但是从定性对比的角度对NO排放进行分析，这些差异都是可以接受的，并且从文献[6]的实验结果也可以看出，无论什么煤种，过量空气系数对其NO转化率的影响在某些特殊节点上的变化都能保持一致，所以本文的模拟结果具有一定的可信性．由图2(b)所示，随着燃尽风比率的增加，NO转化率会下降，并且总体接近线性变化，这与张晓辉[5]在工程实际中的实验结果相一致，他所研究机组的炉膛过量空气系数为1.2，燃尽风份额变化为5%～30%，这与本文的研究工况类似，其区别主要是燃料种类，但是对NO排放做定性对比分析时这个差异是可以接受的，并且从图中也可以看出对比结果还是契合度较高的，所以本模型在空气分级燃烧中定性分析NO排放、研究其变化规律时，结果可以认为具有可信性．

图2 NOx转化率随a1的变化情况

3 结果与讨论

3.1 主燃区过量空气系数影响

设定主燃区的过量空气系数1为0.5～1.5和2.0，总过量空气系数保持1.2～1.5和2.0，主燃区温度1介于1300～1900℃，燃尽区温度2介于1100～1400℃，观察不同温度下，NO转化率随过量空气系数的变化情况．

图3 NOx转化率在不同主燃区燃烧温度下随主燃区过量空气系数的变化情况(T2＝1100℃)

图4 较强氧化性条件下空气与O2/Ar燃烧的NOx转化率变化情况(T2＝1100℃)

为了研究高温强还原氛围和正常条件下空气分级燃烧燃料N的迁移途径的不同，本文选取了燃尽区温度均为1100℃的基本工况和高温强还原氛围(主燃区过量空气系数为0.8，主燃区燃烧温度为1600℃)进行对比．因为高温强还原氛围归根结底还是空气分级燃烧的一种极端情况，所以二者燃料N向NO转化的主要途径都是一样的，如图5所示．NH3和HCN主要是通过生成中间产物NH2等再进一步转化为NO，主要化学反应方程式如下所示：

HCN＋OH→HOCN＋H

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋O→HNO＋H

HNCO＋OH→NCO＋H2O

HNO＋O2→HO2＋NO

图5 空气分级燃烧条件下燃料N向NO转化的主要途径

图6给出了在不同条件下的NO生成阶段中各个主要反应对NO的一阶敏感性系数．如图所示，在反应条件改变时，不同反应对NO的敏感性系数有差别，但是差别不大．由此可以认为在NO生成阶段中生成NO的总量变化不大，那么最终造成NO转化率差别巨大的原因就是在还原过程中，高温强还原性氛围下已经生成的NO又被还原了，而普通空气分级燃烧中主燃区还原性并不强，所以才使得二者的NO转化率发生了差异．而还原生成N2的主要还原反应如下所示：

N＋NO→N2＋O

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

NH＋NO→N2＋OH

NNH→N2＋H

NNH＋M→N2＋H＋M

图6 不同工况下NO生成过程中主要化学反应对NO的一阶敏感性系数(T2＝1100℃)

在空气分级燃烧中还原生成N2也是以上的化学反应，但是根据ROP分析的结果，高温强还原氛围下N2的产率为空气分级燃烧的2～3倍．

3.2 燃烧温度的影响

本文在基本工况(主燃区1＝0.9)的基础上以控制变量法设置工况，然后进行模拟，结果如图7所示．由图7(a)可知，当主燃区的燃烧温度发生变化时，不会对NO的生成造成比较大的影响，但是会使NO转化率先略微上升再略微下降．由图7(b)可知，当燃尽区的温度发生变化时，NO转化率几乎不会发生变化．这说明若想通过改变燃烧温度降低NO转化率，就应考虑改变主燃区的燃烧温度．

图7 NOx转化率随燃烧温度变化情况

由图7(a)可以看出，当主燃区燃烧温度为1400℃和1600℃时，NO转化率几乎相同，但都比主燃区温度为1300℃时高，下面就对这3个工况进行敏感性分析．图8列举了3个工况中主要反应对NO的敏感性系数(2＝1100℃)．由图可以看出，当主燃区燃烧温度1为1400℃和1600℃时，二者在多数促进NO生成的化学反应中其敏感性系数都是非常接近的，说明生成的NO总量是接近的，即使在1400℃工况时，抑制NO生成的作用更强，但是1600℃的工况已经非常接近前文中提到的高温强还原氛围，会促进NO生成更多的其他中间物质从而转化为N2或者直接转换为N2，其中主要的化学反应如下所示：

N＋NO→N2＋O

NH＋NO→N2＋OH

NH＋NO→N2O＋H

N2O＋H→N2＋OH

N2O(＋M)→N2＋O(＋M)

由上述化学反应可以看出，NH是一种很关键的中间产物，主要由NH3生成的NH2转换而来，即

NH3＋H→NH2＋H2

NH3＋OH→NH2＋H2O

NH2＋H→NH＋H2

NH2＋OH→NH＋H2O

当主燃区燃烧温度为1300℃时，从各个化学反应来看，不仅促使NO生成的反应敏感性系数更小，且使抑制NO生成的反应敏感性系数最高，所以当主燃区燃烧温度为1300℃时，NO转化率是最低的．

图8 不同主燃区燃烧温度下主要化学反应对NO的 一阶敏感性系数的影响(T2＝1100℃)

3.3 燃尽风率的影响

前文中对于燃尽风率的研究范围仅限于10%～30%，并且随着燃尽风率的增加，NO转化率下降有减缓的趋势，所以本文继续扩大研究范围，将燃尽风率的研究范围扩大为10%～40%，得到NO排放特性如图9所示．由图9可知，在主燃区温度小于1500℃，燃尽风比率为35%左右时，NO转化率最低．

由图9可知，除了主燃区燃烧温度为1500℃的工况的NO转化率单调下降，其余工况下NO转化率都呈现出先下降再上升的趋势，由前文可知，燃尽区的燃烧温度并不会对NO转化率造成影响，那么这种现象的原因就是主燃区的燃烧温度不同．通过分析可知，当燃尽风比率增加，意味着主燃区的过量空气系数减小，再伴随着主燃区燃烧温度增加，就形成了前文中提到的高温强还原氛围，这时NO转化率会急剧下降，也就不会形成随着燃尽风比率的增加NO转化率先减小再增大的现象．

图9 燃尽风比率为10%～40%NOx的排放特性

表2 燃尽风比率为35%和40%主燃区内促进NO生成的主要化学反应对NO的一阶敏感性系数

Tab.2 First-order sensitivity coefficient of the main chemical reaction promoting the formation of NO with respect to NO when the values of OFA rate are 35% and 40%

由表2可以看出，当燃尽风比率由35%增加至40%时，许多促进NO生成的化学反应对NO的敏感性系数都大幅增加，即使主燃区内的还原性气氛也在变强，但是变化不大，而NO生成的效率大幅甚至成倍增加，导致后者的NO转化率大于前者．

3.4 空气及O2/CO2氛围的燃烧对比

选定主燃区温度1为1500℃，燃尽区温度2为1100℃，将空气氛围下的燃烧和O2/CO2氛围下的燃烧做对比，结果见图10．如图所示，在O2/CO2氛围下做分级燃烧也能适当地降低NO转化率，但是降低的效果远不如空气分级燃烧明显．O2/CO2燃烧时NO转化率呈单调上升的趋势，在主燃区1＝0.5时取得最小值为10.9%；而空气氛围下燃烧时在主燃区1＝0.7时取得了NO转化率的最小值为8.97%．图中，2为燃尽区过量空气系数．

图10 空气和O2/CO2氛围对NOx转化率的对比(a1＝0.9，a2＝0.3)

关于O2/CO2氛围下的燃烧，由Mendiara等[14]的实验研究可知，O2/CO2氛围下的甲烷燃烧，如果1＞1，会抑制燃料N向NO转化；如果1＜1，会促进燃料N向NO转化．徐德厚等[18]在研究一段PFR反应器的O2/CO2氛围下燃烧时，利用机理GRI-Mech 3.0对O2/CO2氛围下燃烧进行模拟，发现O2/CO2氛围下的富燃燃烧会提高燃料N向NO的转化速率．针对这种情况，本文设置参考工况为空气燃烧条件下过量空气系数1分别为0.9和1.2，与O2/CO2氛围下过量空气系数分别为0.9和1.2的工况进行对比研究．结果如图11所示.由图可知，在过量空气系数大于1的情况，O2/CO2氛围下燃烧环境略微抑制了燃料N向NO的转化，这是由于热力型NO减少；而在过量空气系数小于1的情况，O2/CO2环境很大程度上促进了燃料N向NO的转化，这个结果与国内外学者的研究结果保持一致．

如果考虑O2/CO2氛围和O2/Ar氛围，其中过量空气系数保持不变，得到模拟结果如图12所示．由图可见，O2/Ar和空气氛围下燃烧，NO转化率相差不大；二者相较于O2/CO2燃烧，转化率都降低了.

图11 不同过量空气系数和燃烧氛围下NOx转化率(T1＝1400℃，T2＝1100℃)

图12 NOx转化率随反应氛围变化情况(T1＝1400℃， a1＝0.9；T2＝1100℃，a2＝0.3)

在O2/CO2氛围下，针对CO2进行生成率的分析可知，以下反应：

CO2＋H→CO＋OH

CO2＋2H→CH2＋O2

是在O2/CO2氛围下CO2参与的主要反应，这两个反应导致整个反应相比于空气氛围下H减少，OH和O2增加．OH和O2增加，会导致以下反应进行：

HNO＋O2→HO2＋NO

N＋O2→NO＋O

OH＋O→O2＋H

前两个反应会导致NO生成，但是消耗O2，而第3个反应不仅会生成O2通过前两个反应继续生成NO，而且会生成H，补充之前CO2参与反应消耗的H，促进O2产生，继而促进NO的生成．

本文研究的模型中第一段PFR反应器正是富燃燃烧，燃尽区的作用是使燃料燃烧完全，提高燃烧效率，不会对NO转化率产生实质的影响，这一点在前文的研究中就已经论证．所以就以上分析可以看出，O2/CO2氛围燃烧时NO转化率较高，是因为反应中的OH浓度增加，H浓度减少，总体上OH/H比例较其他两种氛围下燃烧时有所增加．

3.5 燃尽风位置以及燃尽风氧浓度的影响

当燃尽风的位置发生变化时，会对NO的转化率造成一定的影响，如图13(a)所示．当燃尽风位置向后推移的同时也就是增加了主燃区的长度，在基本工况下，主燃区处于还原性气氛，所以就增加了还原区的长度，即增加了NO在还原区的停留时间，使得更多的NO被还原，最终NO转化率就会降低．

改变燃尽风的氧体积分数，保持燃尽区的过量空气系数不变，仅仅改变O2的体积分数，得到的结果如图13(b)所示．由图可知，随着燃尽风氧体积分数的变化，NO转化率变化不大，是因为在保持总过量空气系数为1.2的情况下，还原过程都是在主燃区完成的，燃尽区的主要作用是充分燃烧，所以燃尽风氧浓度的变化无法对NO转化率产生较大影响．

4 结 论

本文利用两段PFR反应器在CHEMKIN中构建了空气深度分级燃烧模型，对空气深度分级的NO排放特性进行了模拟，探究了燃烧过程中燃料氮的迁移规律，研究了主燃区过量空气系数、燃烧温度、燃尽风比率、燃烧氛围、燃尽风位置和燃尽风氧体积分数等因素的影响，并且对各个影响因素出现的现象利用ROP和敏感性分析进行了反应动力学分析．

(2) 主燃区燃烧温度对NO转化率影响不大，当主燃区温度在1300～1600℃时，NO转化率会先上升再下降；燃尽区温度对NO转化率几乎没有影响，若想通过改变燃烧温度降低NO转化率，应该考虑改变主燃区的燃烧温度，而非燃尽区．

(3) 当主燃区温度小于1500℃时，NO转化率随着燃尽风比率从10%～40%先减小再增大，在燃尽风比率为35%左右时，NO转化率达到极小值；当主燃区温度大于1500℃时，NO转化率会随着燃尽风比率单调下降．

(4) 在富燃条件下，O2/CO2气氛会促进燃料N向NO转化，而分级燃烧中的第一段就是富燃条件，导致结果与空气氛围相比差值较大，这是因为O2/CO2氛围使反应中OH/H比例增加，促进NO生成；燃尽风位置向后移动会增加NO在还原区的停留时间，从而降低NO转化率，而改变燃尽风氧体积分数几乎不会对NO转化率造成影响．

［1］ 环境保护部. GB13271-2014锅炉大气污染物排放标准[S]. 北京：中国环境科学出版社，2014.

Ministry of Environmental Protection. GB13271-2014 Standards for Discharge of Atmospheric Pollutants from Boilers[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2014(in Chinese).

［2］ 庞永梅，王晋权，郭 建，等. 空气分级燃烧降低锅炉NO排放控制技术[J]. 电力科学与工程，2007，23(4)：46-49.

Pang Yongmei，Wang Jinquan，Guo Jian，et al. Technology on reducing boiler NOemission by air-staged combustion[J].，2007，23(4)：46-49(in Chinese).

［3］ 周俊虎，赵琛杰，许建华，等. 电站锅炉空气分级低NO燃烧技术的应用[J]. 中国电机工程学报，2010，30(23)：19-23.

Zhou Junhu，Zhao Chenjie，Xu Jianhua，et al. Application of air-staged and low NOemission combustion technology in plant boiler[J].，2010，30(23)：19-23(in Chinese).

［4］ 杨建成，吴江全，胡亚民，等. 高燃料氮烟煤空气分级燃烧氮氧化物排放特性实验研究[J]. 热能动力工程，2015，30(1)：101-107.

Yang Jiancheng，Wu Jiangquan，Hu Yamin，et al. Experimental study of the nitrogen oxide emissions characteristics of a bituminous coal with a high fuel nitrogen content under the condition of the air staged combustion[J].，2015，30(1)：101-107(in Chinese).

［5］ 张晓辉. 挥发分反应特性和立体分级燃烧对NO排放的影响[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，2008.

Zhang Xiaohui. The Effects of Volatile Reaction and Stereo-staged Combustion Technology on NOEmission [D]. Harbin：School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，2008(in Chinese).

［6］ 杨建成. 高挥发分煤分级燃烧NO减排实验及应用研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，2015.

Yang Jiancheng. Experimental Study on and Application of NOReduction from Staging Combustion of High Volatile Pulverized Coals [D]. Harbin：School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，2015(in Chinese).

［7］ 李 慧，周建明，刘 刚，等. 煤粉空气分级燃烧过程中NO排放特性试验研究[J]. 煤炭科学技术，2016，44(12)：197-201.

Li Hui，Zhou Jianming，Liu Gang，et al. Experiment study on NOemission features during staged-air combustion process of pulverized coal[J].，2016，44(12)：197-201(in Chinese).

［8］ 唐志国，朱全利，唐必光，等. 空气分级燃烧降低NO排放的实验研究[J]. 电站系统工程，2003，19(3)：7-9.

Tang Zhiguo，Zhu Quanli，Tang Biguang，et al. NOemissions researched of air staging combustion burning pulverized coal [J].，2003，19(3)：7-9(in Chinese).

［9］ Glarborg P，Miller J A，Ruscic B，et al. Modeling nitrogen chemistry in combustion [J].，2018，67：31-68.

［10］ Hashemi H，Christensen J M，Gersen S，et al. High-pressure oxidation of methane[J].，2016，172：349-364.

［11］ Okafor E C，Naito Y，Colson S，et al. Experimental and numerical study of the laminar burning velocity of CH4-NH3-air premixed flames[J].，2018，187：185-198.

［12］ Rogaume T，Richard F，Barhe T A，et al. Numerical study of NOformation during incineration of cellulosic and plastic materials：The combustion regime[J].，2010，49(2)：443-453.

［13］ Rogaume T，Koulidiati J，Richard F，et al. A model of the chemical pathways leading to NOformation during combustion of mixtures of cellulosic and plastic materials[J].，2006，45(4)：359-366.

［14］ Mendiara T，Glarborg P. Ammonia chemistry in oxy-fuel combustion of methane[J].，2009，156(10)：1937-1949.

［15］ Watanabe Hirotatsu，Yamamoto Jun-ichiro，Ken Okazaki. NOformation and reduction mechanisms in staged O2/CO2combustion[J].，2011，158(7)：1255-1263.

［16］ 范志林，张军，林晓芬，等. 生物质气再燃还原NO的数值模拟[J]. 能源研究与利用，2007(1)：7-10.

Fan Zhilin，Zhang Jun，Lin Xiaofen，et al. Numerical simulation on biomass gas reburning deoxidize NO[J].，2007(1)：7-10(in Chinese).

［17］ 吴富贤. 煤的挥发分产物中气体成分的初步研究[J]. 中国煤炭地质，1992(3)：27-29.

Wu Fuxian. A preliminary study on the composition of gas in volatile products of coal[J].，1992(3)：27-29(in Chinese).

［18］ 徐德厚，周月桂，金旭东，等. O2/CO2气氛下甲烷燃烧中NO转化过程的CHEMKIN模拟[J]. 锅炉技术，2015，46(3)：75-79.

Xu Dehou，Zhou Yuegui，Jin Xudong，et al. The fate of NH3in CH4combustion under O2/CO2atmosphere with CHEMKIN modeling[J].，2015，46(3)：75-79(in Chinese).

［19］ 钟北京，徐旭常. 燃烧过程中NO形成的数学模拟[J]. 燃烧科学与技术，1995，1(2)：120-128.

Zhong Beijing，Xu Xuchang. Numerical simulation of NOformation in combustion processes[J].，1995，1(2)：120-128(in Chinese).

［20］ 周永刚，邹平国，赵 虹. 燃煤特性影响燃料N转化率试验研究[J]. 中国电机工程学报，2006，26(15)：63-67.

Zhou Yonggang，Zou Pingguo，Zhao Hong. Experimental study of effects of pulverized coal characteristics on the conversion of fuel nitrogen to NO[J].，2006，26(15)：63-67(in Chinese).

［21］ Smith G P，Golden D M，Frenklach M，et al. GRI-Mech 3.0[EB/OL]. http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/，2000.

［22］ 董 刚，蒋 勇，陈义良，等. 大型气相化学动力学软件包CHEMKIN及其在燃烧中的应用[J]. 火灾科学，2000，9(1)：27-33.

Dong Gang，Jiang Yong，Chen Yiliang，et al. A large-scale gas-phase chemical kinetics software package CHEMKIN and its application in combustion problems [J].，2000，9(1)：27-33(in Chinese).

CHEMKIN Simulation of NOEmission of Deep Air-Staged Combustion

Wang Chaowei，Wang Chang’an，Wang Pengqian，Wu Song，Che Defu

(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China)

A model is established with two-stage PFR in CHEMKIN to study the fuel-N conversion in deep air- staged combustion including all the factors，and the results are analyzed by production rate and sensitivity analysis. The results show that the stoichiometric ratio of main combustion zone affects NOemission significantly，especially under high temperature and strong reducing atmosphere．The temperature of main combustion zone should be considered to decrease NOformation rather than that of burnout zone．The NOemission is the lowest when the temperature of main combustion zone is lower than 1500℃ and the rate of overfire air is 35%．The staged O2/CO2combustion under a fuel-rich condition increases OH/H ratio，leading to more NOproduction．The NOconversion rate will be reduced when the position of overfire air moves backward，but it will be hardly changed when the oxygen concentration of overfire air is changed．The paper not only expands the range of previous research，but also obtains the results that have not been reparted，which are analyzed by chemical reaction kinetics and helpful in reducing NOemissions when the boiler is in practical operation.

deep air-staged；combustion of methane；CHEMKIN；NO

TK11

A

1006-8740(2020)01-0042-09

10.11715/rskxjs.R201903031

2019-03-28．

国家重点研发计划资助项目(2017YFB0602003).

王超伟（1995—  ），男，博士研究生，wangchaowei@stu.xjtu.edu.cn.

王长安，男，博士，副教授，changanwang@mail.xjtu.edu.cn.