液化石油氣無(wú)焰燃燒的實(shí)驗(yàn)研究

謝斌

摘 要：無(wú)焰燃燒是高效率低污染燃燒領(lǐng)域近些年最重要的發(fā)現(xiàn)之一，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，從源頭上強(qiáng)化節(jié)能減排，在工業(yè)過(guò)程中有廣泛的應(yīng)用前景。本文搭建了液化石油氣燃燒測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)調(diào)整空氣、燃料的參數(shù)獲得了液化石油氣在不預(yù)熱條件下的無(wú)焰燃燒狀態(tài)，測(cè)得燃燒器內(nèi)平均在970℃左右，整體溫度分布均勻，CO與NOx在達(dá)到無(wú)焰燃燒狀態(tài)后的濃度較低，整體符合無(wú)焰燃燒低污染的特性。

關(guān)鍵詞：液化石油氣無(wú)焰燃燒溫度場(chǎng)污染物

Experimental Study on Flameless Combustion of LPG

XIE Bin

（Shanghai Baosight Software Co.， Ltd.， Shanghai， 201900 China）

Abstract： Flameless combustion is one of the most important discoveries in the field of high efficiency and low pollution combustion in recent years. It can achieve the goal of energy conservation and consumption reduction， strengthen energy conservation and emission reduction from the source， and has a wide application prospect in industrial processes. In this paper， a LPG combustion test-bed is built. The flameless combustion state of LPG without preheating is obtained by adjusting the parameters of air and fuel. It is measured that the average temperature in the burner is about 970 ℃， the overall temperature distribution is uniform， and the concentration of CO and NOx after reaching the flameless combustion state is low， which is in line with the characteristics of flameless combustion and low pollution.

Key Words： LPG; Flameless combustion; Temperature field; Pollutants

傳統(tǒng)有焰燃燒化學(xué)反應(yīng)集中在比較狹小火焰面上進(jìn)行，容易造成爐膛內(nèi)部溫度分布不均勻，燃燒火焰面溫度高，導(dǎo)致了熱力型NOx的大量生成。無(wú)焰燃燒特點(diǎn)是爐膛透亮，反應(yīng)發(fā)生在一個(gè)寬廣的區(qū)域，反應(yīng)充滿整個(gè)爐膛，火焰體積成倍增加，擁有更均勻的溫度場(chǎng)以及沒(méi)有明顯火焰鋒面，燃燒發(fā)生在低氧環(huán)境中[1-3]。在無(wú)焰燃燒過(guò)程中，燃燒生成的煙氣不會(huì)立刻排出爐膛，相反的，大部分煙氣借助爐膛內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重新與射入爐膛的空氣和燃料混合，起到加熱和降低氧氣濃度的作用。

無(wú)焰燃燒最初發(fā)展的目的是為了抑制燃燒器燃燒時(shí)NOx形成的熱機(jī)理，通過(guò)無(wú)焰燃燒技術(shù)，可以保持NOx排放在規(guī)定水平以內(nèi)。該技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，例如鋼鐵行業(yè)。無(wú)焰燃燒是最有前途的技術(shù)之一，它可以滿足嚴(yán)格的規(guī)范，未來(lái)它甚至可以降低燃?xì)廨啓C(jī)污染和提高燃?xì)廨啓C(jī)效率。無(wú)焰燃燒現(xiàn)象早在數(shù)十年前就發(fā)現(xiàn)了，但目前的認(rèn)識(shí)仍然有限，因此，對(duì)無(wú)焰燃燒的研究是對(duì)燃燒領(lǐng)域的重要知識(shí)貢獻(xiàn)[4-5]。無(wú)焰燃燒反應(yīng)速率低、局部熱量釋放少、熱流分布均勻、燃燒峰值溫度低、NOX和CO等污染物的生成少、輻射傳熱強(qiáng)。因此，無(wú)焰燃燒是高效率低污染燃燒領(lǐng)域近些年最重要的發(fā)現(xiàn)之一[6-8]。

氣體無(wú)焰燃燒研究者認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒需要2個(gè)條件[9-11]：第一是需要將燃料或者助燃空氣預(yù)熱到高溫，第二是燃料在燃燒前要被煙氣稀釋。因此，在燃燒器設(shè)計(jì)中，要將燃料和助燃空氣的噴嘴布置的較遠(yuǎn)，導(dǎo)致無(wú)焰燃燒系統(tǒng)復(fù)雜，且燃燒過(guò)程不穩(wěn)定。在后來(lái)的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)常溫空氣也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)焰燃燒，但這距離工業(yè)上大規(guī)模使用還有一些距離。目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室一般使用高速射流來(lái)達(dá)到稀釋與卷吸燃料，即氣體的入射速度較高。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還需要對(duì)整個(gè)爐膛有較好的保溫，保證燃燒條件。[12-13]。

本文采搭建燃燒試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)特定燃燒器，開展液化石油氣無(wú)焰燃燒實(shí)驗(yàn)，研究無(wú)焰燃燒的燃燒狀態(tài)以及污染物排放，為后續(xù)氣體無(wú)焰燃燒器的開發(fā)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)及搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。液化石油氣從儲(chǔ)氣瓶中由管道先經(jīng)過(guò)油水分離器，氣體減壓閥，熱式質(zhì)量流量計(jì)，再經(jīng)過(guò)壓力變送器，然后經(jīng)過(guò)回火防止器，最后通過(guò)噴嘴進(jìn)入到爐膛?？諝庥娠L(fēng)機(jī)提供，經(jīng)過(guò)壓縮空氣精密過(guò)濾器、氣體減壓閥、熱式質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、回火防止器，最后通過(guò)噴嘴進(jìn)入到爐膛。燃料與空氣在爐膛中混合后燃燒，燃燒后的煙氣經(jīng)過(guò)套筒出口直接排放到大氣中。

無(wú)焰燃燒燃燒爐長(zhǎng)度為46cm，半徑為15cm，其被38mm厚的玻璃纖維體包圍保溫，使更多的能量可以保持在爐內(nèi)以加強(qiáng)爐膛的保溫效果，在燃燒過(guò)程中保持爐膛內(nèi)煙氣溫度高于自燃點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)熱式質(zhì)量流量計(jì)與壓力變送器記錄下不同燃燒狀態(tài)下的燃料體積流量以及空氣流量，壓力流速。測(cè)溫點(diǎn)分布如圖2所示，中軸線上每隔5cm測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，燃燒時(shí)爐內(nèi)溫度脈動(dòng)較低且溫度不高，所以時(shí)間平均溫度使用K型熱電偶記錄無(wú)焰燃燒狀態(tài)下的溫度分布，當(dāng)每分鐘溫度的變化小于1.5K時(shí)，開始采集溫度，采集至少3min，并依此時(shí)間平均值作為平均溫度的測(cè)量值。

煙氣組分以TESTO350XL型便攜式煙氣分析儀測(cè)量。該煙氣分析儀可測(cè)量O2、CO2、NO、NO2、和CO2的組分體積分?jǐn)?shù)。燃燒產(chǎn)物在到達(dá)測(cè)量感測(cè)元件前需經(jīng)過(guò)冷卻處理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

液化石油氣無(wú)焰燃燒實(shí)驗(yàn)操作步驟：先通空氣，點(diǎn)火器在爐膛前壁處持續(xù)點(diǎn)火，打開燃?xì)忾y，直到點(diǎn)火成功。觀察火焰，增大空氣量，保持僅存在少量藍(lán)色火焰，進(jìn)行升溫操作。調(diào)節(jié)燃?xì)饬颗c空氣量。每次調(diào)節(jié)后觀察火焰，保持通透橙黃的火焰，使壁面溫度快速升溫。當(dāng)流量與壓力為表1所示工況1時(shí)，實(shí)驗(yàn)圖像如圖3（a）所示。繼續(xù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)工況，當(dāng)空氣量提升到10m3/h時(shí)，爐膛進(jìn)入無(wú)焰燃燒狀態(tài)，提升到12m3/h時(shí)徹底達(dá)到無(wú)焰燃燒狀態(tài)，燃燒圖像如圖3（b）所示。

圖4為液化石油氣與甲烷達(dá)到無(wú)焰燃燒狀態(tài)后的軸向溫度分布，液化石油氣無(wú)焰燃燒中心溫度峰值位置在距離前壁位置140mm處，峰值溫度1146℃，邊壁溫度峰值位置在距離前壁200mm處，峰值溫度1123℃，最低溫度747℃。總體爐膛內(nèi)溫度分布較為均勻，軸向溫度波動(dòng)較低，最高溫度低于1200℃。較低的爐膛溫度對(duì)控制氮氧化物較為有利。

表2 液化石油氣無(wú)焰燃燒狀態(tài)下煙氣濃度

表2為液化石油氣無(wú)焰燃燒狀態(tài)下的煙氣分析表，可以看出，當(dāng)燃燒達(dá)到無(wú)焰燃燒后，氧氣濃度在15% 以內(nèi)，CO含量較低，燃燒完全，NOx的含量為16.4mg/m3，處于較低污染物排放水平，這符合無(wú)焰燃燒低污染的特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中判斷燃燒是否處于無(wú)焰燃燒狀態(tài)，在本研究采用了前人無(wú)焰燃燒判斷方法[14-16]，判斷方法如下：（1）燃燒火焰呈淡藍(lán)色或無(wú)明顯火焰;（2）爐膛內(nèi)溫度分布均勻，即判斷溫度均勻性的溫度波動(dòng)比值小于15%;（3）煙氣CO與NOx 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于100×10-6。

對(duì)比有焰燃燒技術(shù)與無(wú)焰燃燒技術(shù)，有焰燃燒技術(shù)的液化石油氣燃燒溫度最高能達(dá)到1800℃以上，實(shí)驗(yàn)使用無(wú)焰燃燒技術(shù)后液化石油氣燃燒溫度平均在970℃左右，并且溫度分布均勻，這有利于抑制熱力型NOx的產(chǎn)生，減少污染物的排放。

爐膛中線溫度呈現(xiàn)兩頭低，中間高的趨勢(shì)，這是因?yàn)闅怏w剛從噴嘴噴射出來(lái)時(shí)，燃料還未開始燃燒，所以溫度入口處比較低;隨著軸向距離的逐漸增大，燃料與空氣進(jìn)行反應(yīng)，氣體開始燃燒并變得越來(lái)越劇烈，所以溫度逐漸升高;而后由于達(dá)到了無(wú)焰燃燒狀態(tài)，隨著煙氣排出爐膛，溫度峰值降低，所以呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中的無(wú)焰燃燒狀態(tài)，尾部CO含量在為1.3mg/m3，NOx 在16.4mg/m3，污染物含量均低于30mg/m3。經(jīng)過(guò)上述特征判定，本文實(shí)現(xiàn)了液化石油氣無(wú)預(yù)熱條件的無(wú)焰燃燒狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文搭建了液化石油氣測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)調(diào)整燃料及空氣參數(shù)，獲得了液化石油氣無(wú)焰燃燒狀態(tài)。

（2）通過(guò)溫度測(cè)量可以看出，爐膛中軸線溫度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，出口處溫度下降較大，這是因?yàn)槿紵魇钦w開放式，熱平衡較為不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)使用無(wú)焰燃燒技術(shù)后液化石油氣燃燒溫度平均在970℃左右，整體溫度分布均勻，這有利于抑制熱力型NOx的產(chǎn)生，減少污染物的排放。

（3）從反應(yīng)物看，CO與NOx在達(dá)到無(wú)焰燃燒狀態(tài)后的濃度較低，整體符合無(wú)焰燃燒低污染的特性。

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