煤粉無焰燃燒的實驗研究

賈磊

摘要：無焰燃燒是一種高效清潔的燃燒方式。本文研究了煤粉的常溫空氣無焰燃燒，并對爐內的溫度場和尾部煙氣中CO和NO濃度進行測量。研究結果發現：無焰燃燒下爐內的溫度場分布均勻，CO和NO排放都很低。本文對于煤粉的清潔高效利用有一定的借鑒意義。

1 概述

能源是人類活動的基礎，能源在經濟發展中扮演著重要的角色。目前我們國家能源的消費量日益增加。在我國的能源結構中，煤炭占有相當大的比例。習主席在2020年指出，中國二氧化碳排放量要在2030年達到峰值，爭取在2060年實現碳中和。在將來較長的一段時間內煤炭為主要能源來源，因此煤粉的高效清潔利用就顯得十分重要。

在高效清潔的燃燒技術中無焰燃燒是一種可以提高燃料燃燒效率和降低污染物排放的新型燃燒技術。無焰燃燒具有如下特點：燃燒反應在整個燃燒室內進行，在燃燒室內觀察不到明顯的火焰峰面，爐內溫度場分布均勻，溫度的峰值降低抑制了NOx的生成，高度混合使得燃料燃燒完全，從而減少了CO的排放，并擴展了燃料的燃燒范圍。

無焰燃燒國內外都進行了較多的研究，清華大學祁海鷹等人[1]研究了高溫低氧燃燒下NOx的生成特性。中國科技大學的俞瑜等[2]采用CFD軟件對引射式MILD燃燒進行了數值研究。邢獻軍等[3]等通過對采用煤粉作為燃料下無焰燃燒的研究。他們采用特殊燃燒器結構實現高溫煙氣回流，利用回流的煙氣對煤粉氣流進行預熱，滿足實現無焰燃燒空氣需要預熱的溫度。但是對于常溫空氣的無焰燃燒研究還較少。本研究在實驗臺架上開展對煤粉無焰燃燒特性的研究。

2 臺架介紹

本文設計的臺架如圖1，該實驗臺架可以實現多種實驗工況。

實驗時功率為15kw，煤粉的工業分析和元素分析如下表所示。

3實驗結果分析

從圖3可以看出，過剩空氣系數從1.17增加1.8過程中，燃燒爐頂部和中上部的溫度下降較明顯，下降約50～70℃，而燃燒爐中下部及底部的溫度變化不大。爐內中心線幾個特征點的溫度差不大，并且隨著過?？諝庀禂档脑龃?，溫度差也逐漸減小，說明過剩空氣系數對爐內的最高溫度和爐內的溫度均勻性都有影響。

圖4可以看出在不同過?？諝庀禂蹬c尾部煙氣中CO的關系，在過剩空氣系數逐漸增加時，尾部煙氣中CO降低的非常明顯，從最高的1700ppm降低到120ppm，在這階段，過剩空氣系數加大，爐膛內部的氧濃度更高，有助于CO的氧化反應。在過剩空氣系數從1.37增加到1.795的整個范圍內，尾部煙氣中CO的濃度變化不大。當過?？諝庀禂郸?1.37時，爐內已經形成了較穩定的煤粉無焰燃燒工況，爐內的氧濃度和風粉射流的進口動量達到了理想水平，爐內溫度分布均勻，燃燒反應穩定。

4 結論

本文通過實驗研究了常溫煤粉無焰燃燒的特性，對爐內的溫度場和出口煙氣中的CO濃度和NO濃度進行了測量。研究不同過量空氣系數下爐內的溫度分布和煙氣中污染物的排放濃度。得到如下結論：

1）無焰燃燒是一種高效清潔的燃燒方式，爐內的溫度分布十分均勻，隨著過量空氣系數加大，溫度的均勻性會進一步增加。

2）無焰燃燒下尾部煙氣中的CO的濃度隨著過量空氣系數增加會逐漸減小。NO的排放濃度會先升高再減小最后趨于穩定。

參考文獻：

[1]祁海鷹，李宇紅. 高溫低氧燃燒條件下氮氧化物的生成特性. 燃燒科學與技術. 2002，8（1）：17-22.

[2]俞瑜. 氣體引射式無焰燃燒的數值模擬和實驗研究：[博士論文]. 中國科學技術大學，2010.

[3]邢獻軍，林其釗. 常溫空氣無焰燃燒中 CO 生成的研究. 熱能動力工程. 2007，21（6）：612-617

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