同濟大學機械與能源工程學院

胡 標 林立春 鄧鈺才 馮 良 齊亞騰

金屬纖維全預混燃燒NOx排放特性探究

同濟大學機械與能源工程學院

胡 標 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，天然氣的消費量迅速增長，處于節(jié)能減排大環(huán)境下的中國，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，并通過實驗研究其燃燒污染物NOx隨過?？諝庀禂?shù)和單位表面熱強度變化的排放特性。

金屬纖維全預混燃燒 過剩空氣系數(shù) 單位表面熱強度 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散燃燒、部分預混燃燒(也稱大氣式燃燒)和全預混燃燒。

擴散式燃燒，燃氣和空氣在燃燒之前分開供給，不進行混合。擴散燃燒由于擴散作用，燃燒火焰體積比較大、燃燒時間長，有時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度低下等。大氣式燃燒，是在擴散式燃燒的基礎上，預先將部分空氣與燃氣進行混合，這樣火焰變得清潔，燃燒得以強化，火焰溫度也提高了，因此大氣式燃燒得到了廣泛的應用，尤其是在民用燃氣灶具上。

全預混式燃燒是在大氣式燃燒的基礎上發(fā)展起來的。國內外研究表明：全預混燃燒方法是提高燃氣燃燒設備熱效率、降低煙氣中CO與NOx排放的最佳方法。完全預混式燃燒是在燃氣與空氣預先混合均勻(α≥1)的情況下，瞬時完成的，完全預混燃燒不需要二次空氣，火焰只有一個燃燒面；完全預混燃燒的表面熱強度很高，并且能在很小的過?？諝庀禂?shù)下(通常 α=1.05~1.10)達到完全燃燒，幾乎不存在不完全燃燒現(xiàn)象，因此燃燒溫度很高。此試驗裝置采用的是金屬纖維全預混燃燒方式，這種燃燒方式有極大的優(yōu)越性。

(1)熱強度高、調節(jié)范圍大，表面熱強度為0.1~10 W/mm2。據(jù)資料顯示，過?？諝庀禂?shù)在1.1~1.3時，在不同的表面熱強度下燃燒工況不同：當表面熱強度為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；當表面熱強度達0.9 W/mm2時出現(xiàn)藍色火焰浮在表面。即使表面熱強度到達5 W/mm2時，也不會脫火。

(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。由于全預混燃燒的過量空氣系數(shù)小，同時燃燒釋放的熱量通過輻射與對流方式迅速帶走，降低了火焰溫度，所以相對于其它燃燒器，金屬纖維燃燒器具有更低的NOx水平。全預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)外形適應性強。根據(jù)使用場合的要求，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(向內輻射型)。

(4)安全性高。金屬纖維介質孔隙的細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，抗熱沖擊性能高，抗機械沖擊性能強，熱惰性低，噪聲低。

2 實驗研究

實驗通過研究不同過?？諝庀禂?shù)α和單位面積熱強度q對全預混表面燃燒污染物排放特性的影響。圖1為實驗所需的系統(tǒng)裝置流程圖。

圖1 試驗系統(tǒng)流程

實驗時，燃氣通過燃氣電磁比例閥進入混合器，與空氣混合實現(xiàn)全預混，再經過風機進入金屬纖維燃燒器，點火燃燒，爐膛表面采用水冷。在爐膛的煙氣出口處設置煙氣分析儀，測量污染物濃度。實驗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；混合器采用的是風機上游混合方式；風機采用交流離心式風機，承擔整個燃燒系統(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 testo350，其可測量 O2、CO、NO、NO2等多種氣體，測量時將煙氣探頭固定在燃燒爐膛煙囪處即可。

2.1 實驗設備的選擇

實驗的系統(tǒng)流程圖如圖1所示，系統(tǒng)中的比例閥，混合器，風機為空氣燃氣預混系統(tǒng)的關鍵配件，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)燃氣比例閥；本實驗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 燃氣比例閥

(2)空氣/燃氣混合器；試驗中混合器采用文丘里式混合器，用于空氣與燃氣的均勻混合(見圖3)。

圖3 混合器

(3)直流無刷風機；助燃風機采用的是上海梅帝燃氣設備有限公司生產的型號RG128/1300-3612的脈寬可調型直流無刷風機(見圖 4)，該風機的占空比 PWM的調節(jié)范圍為33%~99%，可通過改變燃燒過程中的空氣量，引射不同的燃氣量，從而實現(xiàn)對負荷的控制。

圖4 直流風機

(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氣設備有限公司生產的DFC-1控制器(見圖6)。

圖6 控制器

(6)煙氣分析儀；試驗中采用了德國的testo350煙氣分析裝置(見圖7)，同時根據(jù)實驗要求增加了比托管實現(xiàn)測流量的功能。

圖7 testo350煙氣分析儀

2.2 實驗數(shù)據(jù)

實驗選取不同過?？諝庀禂?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(表面熱強度由燃燒器功率和燃燒器燃燒面計算得到)，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為通過實驗結果得到的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進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，隨著過剩空氣系數(shù)的增大，NOx的排放量逐漸減小，且排放減少量的趨勢為先快后慢，在過?？諝庀禂?shù)逐漸增大至1.15~1.20附近時，趨勢變緩，且隨著過?？諝庀禂?shù)的繼續(xù)增大，NOx排放量并無明顯減小。

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

3 結論分析

在燃燒試驗中，燃燒的污染物產物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通常認為是空氣中的N2在溫度高于1 800 K的高溫區(qū)域內生成的氮氧化物，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間成正相關趨勢。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)關系，同時與氮氣濃度與氧氣濃度的平方根成正比?？焖傩蚇Ox是碳氫系燃料燃燒過程中在氧氣較貧區(qū)域火焰面內急劇生成的大量 NOx，它的生成地點不是在火焰面的下游，而是在火焰內部。快速型NOx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的生成量低一個數(shù)量級。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，且具有中溫生成特性，同時一般的燃燒溫度都較高，因此溫度對燃料型NOx的生成影響不大。再者試驗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的生成機理可知，本實驗中全預混燃燒NOx的生成量跟氧含量、溫度以及煙氣在高溫區(qū)的停留時間緊密相關，同時排放中的NOx主要取決于熱力型NOx。本試驗的結論中可以看出在不同的表面熱強度下隨著過剩空氣系數(shù)的增大，NOx呈下降趨勢且越來越平緩，同時在相同的過?？諝庀禂?shù)的條件下增加單位表面熱強度，NOx的排放量會增加，因為q的增加使得火焰和爐膛溫度的增大，導致NOx的排放量增加。

全預混燃燒降低NOx排放的措施：

(1)使得燃燒溫度均勻，盡量避免產生局部高溫；雖然全預混燃燒的單位表面熱強度大，燃燒溫度高，但是全預混燃燒完全，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，就會使得NOx排放更加理想。

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

(3)合理控制燃燒器的熱負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