過量空氣系數(shù)對弛放氣基本燃燒特性影響的研究*

張 銳，趙筱赫

（河南機電高等專科學(xué)校電氣工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 引言

能源的貧乏和環(huán)境的惡化現(xiàn)在已成為全球性的問題，化石能源的大量應(yīng)用，帶來了嚴(yán)重的環(huán)境惡化，而且還面臨更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。因而，各個國家、各個工業(yè)部門都在尋求資源消耗少、能源轉(zhuǎn)化效率高、總體排放少的系統(tǒng)。近來以煤氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)成為能源行業(yè)的熱點話題［1］。

我國是煤炭生產(chǎn)第二大國，煤炭消費第一大國，也是當(dāng)今世界上大氣環(huán)境污染最嚴(yán)重的國家。大氣污染屬煤煙型污染，煤炭的使用是大氣污染的主要來源，所以能源問題面臨資源與環(huán)境的雙重壓力［2］。在這種情況下，多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)將會在我國未來的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。在多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，電力不是唯一的產(chǎn)品，原料氣需要用于制備其他化工產(chǎn)品，而用于發(fā)電的是化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的弛放氣和剩余粗煤氣［3］。

2 弛放氣

用于發(fā)電的弛放氣，它的成分會隨著化工生產(chǎn)方式的不同而出現(xiàn)不同的物理、化學(xué)特性，而且溫度、壓力、流量等參數(shù)也會隨之發(fā)生變化。因此為了保證燃?xì)廨啓C的穩(wěn)定正常運行，需要對弛放氣的基本燃燒特性進行研究［4］。

弛放氣目前并沒有明確的定義，一般是指化工過程中未被充分利用而放空的多組分氣體(如生產(chǎn)合成氨、甲醇的過程中排出的氣體)。它因工藝過程及系統(tǒng)的運行狀況的差異而呈現(xiàn)出了多變性與復(fù)雜性。其主要成分有:H2、CH4、CO、CO2、N2。另外因工藝不同還可能含有 NH3、CmHn或一些醇類、醚類、酯類［5，6］。

由于受到一些條件的限制，經(jīng)過查找一系列資料，最終把實驗工質(zhì)定為由三種成分H2、CH4、CO混合來模擬弛放氣。

3 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)主要由燃燒系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、溫度測量和煙氣取樣與分析系統(tǒng)組成。燃燒室的容積較小，提高了燃燒室內(nèi)的溫度。在燃燒室外部圍上保溫層，防止燃燒室對外散熱太快，布置了6個溫度測點、3個煙氣測點和一個點火孔。采用了配氣裝置。

燃燒系統(tǒng)主要包括:燃燒室、保溫層、支架、燃燒器等部分組成。燃燒室由剛玉管加工制成，剛玉管的直徑為70mm，長為800mm，燃燒室按軸向豎直安裝在支架上，燃燒器為擴散燃燒器，安裝在燃燒室底部中央，燃燒器中心軸與燃燒室中心軸重合。燃燒室為一圓柱體，底部中心軸布置燃燒器，燃燒器出口平面與燃燒室底面在同一水平面上，燃燒產(chǎn)生的煙氣從燃燒室頂部排入大氣。在距燃燒器出口平面距離為100mm、140mm、180mm、220mm、300mm、380mm 的六個平面上，以燃燒室軸線為對稱軸，在燃燒室軸線上及燃燒室軸線兩側(cè)分別以距中心軸距離為5mm、15mm、25mm的半徑方向上，測量在不同過量空氣系數(shù)下燃燒室內(nèi)的溫度分布規(guī)律;在距燃燒器出口平面距離為380mm、460mm、540mm的三個平面上測O2、CO2、NOx的濃度分布規(guī)律。

空氣供給系統(tǒng)由空氣壓縮機、減壓閥、玻璃轉(zhuǎn)子流量計、調(diào)節(jié)氣閥、空氣導(dǎo)管等組成。燃料供給系統(tǒng)的組成為:氫氣氣瓶、一氧化碳?xì)馄?、甲烷氣瓶、減壓閥、質(zhì)量流量計、質(zhì)量流量顯示儀和導(dǎo)管等組成。溫度測量和煙氣取樣分析系統(tǒng)主要由取樣探針、煙氣分析儀、熱電偶、溫度補償導(dǎo)線和溫度記錄儀等組成。

弛放氣燃燒特性實驗研究的系統(tǒng)圖如圖1所示:燃?xì)夂涂諝膺M入燃燒器在燃燒室內(nèi)燃燒，燃?xì)獾牧髁坑少|(zhì)量流量計控制，燃燒后的煙氣經(jīng)燃燒室頂部排入大氣。燃燒室的溫度分布由熱電偶和溫度記錄儀獲得，燃?xì)馊紵笕紵覂?nèi)燃燒產(chǎn)物的濃度分布由煙氣分析儀測量。

圖1 弛放氣燃燒實驗系統(tǒng)圖

4 實驗條件

根據(jù)查閱資料和文獻等一些途徑，經(jīng)過不斷的比較，總結(jié)出來大部分馳放氣的組成中H2含量一般在60%以上。本實驗把燃?xì)庵械腍2、CO和CH4按體積百分比為70%、10%和20%來進行配置，用此混合氣模擬弛放氣，流量由流量計控制。燃?xì)饬髁繛?m3/min，其中 H2的流量是 3.5L/min，CH4的流量是 1L/min，CO 的流量是0.5L/min，過量空氣系數(shù) α 取0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。當(dāng)燃燒室內(nèi)的溫度場達到穩(wěn)定后［7］，開始測量并記錄數(shù)據(jù)。

5 實驗結(jié)果及分析

本次實驗，在上述過量空氣系數(shù)下，測試在燃燒室內(nèi)距燃燒器不同平面上的溫度分布，并且分析過量空氣系數(shù)對燃燒室內(nèi)燃燒溫度的影響。具體的實驗工況見表1，當(dāng)燃燒室內(nèi)的溫度場達到穩(wěn)定后，開始測量并記錄數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果見圖2～7。

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5.1 過量空氣系數(shù)對弛放氣燃燒溫度的影響

從以上的實驗數(shù)據(jù)分布圖2～4可以得出以下的結(jié)論:

1)在不同過量空氣系數(shù)下，燃燒室溫度在其軸向距離100mm處的中心軸附近下降尤為顯著，靠近燃燒室壁面附近下降變緩。軸向距離100mm處徑向－15mm到15mm的范圍內(nèi)是高溫區(qū)。燃燒室出口處的溫度一般在500℃以上，出口溫度沿徑向變化不大。

2)在過量空氣系數(shù)α=0.8時，軸向距離100mm處中心軸線左右20mm范圍內(nèi)有兩個火焰峰值。過量空氣系數(shù)α=1.0時，燃燒室溫度峰值出現(xiàn)在偏離中心軸線5mm處。這兩種情況下溫度最高點并不是出現(xiàn)在中心軸線上，而是偏離了軸線，經(jīng)分析和觀察是燃燒不穩(wěn)定以及外界的干擾使火焰向該方向發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。過量空氣系數(shù)α=1.2時，燃燒室溫度峰值出現(xiàn)在中心軸線左右的位置上，說明氣體在燃燒過程中受到外界干擾很小。

3)溫度隨燃燒室高度的升高而逐漸降低，在軸向距離100mm和300mm之間溫度變化較大，而且300mm到380mm之間溫度下降較大，這說明火焰長度大約在100mm至300mm之間。見圖2～4。

4)在燃燒室內(nèi)距燃燒器不同的高度上，燃燒室中心軸線上的最高溫度并不是出現(xiàn)在過量空氣系數(shù)α=1.0的工況下，而是在α=0.8時燃燒室內(nèi)中心軸線上溫度達到了最高值，這說明易于燃燒的H2在α=0.8的時刻先燃燒，釋放出了大量的熱量，同時由于受到外界因素的影響火焰發(fā)生了晃動。α=1.2時爐膛內(nèi)的溫度基本比其他兩種過量空氣系數(shù)的值低，這是由于過量空氣系數(shù)較大，進入了大量不參與燃燒反應(yīng)的冷空氣的緣故。

5.2 過量空氣系數(shù)對弛放氣燃燒產(chǎn)物的影響

從以上的實驗數(shù)據(jù)分布圖5～7總結(jié)出如下規(guī)律:

1)由圖5可得出以下結(jié)論，在不同過量空氣系數(shù)下，O2濃度隨著軸向距離的增加而增加，隨著過量空氣系數(shù)的增加而增加。在過量空氣系數(shù)α=0.8～0.95之間，O2濃度增加較快，在過量空氣系數(shù)α=0.95～1.05之間，O2濃度的增加速度變緩。O2濃度的增長趨于零，這是由于氧氣在這個范圍內(nèi)基本上完全參與燃燒反應(yīng)了。過量空氣系數(shù)相同時，O2濃度隨著軸向距離的增加而增大。這是由于在燃燒室底部，燃燒室溫度高，燃燒強烈，O2消耗量大，而隨著軸向距離的增加，漸漸遠(yuǎn)離火焰中心，燃燒強度減弱，燃燒室的溫度逐漸降低，同時射流中的燃?xì)獾牧侩S著軸向距離的增加而漸漸降低，對應(yīng)的O2消耗量也漸漸降低，同時由于燃燒室頂部密封不嚴(yán)，所以隨著軸向距離的增加O2濃度逐漸增大。

2)由圖6可得出以下結(jié)論，CO2濃度在α=0.95～1.05之間出現(xiàn)峰值，峰值之前其濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加而較快的增加，峰值之后其濃度隨著 的增大而逐漸降低。對應(yīng)圖5中O2濃度隨過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律，可看出峰值之前CO2濃度比較低是由于空氣量不足，燃燒不充分，這個時候CO的濃度較高而CO2濃度較低，CO2濃度在 α =0.95～1.05之間出現(xiàn)峰值，說明燃?xì)庠讦?0.95～1.05時完全燃燒，峰值之后，燃?xì)饣旧先紵耆?，但是同時由于過量空氣的稀釋，使得其濃度下降。

3)由圖7可得出以下結(jié)論，NOx的濃度在α=1.05左右出現(xiàn)谷值，在谷值之前其濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加下降較快，這主要是因為燃?xì)庵泻蠧H4，在低過量空氣系數(shù)時甲烷過濃燃燒生成了快速型NO所致(主要反應(yīng)機理為CH4分解成CH、CH2和C4等基團，它們破壞了空氣中N2分子鍵而在火焰鋒面上形成了快速型NO)。在谷值之后其濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加而增加，在α=1.1時出現(xiàn)峰值，這是由于生成溫度型NO的結(jié)果。在峰值之后由于溫度降低和空氣的稀釋使得NOx濃度隨著過量空氣系數(shù)的增加降低。

爐膛出口處的NOx濃度在α=1.1時出現(xiàn)峰值，在α=1.05時出現(xiàn)一個谷值。在α=1.0之前，屬于過濃燃燒，由于燃?xì)饫锖蠧H4，燃燒生成了P－NO，隨著α的增加，P－NO的生成量減少，這時燃燒室溫度還不太高，在谷值附近還沒有生成T－NO，所以NOx濃度下降。在α=1.05時，即從谷值開始，燃燒室溫度較高，這時開始生成T－NO，使得NOx濃度升高，并且在α=1.1時濃度出現(xiàn)一峰值，在峰值之后，由于空氣和其他燃燒產(chǎn)物的稀釋作用，其濃度又逐漸降低。

6 結(jié)論

本文通過實驗研究，得到了關(guān)于過量空氣系數(shù)對弛放氣燃燒溫度和燃燒產(chǎn)物影響的一些結(jié)論。

1)通過實驗的方法，得到了各個實驗工況時燃燒室內(nèi)弛放氣的燃燒溫度場。在燃燒室內(nèi)，燃燒溫度沿徑向逐漸下降，除了燃燒室壁面附近，燃燒室內(nèi)其他地方沿軸向逐漸下降。在過量空氣系數(shù)α=0.8～1.2的范圍內(nèi)，燃燒室內(nèi)的溫度總體上沿徑向和軸向逐漸下降，燃燒溫度在距燃燒器出口300mm之間的范圍內(nèi)比較高，在靠近燃燒室出口處溫度下降明顯，一般在550℃左右，說明弛放氣燃燒溫度的高溫區(qū)主要集中在火焰附近的區(qū)域內(nèi)。

2)在過量空氣系數(shù) α=0.8～1.2的范圍內(nèi)，O2濃度沿軸向逐漸增加，在α=0.95～1.05的范圍內(nèi)，O2濃度沿軸向增加變緩，在α＞1.05后，O2濃度沿軸向增加速度又變快，O2濃度隨過量空氣系數(shù)的增加而增加。CO2濃度先升高后降低，在α=1.0附近其濃度出現(xiàn)峰值。NOx濃度在α=1.05時出現(xiàn)谷值，在谷值前其濃度下降顯著，谷值后其濃度降低速度變稍緩。在燃燒室出口處，O2濃度先降低后上升，在α=0.95時O2濃度出現(xiàn)谷值，CO2濃度先上升后降低，在α=0.9時出現(xiàn)峰值。NOx濃度在出口處最低，在α=1.05附近時出現(xiàn)谷值。

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