陳偉鵬，韓一慶，張?zhí)祛＃判颀?/p>

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院內(nèi)蒙古清潔燃燒重點實驗室，包頭 014010)

中國工業(yè)爐窯常用平焰燃燒方式，平焰燒嘴與傳統(tǒng)的一般燒嘴不同，它噴出的火焰不是直條形，而是貼著爐壁向四周伸展的圓盤形薄層，氣流從擴張通道流出時，具有附壁流動的性質(zhì)(即科安達效應(yīng))，而氣流的旋轉(zhuǎn)加強了這種效應(yīng)[1]。與傳統(tǒng)的直條形火焰相比，具有溫度均勻、爐膛升溫和物料加熱速度快、節(jié)約燃料、壓力場均勻、點火性能好等優(yōu)點。但是由于空氣和燃氣混合較好，燃燒火焰溫度較高，煙氣中NOx濃度較大，同時易生成不完全燃燒產(chǎn)物CO。因此如何降低NOx和CO的排放對實現(xiàn)熱工設(shè)備的潔凈燃燒具有重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)提出兩種空氣出口布置方式，來研究其平焰湍流燃燒過程中氣流流動混合對NO和CO濃度的影響，為后續(xù)相關(guān)純氧助燃燃燒提供一定參考。

目前已有很多學(xué)者對平焰燃燒過程中可能受到影響的因素進行了大量的研究，并取得了一定的成果。田力等[2]通過平面激光誘導(dǎo)熒光(planar laser-induced fluorescence，PLIF)測量技術(shù)觀察不同甲烷和空氣的質(zhì)量流量配比對燃燒溫度、火焰尺寸及顏色變化影響，證明了強制對流燃燒能使燃料充分混合，達到燃料高效燃燒的目的。王義德等[3]采用數(shù)值模擬的方法計算了燃盡風(fēng)布置和當(dāng)量比對NOx濃度的影響，結(jié)果表明當(dāng)量比約為0.85時NOx排放總量最小，加熱爐經(jīng)空氣分級低氮改造，可以實現(xiàn)了NOx排放低于200 mg/m3的要求。龔志軍等[4-6]將熱態(tài)流場與冷態(tài)流場進行了對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)冷態(tài)流場模擬與實際燃燒過程的流動存在較大差異，高溫預(yù)混燃燒直接影響湍流渦旋結(jié)構(gòu)的大小及分布。趙增武等[7-8]通過高溫空氣燃燒技術(shù)將助燃空氣預(yù)熱和煙氣再循環(huán)來回收煙氣余熱，獲得低氧燃燒環(huán)境，減少 NOx的生成與排放。陳偉鵬等[9]通過實驗研究了燃氣出口形式對平焰燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)燃氣采用旋流式出口能提高火焰的穩(wěn)定性，降低了氮氧化物濃度。陳偉鵬等[10]對不同磁場下強旋流燃燒特性和NO生成特性進行了實驗，結(jié)果表明，在磁場的作用下，能產(chǎn)生NO的帶電離子或離子團之間的碰撞概率降低，進而減少了火焰中NO生成。邢守正等[11]，徐學(xué)慧等[12]通過實驗得出，隨著過?？諝庀禂?shù)的增加，NO含量先增大后減小，選出最佳過?？諝庀禂?shù)范圍為1.06～1.075。陳偉鵬等[13-14]通過實驗得出，適當(dāng)縮短燃氣管插入深度可擴大燃燒區(qū)并降低爐膛局部高溫區(qū)溫度, 進而有效減少煙氣中NOx的排放。芮文明等[15]、陳偉鵬等[16]、周力行等[17]在旋流數(shù)對湍流燃燒中NO生成影響的研究得出一共同結(jié)論：適當(dāng)增大旋流強度可以擴大燃燒區(qū)，使?fàn)t膛頂部溫度分布更加均勻, 從而降低煙氣中NOx濃度。陳偉鵬等[18]模擬了喇叭形擴張口曲率半徑對平焰流場的影響，結(jié)果表明增加喇叭口曲率半徑有利于形成穩(wěn)定的平展流，但燒嘴磚的厚度亦增大。

現(xiàn)通過熱態(tài)實驗采用特制燒嘴、煙氣分析儀和熱電偶等設(shè)備，測量不同空氣出口布置方式下平展流火焰面的溫度、NO和CO含量，分析空氣出口布置方式及位置對平展流火焰面中NO、CO生成特性的影響。

1 燃燒實驗臺搭建

燃燒實驗臺由燃燒實驗裝置和溫度及煙氣監(jiān)測設(shè)備組成，如圖1所示。燃氣流量采用LZB-15型玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)；燃氣采用的液化石油氣，其成分為90%C4H10、C3H8和C5H12各5%(體積分數(shù))，實驗流量為0.5 m3/h1；空氣通過空壓機增壓至0.8 MPa，流量采用LZB-25型玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)，過量空氣系數(shù)為1.06。

1為液化石油氣罐；2為減壓閥；3為液化氣流量計；4為調(diào)節(jié)閥；5為空壓機；6為減壓閥；7為壓力表；8為穩(wěn)壓罐；9為空氣流量計；10為調(diào)節(jié)閥；11為燒嘴；12為空氣管道；13為熱電偶；14為計算機；15為手持式煙氣分析儀

溫度場采用WRBP鎧裝鉑銠熱電偶檢測，相鄰兩個測點間距為20 mm。各測點熱電偶都與巡檢儀相連，巡檢儀又與電腦相連，測得的溫度可以實時儲存、讀取，為防止測溫時熱電偶擾亂空氣流場，將熱電偶測溫頭位于據(jù)喇叭口平面上方50 mm處?；鹧婷嬷械腘O、CO含量采用德國AFRISO公司生產(chǎn)的MULTILYZER STe(M60)手持式煙氣分析儀測量，分辨率為10-3‰，測量范圍為0～4×10-3‰，精度為±10-3‰。

燃燒器采用自制的平焰燒嘴，燒嘴喇叭口直徑為120 mm，液化氣通道由3道螺旋溝槽組成，旋流數(shù)為1.76。

2 實驗方法

實驗采用四管切圓和三管切圓兩種布置方法。經(jīng)前期實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣管管數(shù)為2時，無法形成穩(wěn)定的火焰盤，燃燒溫度不均勻，燃燒情況很差，所以選擇了管數(shù)為3和4的空氣管布置。空氣管至燒嘴中心軸心距離(以下稱為空氣管距離)為x。兩種空氣管布置方式如圖2所示。

圖2 燒嘴空氣管布置及位置

對兩種布置方式下空氣管至燒嘴中心軸線距離x=0、20、40、60 mm的實驗結(jié)果進行對比分析，實驗工況如表1所示。每種工況實驗5次，實驗數(shù)值取5次的平均值。

表1 不同空氣管距離的工況設(shè)定

3 實驗結(jié)果與分析

表2所示為實驗后得出的數(shù)據(jù)，取各工況下各參數(shù)的最大值。

表2 不同布置方式實驗結(jié)果

3.1 火焰面特性

圖3所示為在不同空氣管距離下兩種布置方式的火焰面分布。從上至下分別對應(yīng)空氣管至燒嘴中心軸線x=0、20、40、60 mm的距離。

圖3 不同空氣管距離布置方式的火焰結(jié)構(gòu)

通過對兩種空氣管不同布置方式下火焰分布比較可以發(fā)現(xiàn)，兩種布置方式下的火焰都可以形成平展流火焰，從火焰形狀可以看出，燃燒火焰是一個具有一定厚度的圓盤，由于空氣動力場均勻，火焰的負壓區(qū)位于燒嘴的中心，其周圍為正壓，可維持整個燒嘴中心上方的微正壓，在平焰燃燒中心回流的作用下，燃氣流股被稀釋，與旋轉(zhuǎn)的高溫空氣混合，形成一個穩(wěn)定的燃燒面。

兩種布置方式下的火焰面會隨著空氣距離x的增加而擴大，燃氣和空氣混合位置逐漸遠離燒嘴中心，增大了燃燒面積，減小了局部高溫區(qū)面積，使燃燒區(qū)火焰分布更均勻。在空氣管距離x一定時，布置方式1的火焰圓盤面積較方式2更大，主要因為方式1的空氣管分布更合理，空氣動力場更均勻，高溫爐氣回流到焰心使平焰燃燒更穩(wěn)定。而方式2下的火焰更集中，火焰分布不均勻，容易造成局部高溫生成NO。

3.2 溫度分布規(guī)律

圖4所示為在不同空氣管距離下兩種布置方式的火焰溫度分布。從圖4可以看出溫度分布共同的規(guī)律：在中心回流區(qū)溫度較低，由軸心的最低值逐漸升高。在附壁射流區(qū)達到較高溫度，并且溫度比較均勻。兩種布置方式的火焰溫度分布規(guī)律基本相同，都是中心溫度低，周邊溫度高，呈“M”形分布，這是因為空氣旋流造成的負壓區(qū)，使回流的阻力減少，回流量增大，這種“回流”擠壓在旋流的中央，也促使氣流附壁，并造成平焰所有的雙峰形火焰隆起部分，這也是火焰溫度峰值部分。兩種空氣管布置方式下的火焰峰值溫度會隨著空氣管距離x的增加而下降，方式1的峰值溫度由653 ℃下降至396 ℃，而方式2峰值溫度由706 ℃下降至453 ℃，燃料燃燒過程相對較長，燃燒區(qū)溫度趨于均勻，降低了火焰面局部高溫，這有利于減少NO的排放[14]。同時在空氣管距離x一定時，方式1的峰值溫度較方式2略低，這是因為空燃比一定時，方式2中單個空氣管噴出的空氣流量更多，使溫度場的分布波動較大，燃燒溫度易集中。而方式1的空氣動力場更為均勻，氧氣的補充效果好，火焰溫度更均勻。

圖4 不同空氣管距離布置方式的各測點溫度分布

3.3 CO分布規(guī)律

圖5所示為不同空氣管距離下兩種布置方式的CO含量分布，隨著空氣管距離x增加，兩種布置方式下的CO濃度也在下降。根據(jù)以上現(xiàn)象，可以推斷隨著空氣管向燒嘴外沿移動，燃料的燃燒區(qū)域增大，這有利于CO繼續(xù)反應(yīng)，提高燃燒效率和減少CO含量排放，同時也利于降低峰值溫度進而降低NO排放。在空氣管距離x一定時，因兩種布置方式不同，燃燒區(qū)的空氣動力場也隨之變化，方式1的空氣分布更均勻，燃燒效果更好，因此燃燒區(qū)的中間產(chǎn)物CO濃度較方式2略低，有效提高燃燒效率和減少CO的排放。

圖5 不同空氣管距離布置方式的各測點CO分布

3.4 NO分布規(guī)律

平焰湍流燃燒一般會使燃燒溫度急劇上升，而溫度升高會造成NOx濃度大幅提高，因此降低氮氧化物的生成和排放是平焰湍流燃燒的研究重點。平焰燃燒生成的NOx，其主體部分為NO，可通過煙氣分析儀測量到NO濃度。

圖6所示為不同空氣管距離下兩種布置方式的NO含量分布，不同空氣管距離x下的燃燒溫度場和NO濃度場的分布規(guī)律基本一致，這是因為熱力型NO的產(chǎn)生主要受溫度影響，隨著溫度升高NO濃度也隨之增加。兩種布置方式下NO濃度分布曲線都有兩個峰值，兩個極值點分別對應(yīng)燃燒區(qū)峰值溫度的位置，但在燃燒區(qū)中空氣管布置方式2的NO濃度要略高于方式1，主要因為方式2的空氣管排布容易造成火焰集中，形成局部高溫區(qū)。同時隨著空氣管距離x的增加，兩種布置方式的NO濃度都在降低，這是因為增加空氣管距離x使燃燒區(qū)域擴大，空氣與燃氣混合更充分，燃燒組織更加合理，對于降低NO排放更有利。

圖6 不同空氣管距離布置方式的各測點NO分布

4 結(jié)論

建立了四周式空氣管切圓平焰燒嘴實驗?zāi)Ｐ?，采用高精度測試設(shè)備(熱電偶，綜合煙氣分析儀等)對燃燒區(qū)域的火焰面、溫度、CO和NO 濃度進行測定，重點分析了空氣管布置方式和位置對燃燒過程中火焰面、溫度、CO和NO 生成特性的影響，得到如下結(jié)論。

(1)兩種空氣出口布置方式都可形成平展流火焰，空氣旋流造成的負壓區(qū)，使回流的阻力減少，高溫爐氣回流到焰心，擠壓在旋流的中央，也促使氣流附壁，使燃燒穩(wěn)定。

(2)四管切圓布置方式與三管切圓布置方式相比，空氣回流的阻力減少，回流量增大，燃燒區(qū)域增加，平焰燃燒更穩(wěn)定。

(3)隨著增大空氣管至平行燒嘴軸線距離，火焰面逐漸擴展，溫度分布更均勻，峰值溫度不斷降低，NO和CO濃度也隨之減少。

(4)在相同的空氣管距離下，四管切圓的布置方式相比于三管切圓火焰面擴大、燃燒區(qū)域增加、分布更均勻，且峰值溫度、CO和NO排放量較后者布置方式略低。