同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

胡 標(biāo) 林立春 鄧鈺才 馮 良 齊亞騰

金屬纖維全預(yù)混燃燒NOx排放特性探究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

胡 標(biāo) 林立春 鄧鈺才 馮 良 齊亞騰

隨著天然氣行業(yè)的蓬勃發(fā)展，天然氣的消費(fèi)量迅速增長(zhǎng)，處于節(jié)能減排大環(huán)境下的中國(guó)，如何高效環(huán)保利用天然氣就顯得十分重要。文章中介紹了一種新型金屬纖維表面燃燒方式，闡述其優(yōu)越性，并通過實(shí)驗(yàn)研究其燃燒污染物NOx隨過?？諝庀禂?shù)和單位表面熱強(qiáng)度變化的排放特性。

金屬纖維全預(yù)混燃燒 過?？諝庀禂?shù) 單位表面熱強(qiáng)度 NOx排放

1 金屬纖維表面燃燒

按照天然氣和空氣混合情況可分為擴(kuò)散燃燒、部分預(yù)混燃燒(也稱大氣式燃燒)和全預(yù)混燃燒。

擴(kuò)散式燃燒，燃?xì)夂涂諝庠谌紵胺珠_供給，不進(jìn)行混合。擴(kuò)散燃燒由于擴(kuò)散作用，燃燒火焰體積比較大、燃燒時(shí)間長(zhǎng)，有時(shí)候還存在燃燒不完全(具體表現(xiàn)為黃焰生成，冒黑煙等)、燃燒溫度不高以及燃燒熱強(qiáng)度低下等。大氣式燃燒，是在擴(kuò)散式燃燒的基礎(chǔ)上，預(yù)先將部分空氣與燃?xì)膺M(jìn)行混合，這樣火焰變得清潔，燃燒得以強(qiáng)化，火焰溫度也提高了，因此大氣式燃燒得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在民用燃?xì)庠罹呱稀?/p>

全預(yù)混式燃燒是在大氣式燃燒的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。國(guó)內(nèi)外研究表明：全預(yù)混燃燒方法是提高燃?xì)馊紵O(shè)備熱效率、降低煙氣中CO與NOx排放的最佳方法。完全預(yù)混式燃燒是在燃?xì)馀c空氣預(yù)先混合均勻(α≥1)的情況下，瞬時(shí)完成的，完全預(yù)混燃燒不需要二次空氣，火焰只有一個(gè)燃燒面；完全預(yù)混燃燒的表面熱強(qiáng)度很高，并且能在很小的過?？諝庀禂?shù)下(通常 α=1.05~1.10)達(dá)到完全燃燒，幾乎不存在不完全燃燒現(xiàn)象，因此燃燒溫度很高。此試驗(yàn)裝置采用的是金屬纖維全預(yù)混燃燒方式，這種燃燒方式有極大的優(yōu)越性。

(1)熱強(qiáng)度高、調(diào)節(jié)范圍大，表面熱強(qiáng)度為0.1~10 W/mm2。據(jù)資料顯示，過剩空氣系數(shù)在1.1~1.3時(shí)，在不同的表面熱強(qiáng)度下燃燒工況不同：當(dāng)表面熱強(qiáng)度為0.1~0.8 W/mm2呈表面燃燒形式，表面燒紅至800~1 000℃,發(fā)射紅外線射線；當(dāng)表面熱強(qiáng)度達(dá)0.9 W/mm2時(shí)出現(xiàn)藍(lán)色火焰浮在表面。即使表面熱強(qiáng)度到達(dá)5 W/mm2時(shí)，也不會(huì)脫火。

(2)污染物排放低且節(jié)能。金屬纖維燃燒器的NOx、CO和不完全燃燒物的排放濃度低。由于全預(yù)混燃燒的過量空氣系數(shù)小，同時(shí)燃燒釋放的熱量通過輻射與對(duì)流方式迅速帶走，降低了火焰溫度，所以相對(duì)于其它燃燒器，金屬纖維燃燒器具有更低的NOx水平。全預(yù)混金屬纖維燃燒器的表面燃燒方式保證了低過量空氣系數(shù)下的完全燃燒，CO的不完全燃燒物的排放濃度低。由于金屬纖維燃燒器的過量空氣系數(shù)較低，同樣的排煙溫度下，金屬纖維燃燒器的排煙損失小。

(3)外形適應(yīng)性強(qiáng)。根據(jù)使用場(chǎng)合的要求，金屬纖維燃燒器可以做成各種形狀，如：方形、圓形、圓柱形、圓錐形、球形、環(huán)形(向內(nèi)輻射型)。

(4)安全性高。金屬纖維介質(zhì)孔隙的細(xì)密性決定了金屬纖維燃燒器的回火傾向性極低，不需要頭部冷卻裝置。另外，金屬纖維的抗腐蝕性強(qiáng)，抗熱沖擊性能高，抗機(jī)械沖擊性能強(qiáng)，熱惰性低，噪聲低。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)通過研究不同過?？諝庀禂?shù)α和單位面積熱強(qiáng)度q對(duì)全預(yù)混表面燃燒污染物排放特性的影響。圖1為實(shí)驗(yàn)所需的系統(tǒng)裝置流程圖。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)怆姶疟壤y進(jìn)入混合器，與空氣混合實(shí)現(xiàn)全預(yù)混，再經(jīng)過風(fēng)機(jī)進(jìn)入金屬纖維燃燒器，點(diǎn)火燃燒，爐膛表面采用水冷。在爐膛的煙氣出口處設(shè)置煙氣分析儀，測(cè)量污染物濃度。實(shí)驗(yàn)使用的比例閥采用的是 SIEMENS VGU82，該比例閥可以保證燃燒過程中所需的空燃比；混合器采用的是風(fēng)機(jī)上游混合方式；風(fēng)機(jī)采用交流離心式風(fēng)機(jī)，承擔(dān)整個(gè)燃燒系統(tǒng)中管路的阻力損失和克服爐膛背壓；煙氣分析儀采用的是德國(guó) testo350，其可測(cè)量 O2、CO、NO、NO2等多種氣體，測(cè)量時(shí)將煙氣探頭固定在燃燒爐膛煙囪處即可。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇

實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)流程圖如圖1所示，系統(tǒng)中的比例閥，混合器，風(fēng)機(jī)為空氣燃?xì)忸A(yù)混系統(tǒng)的關(guān)鍵配件，燃燒系統(tǒng)中主要是燃燒器、控制器和燃燒爐膛，散熱系統(tǒng)為供回水管，同樣還有尤其重要的煙氣分析裝置煙氣分析儀。

(1)燃?xì)獗壤y；本實(shí)驗(yàn)所用的空燃比控制裝置為西門子VGU82組合式伺服閥(見圖2)，保證空燃比的恒定。

圖2 燃?xì)獗壤y

(2)空氣/燃?xì)饣旌掀鳎辉囼?yàn)中混合器采用文丘里式混合器，用于空氣與燃?xì)獾木鶆蚧旌?見圖3)。

圖3 混合器

(3)直流無刷風(fēng)機(jī)；助燃風(fēng)機(jī)采用的是上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備有限公司生產(chǎn)的型號(hào)RG128/1300-3612的脈寬可調(diào)型直流無刷風(fēng)機(jī)(見圖 4)，該風(fēng)機(jī)的占空比 PWM的調(diào)節(jié)范圍為33%~99%，可通過改變?nèi)紵^程中的空氣量，引射不同的燃?xì)饬?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的控制。

圖4 直流風(fēng)機(jī)

(4)金屬纖維表面燃燒器；燃燒器采用的是金屬纖維燃燒器(見圖5)。

圖5 燃燒器

(5)燃燒控制器采用的是上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備有限公司生產(chǎn)的DFC-1控制器(見圖6)。

圖6 控制器

(6)煙氣分析儀；試驗(yàn)中采用了德國(guó)的testo350煙氣分析裝置(見圖7)，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求增加了比托管實(shí)現(xiàn)測(cè)流量的功能。

圖7 testo350煙氣分析儀

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)選取不同過剩空氣系數(shù)α分別為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40和表面熱強(qiáng)度為q1=0.707 W/mm2、q2=1.061 W/mm2、q3=1.415 W/mm2、q4=1.768 W/mm2、q5=2.122 W/mm2(表面熱強(qiáng)度由燃燒器功率和燃燒器燃燒面計(jì)算得到)，得到在不同狀態(tài)下的NOx排放量變化情況如圖8所示：

圖8 在不同狀態(tài)下的NOx排放量變化

圖8為通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到的變化曲線圖，在得到的曲線圖中我們可以看出，隨著過?？諝庀禂?shù)的增大，NOx的排放量逐漸減小，且排放減少量的趨勢(shì)為先快后慢，在過?？諝庀禂?shù)逐漸增大至1.15~1.20附近時(shí)，趨勢(shì)變緩，且隨著過?？諝庀禂?shù)的繼續(xù)增大，NOx排放量并無明顯減小。

同時(shí)在不同的單位表面熱強(qiáng)度下，隨著單位表面熱強(qiáng)度的增大，NOx排放有著增加的趨勢(shì)，但是在過剩空氣系數(shù)比較大的情況下，這種趨勢(shì)并不是很明顯，因此可以得出，在過程空氣系數(shù)較小的情況下，單位表面熱強(qiáng)度的變化會(huì)顯著影響著燃燒器污染物NOx的排放。

3 結(jié)論分析

在燃燒試驗(yàn)中，燃燒的污染物產(chǎn)物NOx按照生成方式不同可分為熱力型NOx，快速型NOx和燃料型NOx。

熱力型NOx通常認(rèn)為是空氣中的N2在溫度高于1 800 K的高溫區(qū)域內(nèi)生成的氮氧化物，生成區(qū)域主要為火焰帶下的高溫區(qū)域，其生成量和氧濃度、火焰及煙氣溫度和煙氣的滯留時(shí)間成正相關(guān)趨勢(shì)。熱力型NOx的生成速率與溫度有著非常緊密的聯(lián)系，呈指數(shù)關(guān)系，同時(shí)與氮?dú)鉂舛扰c氧氣濃度的平方根成正比。快速型NOx是碳?xì)湎等剂先紵^程中在氧氣較貧區(qū)域火焰面內(nèi)急劇生成的大量 NOx，它的生成地點(diǎn)不是在火焰面的下游，而是在火焰內(nèi)部?？焖傩蚇Ox的生成量隨溫度的影響不大，快速型NOx的生成量比熱力型NOx的生成量低一個(gè)數(shù)量級(jí)。而燃料型NOx是指來源于燃料中N元素被氧化生成的NOx，它的生成主要取決于火焰性質(zhì)，且具有中溫生成特性，同時(shí)一般的燃燒溫度都較高，因此溫度對(duì)燃料型NOx的生成影響不大。再者試驗(yàn)中采用的是幾乎不含有N元素，所以在文中不予討論。

通過以上所述NOx的生成機(jī)理可知，本實(shí)驗(yàn)中全預(yù)混燃燒NOx的生成量跟氧含量、溫度以及煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間緊密相關(guān)，同時(shí)排放中的NOx主要取決于熱力型NOx。本試驗(yàn)的結(jié)論中可以看出在不同的表面熱強(qiáng)度下隨著過剩空氣系數(shù)的增大，NOx呈下降趨勢(shì)且越來越平緩，同時(shí)在相同的過?？諝庀禂?shù)的條件下增加單位表面熱強(qiáng)度，NOx的排放量會(huì)增加，因?yàn)閝的增加使得火焰和爐膛溫度的增大，導(dǎo)致NOx的排放量增加。

全預(yù)混燃燒降低NOx排放的措施：

(1)使得燃燒溫度均勻，盡量避免產(chǎn)生局部高溫；雖然全預(yù)混燃燒的單位表面熱強(qiáng)度大，燃燒溫度高，但是全預(yù)混燃燒完全，火焰很短，甚至是無焰，因此要盡量使火孔氣流分布更加均勻，就會(huì)使得NOx排放更加理想。

(2)合理控制過?？諝庀禂?shù)；試驗(yàn)中能看到適當(dāng)?shù)目刂七^剩空氣系數(shù)能夠降低NOx的排放。

(3)合理控制燃燒器的熱負(fù)荷可以有利于降低燃燒室煙氣溫度，燃燒器腔體優(yōu)化有利于燃燒室的煙氣傳熱，降低溫度，從而兩方面都可以降低NOx的生成。

Analysis on the NOx Emission Characteristic of Metallic Fiber Surface Full Premix Combustion College of Mechanical & Energy Engineering Tongji University

Hu biao Lin Lichun Deng Yucai Feng Liang Qi Yateng

More development of the gas industry, more increase rapidly of natural gas consumption, and it is important for using natural gas efficiently and environment friendly. This paper introduces a metallic fiber surface combustion and its advantages, analyzing the NOxemission characteristics with the excess air coefficient and thermal strength of specific surface by the experiment.

metallic fiber surface full premix combustion, excess air coefficient, thermal strength of specific surface, NOxemission