同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 黃思怡 馮 良 孟莉莉

全預(yù)混表面燃燒污染物排放特性的實(shí)驗(yàn)研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 黃思怡 馮 良 孟莉莉

對(duì)全預(yù)混表面燃燒污染物排放特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 NOx排放量隨過?？諝庀禂?shù)增加而降低。進(jìn)而綜合考慮過?？諝庀禂?shù)對(duì)燃燒熱效率和 NOx排放水平的影響，給出了全預(yù)混表面燃燒過?？諝庀禂?shù)的建議值。

全預(yù)混表面燃燒金屬纖維燃燒器 過剩空氣系數(shù) NOx排放

0 前言

近年來，天然氣作為清潔燃料代替煤和石油的領(lǐng)域日益擴(kuò)大，燃燒后產(chǎn)生的氮氧化物的污染不容忽視，形成的酸雨或酸霧是霧霾的重要前驅(qū)物。各項(xiàng)技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)程相繼對(duì)氮氧化物的排放量提出了嚴(yán)格的要求，例如《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13271—2014)規(guī)定自2014年7月1日起，新建燃?xì)忮仩t執(zhí)行表規(guī)定的大氣污染物氮氧化物排放限值為200 mg/m3。北京市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/ 139—2015)提出更嚴(yán)格的規(guī)定：2017年3月31日前新建鍋爐規(guī)定的氮氧化物排放限值為80 mg/m3，2017年4月1日起新建鍋爐規(guī)定的氮氧化物排放限值為30 mg/m3。新政策的出臺(tái)使廣泛應(yīng)用排放低氮氧化物的燃燒系統(tǒng)成為必然。

全預(yù)混表面燃燒方式燃燒速度快，火焰短，在這個(gè)極短的燃燒區(qū)域，燃燒產(chǎn)物的停留時(shí)間也極為短暫，減少了NOx的生成機(jī)會(huì)。同時(shí)，燃燒在金屬纖維表面穩(wěn)定進(jìn)行，溫度分布均勻，減少了局部高溫點(diǎn)，NOx的生成量進(jìn)一步減少，因而全預(yù)混表面燃燒能從源頭減少NOx化物的排放。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1是實(shí)驗(yàn)所用系統(tǒng)流程圖，燃?xì)饨?jīng)由燃?xì)獗壤y進(jìn)入混合器中與空氣混合，經(jīng)過風(fēng)機(jī)的攪拌抽吸作用，形成一定比例的可燃混合氣體進(jìn)入爐膛內(nèi)部，在金屬纖維燃燒器表面燃燒放熱。爐膛壁面采用水冷壁，供自來水進(jìn)行壁面冷卻，防止壁面溫度過高。在煙囪出口處設(shè)置煙氣分析儀煙氣測點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 比例閥

對(duì)于功率較小的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)，常采用零壓閥控制調(diào)節(jié)空燃比。常見的零壓閥有：DUNGS零壓多功能調(diào)節(jié)器D01和E01、SIT840燃?xì)獗壤y、Honeywell VK4110/VK4115燃?xì)饪刂崎y、SIMENS VGU82燃?xì)獗壤y等。其中，SIEMENS VGU82燃?xì)獗壤y為帶指揮器的零壓閥，采用先導(dǎo)閥原理，并利用伺服膜片結(jié)構(gòu)間接調(diào)節(jié)燃?xì)獗壤y出口壓力以及空燃比，調(diào)節(jié)更為靈活。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的比例閥為SIEMENS VGU82，該閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃?xì)獗壤y的結(jié)構(gòu)

零壓閥可實(shí)現(xiàn)安全關(guān)斷、壓力伺服和空燃比控制等多種功能。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，燃?xì)庥扇肟诹鬟^主切斷閥1后，絕大部分經(jīng)過零壓閥調(diào)節(jié)器4和空燃比調(diào)節(jié)閥15流至出口。SIEMENS VGU82燃?xì)獗壤y的安全關(guān)斷功能是開啟和快速切斷燃?xì)夤?yīng)，該動(dòng)作由兩個(gè)常閉閥(主切斷閥 1和運(yùn)行閥 2)和零壓調(diào)節(jié)器4共同完成。壓力伺服功能保證了零壓閥調(diào)節(jié)器4出口燃?xì)鈮毫εc空氣測管壓力相等，該功能主要由壓力伺服閥3、零壓調(diào)節(jié)器4、伺服膜片8、空氣測壓管連接口12、限流閥16共同作用完成?？杖急日{(diào)節(jié)功能是通過調(diào)節(jié)壓力伺服閥3及空燃比調(diào)節(jié)閥 15處的手動(dòng)螺絲完成的，該功能保障了燃燒過程中所需的空燃比。

1.2.2 混合器

本實(shí)驗(yàn)所用混合器采用風(fēng)機(jī)上游混合方式，燃?xì)饪諝饣旌掀餮b在風(fēng)機(jī)吸入口處?；旌掀鲀?nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該混合器又稱為文丘里混合器，可達(dá)到一定混合效果的并使壓力損失非常小。圖4是對(duì)原混合器進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)修改之后得到的混合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，修改的原則是：盡量增強(qiáng)混合器內(nèi)部渦流強(qiáng)度，以增加混合器的混合效果，同時(shí)不顯著增加混合器壓力損失，并且保證混合器結(jié)構(gòu)不致過于復(fù)雜，以便于加工制造。從圖中可以看到，修改之后的混合器取消了原混合器內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)處混合氣體流經(jīng)的漸擴(kuò)管，這主要是為了增強(qiáng)混合器內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)之后渦流強(qiáng)度。

圖3 原混合器結(jié)構(gòu)

圖4 修改后的混合器結(jié)構(gòu)

1.2.3 金屬纖維燃燒器

實(shí)驗(yàn)中，表面燃燒所用多孔介質(zhì)為金屬纖維。目前常見的金屬纖維可分兩類：燒結(jié)式金屬纖維和片狀金屬纖維編織物，均是由直徑大約為20 um的超細(xì)金屬纖維加工而成。燒結(jié)式金屬纖維是用燒結(jié)工藝將超細(xì)金屬纖維連在一起，片狀金屬纖維用的是特殊的編織工藝。本實(shí)驗(yàn)所用多孔介質(zhì)屬于燒結(jié)式金屬纖維，是一種稱為 FeCralloy的合金絲，其合金成分見表1。

表1 FeCralloy金屬纖維合金化學(xué)成分

圖5為實(shí)驗(yàn)所用金屬纖維燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意圖。該燃燒器為圓柱狀燃燒器，柱體直徑30 mm，圓柱150 mm，多孔介質(zhì)金屬纖維緊貼在圓柱面周圍。

圖5 金屬纖維燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意

1.2.4 煙氣分析儀

本實(shí)驗(yàn)測量污染物所用儀器為testo350煙氣分析儀，其可測量O2、CO、NO、NO2等多種氣體。測量時(shí)，將煙氣側(cè)頭固定在燃燒爐膛煙囪處即可。需要說明的是，雖然該型煙氣分析儀進(jìn)行煙氣分析的時(shí)候，無需將煙氣中的水蒸氣冷凝排除，但是工作一段時(shí)間之后，仍需檢查分析箱內(nèi)部冷凝水積水情況，過量的積水會(huì)嚴(yán)重影響煙氣分析儀的使用精度。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

該實(shí)驗(yàn)主要探究全預(yù)混表面燃燒污染物排放與過?？諝庀禂?shù)和燃燒功率之間的關(guān)系。首先，通過燃?xì)獗壤y設(shè)定過剩空氣系數(shù)，測量不同的功率時(shí)，NOx的排放情況，然后在不同的過?？諝庀禂?shù)下重復(fù)此操作。

實(shí)驗(yàn)過程中，由于空氣量不好精確測量，過剩空氣系數(shù)需要采用以下計(jì)算方法確定。按照過剩空氣的定義：

式中：V0——理論空氣量，m3；

V——實(shí)際空氣量，m3；

△V——過剩空氣量，m3。

1.3.1 計(jì)算過?？諝饬俊鱒

在完善硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用STC12C5A60S2單片機(jī)為中央處理器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主控軟件流程圖如圖7所示。

空氣中氧氣的容積成分是21%，所以過剩空氣量為：

式中：

△V——過?？諝怏w積，m3；——過剩氧體積，m3；

將式(3)代入到式(2)中，可得：

可以用干煙氣中由空氣帶入的氮含量確定：

空氣中氮的容積成分是79%，所以實(shí)際空氣量：

將式(4)、(6)代入到(1)中，可得：

將式(8)代入到(7)中，可得：

式中的RO2’和O2’均由煙氣分析獲得。

1.3.3 過剩空氣系數(shù)α

式中：RO2max——燃燒產(chǎn)物RO2的最大理論含量；

RO2’ ——燃燒產(chǎn)物RO2的實(shí)際含量。

當(dāng)燃?xì)庖欢〞r(shí)，RO2max的值一定，本實(shí)驗(yàn)中所用燃?xì)獾腞O2max近似為11.9，由煙氣分析儀測得的RO2’絕大部分為CO2，所以只需測得煙氣中CO2的成分，便可以獲得過?？諝庀禂?shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖6是整理實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)之后得到的不同功率下NOx排放體積濃度隨過?？諝庀禂?shù)變化曲線。

圖6 NOx排放體積濃度隨過?？諝庀禂?shù)變化曲線

從該圖可以看出，隨著過剩空氣系數(shù)的增加，NOx排放體積濃度呈減小趨勢。其中，在過剩空氣系數(shù)從1.05左右增加至1.2附近時(shí)，NOx排放體積濃度急劇減小，之后隨著過?？諝庀禂?shù)的繼續(xù)增加，這一趨勢開始變得緩和，具體為：過?？諝庀禂?shù)從1.2增加至1.4的過程中，NOx排放體積濃度的降低速度逐漸減慢。從圖中還可以看到，不同功率下，NOx排放量差別不大，這說明NOx的排放不隨功率改變而有顯著的變化。由于加大過?？諝庀禂?shù)會(huì)增加煙氣排放熱損失，綜合來看，過?？諝庀禂?shù)在1.2至1.3之間取值比較合理，NOx排放濃度能夠控制在 10×10-6左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有天然氣鍋爐的排放值。

3 結(jié)語

(1)本文通過實(shí)驗(yàn)研究了全預(yù)混表面燃燒的污染物的排放特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)過?？諝庀禂?shù)從1.05到1.2變化時(shí)，污染物的降低非常顯著，進(jìn)一步增加過?？諝庀禂?shù)，污染物的降低趨勢開始變的緩慢，而功率對(duì)污染物排放的影響不顯著。

(2)綜合考慮過?？諝庀禂?shù)對(duì)燃燒熱效率和污染物排放的影響，建議過剩空氣系數(shù)在 1.2至 1.3之間取值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NOx排放濃度能夠控制在10×10-6左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有天然氣鍋爐的排放值，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

Experimental Study on Pollutant Emission Characteristics of Premixed Surface Combustion Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Huang Siyi FengLinag MengLili

In this paper, the pollutant emission characteristics of premixed surface combustion are studied by experiments. Results show that the amount of NOxemission decreases with the increasing of air excess rate. Then proposed value range of the air excess rate of the premixed combustion is given basing on the air excess rate’s influenceon the heat efficiency and the level of NOxemission.

premixed surface combustion, metal fiber burner, air excess rate, NOxemission