周 靚 秦鳳華 高 陽 李明明 畢洪偉 賀 鑄 潘 妮

(1.武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，2.中冶南方(武漢)熱工有限公司，3.西寧特殊鋼股份有限公司)

富氧燃燒技術(shù)可以大幅提高火焰溫度、熱效率，降低煙氣量，是一項(xiàng)具有廣闊應(yīng)用前景的高效節(jié)能技術(shù)[1]。國內(nèi)外學(xué)者主要通過理論和實(shí)驗(yàn)的方法研究了富氧燃燒技術(shù)的節(jié)能特性和污染物排放特性等[2-9]。在節(jié)能特性研究中發(fā)現(xiàn)，隨著助燃?xì)怏w中氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，燃點(diǎn)降低，燃燒速度加快，有利于提高燃料燃盡度和燃燒效率[10-11]。對污染物排放特性的研究發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，煙氣中CO2體積分?jǐn)?shù)增加，有利于CO2富集[12-13]。然而，制氧成本居高不下制約了富氧燃燒技術(shù)的推廣應(yīng)用[14]。為了降低制備富氧空氣的成本，文章根據(jù)空氣中不同成分在磁場中受力不同的原理，提出采用梯度磁場制備富氧空氣。在此基礎(chǔ)上研究了空氣側(cè)增設(shè)磁場對燃燒的影響。

1 磁場對空氣中氧氣的影響

空氣中氧氣屬于順磁性氣體，而其他絕大多數(shù)氣體則為反磁性氣體[15]。氧氣的磁化率是氮?dú)獾?51倍，氧分子在梯度磁場作用下被磁場吸引，拉向磁場增強(qiáng)方向，趨于磁體附近而形成富氧氣層；氮磁矩方向與磁場方向相反，被推向磁場減弱方向[16]。按照渦動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)磁場力為非保守力時(shí)，磁場力將誘導(dǎo)出渦流，引起空氣對流。即：在梯度磁場下，當(dāng)氧氣磁化率出現(xiàn)不均勻時(shí)，磁場力作用于氧氣，改變氧氣運(yùn)動(dòng)軌跡，在管道內(nèi)產(chǎn)生局部富氧空氣。文章在此理論基礎(chǔ)上自制磁場裝置，安裝于燃燒系統(tǒng)空氣側(cè)管路上，研究空氣經(jīng)過磁場后對燃燒的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方案及目的

燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由實(shí)驗(yàn)爐、空氣系統(tǒng)、燃?xì)庀到y(tǒng)和分析檢測系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)爐包括爐本體、燃燒裝置(燒嘴)及排煙系統(tǒng)；空氣系統(tǒng)包括空氣罐(或風(fēng)機(jī))、空氣總閥、調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)和磁場設(shè)備；燃?xì)庀到y(tǒng)包括燃?xì)夤?、燃?xì)饪傞y、調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)；分析檢測系統(tǒng)包括熱電偶、煙氣分析儀和紅外熱像儀。

實(shí)驗(yàn)主要研究空氣管路上加磁場后對燃燒的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：空氣流量98 m3/h，空氣壓力穩(wěn)定在1.0 kPa，燃?xì)饬髁吭?.5～11.8 m3/h平穩(wěn)調(diào)整。記錄爐內(nèi)的溫度、煙氣的CO和NOx含量以及殘氧值。實(shí)驗(yàn)在相同條件下多次進(jìn)行，有較好的重復(fù)性，結(jié)果可信度較高。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磁場對爐溫的影響

與無磁場相比，在空氣側(cè)設(shè)置磁場后，爐內(nèi)升溫速率顯著提高，如圖2所示。在增加磁場后，相同燃料供入量條件下爐膛升溫較快，有一定節(jié)能效果。

圖2 有磁場和無磁場條件下爐膛溫度

3.2 磁場對燃燒產(chǎn)物中O2含量的影響

實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行過程中，爐溫具有大滯后、多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性、大慣性等特點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)爐溫完全相同條件下的對比，現(xiàn)對爐溫較為接近的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。平均爐溫760 ℃時(shí)，有磁場和無磁場條件下煙氣中氧含量對比如圖3(a)所示。在空氣側(cè)增加磁場后，燃燒產(chǎn)物中氧含量降低。隨著空氣系數(shù)增加，煙氣中氧含量有所升高，即氧氣過量。增加磁場后，隨著空氣系數(shù)的增加，煙氣中氧含量先是降低較為明顯，之后降低幅度逐漸縮小。這說明，在空氣側(cè)增加磁場后可進(jìn)一步減小空氣系數(shù)，在爐子節(jié)能(增加磁場后爐溫升高)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步減小空氣量，降低空氣動(dòng)力能耗。加磁場后，爐溫分別為760 ℃和830 ℃時(shí)，煙氣中氧含量的對比如圖3(b)所示。隨著爐溫升高，燃燒產(chǎn)物中氧含量降低。這是因?yàn)槿紵磻?yīng)中各組分活性隨溫度的升高而升高，爐溫越高，反應(yīng)進(jìn)行越激烈，煙氣中氧含量越低。

圖3 磁場對燃燒產(chǎn)物中氧含量的影響

3.3 磁場對燃燒產(chǎn)物中CO含量的影響

為了研究磁場對燃燒產(chǎn)物中CO含量的影響，實(shí)驗(yàn)過程將空氣供給量保持在98 m3/h，調(diào)整燃料供給量，檢測燃燒產(chǎn)物中CO含量變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。無磁場的情況下，燃料量較低時(shí)，可燃物質(zhì)燃燒完全，產(chǎn)物中CO保持較低水平且穩(wěn)定，隨著燃料量持續(xù)升高，達(dá)到貧氧燃燒時(shí)，煙氣中CO含量較高。在空氣側(cè)增加磁場后，隨著燃料量的升高，煙氣中CO含量增幅明顯減小。因此可以得出結(jié)論：在相同燃燒條件下，在空氣側(cè)增加磁場能夠促進(jìn)燃燒反應(yīng)進(jìn)行，尤其在貧氧燃燒時(shí)表現(xiàn)更加明顯。

圖4 燃燒產(chǎn)物中CO含量隨燃料量的變化規(guī)律

由燃燒產(chǎn)物中CO含量隨空氣系數(shù)的變化規(guī)律可以看出，空氣側(cè)增設(shè)磁場會(huì)降低燃燒產(chǎn)物中CO含量。但增設(shè)磁場會(huì)使得氧氣相對濃度增加，使得實(shí)驗(yàn)變量不唯一，為了更進(jìn)一步確認(rèn)增設(shè)磁場對燃燒產(chǎn)物中CO含量的影響，在貧氧條件下(空氣系數(shù)均小于1)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)。降低空氣系數(shù)，使煙氣中幾乎不含殘氧，調(diào)整燃?xì)夤┤肓浚^察增設(shè)磁場前后燃燒產(chǎn)物中CO含量的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著空氣系數(shù)的升高，煙氣中CO含量急劇降低。爐溫1 120 ℃無磁場時(shí)燃燒產(chǎn)物中的CO含量明顯高于爐溫875 ℃增設(shè)磁場的。因此可以得出結(jié)論，在空氣側(cè)管路增設(shè)磁場，能夠影響爐內(nèi)燃燒狀況，提高可燃物質(zhì)與O2碰撞幾率，增加燃燒反應(yīng)速率。

圖5 貧氧條件下磁場對燃燒產(chǎn)物中CO的影響

3.4 磁場對燃燒產(chǎn)物中NOx含量的影響

當(dāng)今社會(huì)對燃燒產(chǎn)物中NOx排放量極為關(guān)心，因此，實(shí)驗(yàn)同時(shí)對增設(shè)磁場前后燃燒產(chǎn)物中NOx含量進(jìn)行了檢測，結(jié)果如圖6所示。隨著空氣系數(shù)的升高，燃燒產(chǎn)物中NOx含量升高?？諝庀禂?shù)升高意味著供給空氣量增加，燃燒反應(yīng)進(jìn)行更加徹底，燃燒區(qū)域溫度也將升高，而燃燒溫度越高越有利于熱力型NOx生成。因此，近年來的新型燃燒技術(shù)都在力求降低燃燒區(qū)域峰值溫度，達(dá)到減少NOx排放量的目的。由圖6可以看出，在空氣側(cè)增設(shè)磁場對NOx生成量影響并不大，這說明，磁場并沒有使火焰峰值溫度升高，不會(huì)增加NOx排放量。

圖6 增設(shè)磁場前后燃燒產(chǎn)物中NOx含量對比

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)在空氣側(cè)管路增設(shè)磁場，觀察磁場對燃燒產(chǎn)物的影響情況。在相同條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)論趨勢相同，可信度較高。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)增設(shè)磁場能夠提升爐膛溫度；

(2)增設(shè)磁場后，燃燒產(chǎn)物中氧含量降低，說明磁場能夠促進(jìn)氧與可燃物質(zhì)的燃燒反應(yīng)，使反應(yīng)更加完全；

(3)增設(shè)磁場后，燃燒產(chǎn)物中CO含量同樣降低，更進(jìn)一步證明磁場對燃燒反應(yīng)的促進(jìn)作用；

(4)增設(shè)磁場不會(huì)引起燃燒產(chǎn)物中NOx排放量增加。

因此，在此方向做進(jìn)一步的研究，能夠促進(jìn)我國化石燃料燃燒企業(yè)的節(jié)能減排工作，有非常重要的環(huán)保意義并提升經(jīng)濟(jì)效益。