全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器燃燒特性研究

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院暖通空調(diào)及燃?xì)庋芯克?董勁松 馮良 魯泓

0 引言

據(jù)美國(guó)《油氣雜志》資料顯示，2010年全球天然氣產(chǎn)量達(dá)到3.18 萬(wàn)億m3，天然氣在世界一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重已經(jīng)達(dá)到24%，在時(shí)代和全球背景下，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已是大勢(shì)所趨。天然氣作為清潔能源，當(dāng)前備受推崇，未來(lái)大有成為工業(yè)燃料頂梁柱之勢(shì)。

熱風(fēng)發(fā)生器由于溫度控制精度高、升溫速度快的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)熱源升級(jí)換代的首選產(chǎn)品，它通過(guò)燃料在燃燒器中充分燃燒，把空氣加熱到一定溫度送出去，在烘干、涂裝、固化等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

全預(yù)混燃燒是一種優(yōu)越的燃?xì)馊紵绞?，燃?xì)馀c空氣預(yù)先混合均勻，燃燒過(guò)程瞬時(shí)完成，火焰很短甚至看不見(jiàn)，不需要二次空氣，火焰只有一個(gè)燃燒面，加熱效率高，同時(shí)加熱設(shè)備中可以布置更多的傳熱表面，因此全預(yù)混燃燒器更加節(jié)能，排放性能卓越。全預(yù)混燃燒熱風(fēng)發(fā)生器可以充分利用天然氣優(yōu)質(zhì)清潔能源的優(yōu)勢(shì)，不僅比傳統(tǒng)燃料燃燒熱風(fēng)發(fā)生器節(jié)能減排，還可以實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，且需要的燃燒空間小，能更好地滿(mǎn)足現(xiàn)代工藝對(duì)熱風(fēng)發(fā)生器的需要，是發(fā)展高效節(jié)能熱源的一項(xiàng)重要手段。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器的燃燒特性，研究火焰穩(wěn)定范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)量和熱負(fù)荷的變化對(duì)污染物排放和熱風(fēng)溫度的影響，并找出規(guī)律，為以后設(shè)計(jì)高效低污染的全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器做參考。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

(1)燃?xì)庥?jì)量：采用PG4(S)脈沖燃?xì)獗碛?jì)量燃?xì)饬髁?，額定壓力為50 kPa，流量為1 L/r，最大量程6 m3/h，最小量程40 dm3/h。

(2)壓力計(jì)量：采用U 型管氣壓計(jì)測(cè)量燃?xì)馊肟趬毫Γ钚】潭葹? mm 水柱，量程為0～1 000 mm水柱。

(3)煙氣分析儀：采用KM9106 綜合煙氣分析儀。測(cè)量時(shí)，用冷卻盤(pán)管將煙氣冷卻后再接到煙氣分析儀探針上，且每隔一段時(shí)間，倒出盤(pán)管內(nèi)的冷水再繼續(xù)工作，以免冷凝水過(guò)多導(dǎo)致煙氣分析儀損壞。

(4)熱風(fēng)溫度測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分：

硬件：溫度采集使用E 型熱電偶；數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換使用ADAM—4018 和ADAM—4520 智能模塊；數(shù)據(jù)顯示使用MCGS 組態(tài)軟件編制監(jiān)控程序,具體的硬件配置結(jié)構(gòu)如圖1 所示：

圖1 熱風(fēng)溫度測(cè)量系統(tǒng)配置

軟件：利用MCGS 工控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)測(cè)試是對(duì)熱風(fēng)發(fā)生器進(jìn)行理論分析及實(shí)踐研究的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件下，根據(jù)系統(tǒng)流程圖搭建相應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖2 所示：

圖2 熱風(fēng)發(fā)生器工藝流程

3 金屬纖維全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器的試驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)風(fēng)量對(duì)污染物排放和熱風(fēng)溫度的影響；

(2)熱負(fù)荷對(duì)污染物排放和熱風(fēng)溫度的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器CO 排放量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3、圖4：

圖3 CO 體積濃度隨熱負(fù)荷的變化關(guān)系

圖4 CO 體積濃度隨風(fēng)量的變化關(guān)系

(2)全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器NOx排放量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5、圖6：

圖5 NOx體積濃度隨熱負(fù)荷的變化關(guān)系

圖6 NOx體積濃度隨風(fēng)量的變化關(guān)系

(3)全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器熱風(fēng)溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7：

圖7 熱風(fēng)溫度隨風(fēng)量的變化關(guān)系

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

3.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)由圖3 和圖4 可以看出，熱負(fù)荷和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化對(duì)CO 的生成產(chǎn)生了一定的影響。由CO 生成機(jī)理可知，影響煙氣中CO 含量的因素主要有溫度、氧含量及煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間。燃燒過(guò)程中，CO 是CO2的必然產(chǎn)物，所以降低煙氣中CO的濃度應(yīng)該是提供合適的條件使得CO 能夠快速完全轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物CO2，而不是抑制CO 的生成。

在過(guò)?？諝庀禂?shù)α=1.1，即空燃比接近化學(xué)計(jì)量比時(shí)，火焰溫度很高，易生成CO，但是燃?xì)夂涂諝饣旌喜痪鶆?，使得反?yīng)中大量中間產(chǎn)物CO 無(wú)法再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2，所以CO 排放量達(dá)到最大。隨著α 的增大，火焰中氧濃度隨之增大，CO 濃度降低，在α=1.5 時(shí)達(dá)到最小。

當(dāng)α>1.5 時(shí)，隨著空氣量的增加，火焰溫度逐漸下降，不利于CO 轉(zhuǎn)化為CO2，且燃燒產(chǎn)生的煙氣量也增多，煙氣在高溫區(qū)域停留的時(shí)間縮短，CO來(lái)不及同高溫區(qū)域的O、OH 和H2O 等反應(yīng)生成CO2，就被排到大氣中，所以當(dāng)α>1.5 時(shí)，煙氣中CO 濃度隨過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大而增大。

該燃燒器正常工作時(shí)，其過(guò)?？諝庀禂?shù)遠(yuǎn)大于1.5，因此，CO 的排放濃度隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而增大。但由于空氣的稀釋作用，總的趨勢(shì)卻是CO濃度隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大而減小。

如前所述，溫度是CO 轉(zhuǎn)化為CO2過(guò)程的一個(gè)重要因素，隨著熱負(fù)荷的增加，燃燒室溫度升高，CO 含量也急劇增大。同時(shí)，隨著熱負(fù)荷的增大，煙氣流量加大，煙氣在高溫區(qū)域停留的時(shí)間相對(duì)減少，不利于CO 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO2。因此，總趨勢(shì)是隨著熱負(fù)荷的增大，CO 含量呈上升趨勢(shì)。

(2)由圖5 和圖6 可以看出，熱負(fù)荷和風(fēng)機(jī)風(fēng)量的變化對(duì)NOx的生成產(chǎn)生了一定的影響。根據(jù)NOx生成機(jī)理，影響NOx生成的因素主要有氧含量、局部高溫及煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間。

在α≈1.2 時(shí)，NOx排放量達(dá)到最大，這是燃燒溫度和氧分子濃度共同作用的結(jié)果，因?yàn)樘烊粴夂涂諝饣旌喜痪鶆颍沟脺囟炔痪鶆?，火焰局部溫度達(dá)到最大，又因?yàn)镹O 生成速率隨火焰溫度的升高按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，所以火焰溫度是決定溫度型NO生成速率的主要因素。因此，當(dāng)α≈1.2 時(shí)，煙氣中NOx濃度出現(xiàn)一個(gè)峰值。

當(dāng)α<1.2 時(shí)，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的減小，天然氣不能完全燃燒，化學(xué)熱得不到全部釋放，火焰溫度較低，且火焰中氧濃度也很低，所以導(dǎo)致溫度型NO 生成速率急劇下降。

當(dāng)α>1.2 時(shí)，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大，雖然火焰中氧含量增加，利于NO 的生成，但大量的空氣會(huì)導(dǎo)致火焰溫度下降，所以NO 生成速率降低，且由于煙氣量增大，氣流速度也相應(yīng)加快，縮短了煙氣在高溫區(qū)域的停留時(shí)間，不利于NO 的生成，此外，隨著過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大，火焰被拉伸，表面積相應(yīng)增大，散熱量增多，也會(huì)導(dǎo)致火焰溫度的下降，所以當(dāng)α>1.2 時(shí)，隨過(guò)剩空氣系數(shù)的增大，煙氣中NOx濃度逐漸減小。

該燃燒器正常工作時(shí)，其過(guò)?？諝庀禂?shù)遠(yuǎn)大于1.2，因此NOx的排放濃度隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增加而減少。此外，空氣的稀釋作用也是NOx減少的一個(gè)主要因素。

隨著熱負(fù)荷的增大，燃燒室溫度不斷上升，NOx的含量也急劇增加，但由于全預(yù)混在瞬間完全燃燒，火焰很短甚至看不見(jiàn)，減少火焰下游區(qū)域局部高溫點(diǎn)的形成，且隨著熱負(fù)荷的增大，煙氣流量增大，煙氣在高溫區(qū)域停留的時(shí)間也相應(yīng)減少，有利于抑制NOx的生成。但后者的影響遠(yuǎn)小于熱負(fù)荷增大所導(dǎo)致燃燒室溫度升高的影響，因此，總趨勢(shì)是隨著熱負(fù)荷的增大，NOx含量呈上升趨勢(shì)。

(3)熱風(fēng)溫度是衡量該燃燒器性能的重要指標(biāo)之一，它主要受燃燒器熱負(fù)荷及風(fēng)機(jī)風(fēng)量?jī)身?xiàng)指標(biāo)控制。由圖7 可以看出，一定風(fēng)機(jī)風(fēng)量下，隨著熱負(fù)荷的增大，煙氣量增大，燃燒室溫度升高，熱風(fēng)溫度也隨之增大。一定熱負(fù)荷下，隨著風(fēng)機(jī)風(fēng)量的增大，熱風(fēng)溫度也隨之降低。

(4)由圖4、6、7 和上述分析可知，該熱風(fēng)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在過(guò)剩空氣系數(shù)過(guò)大的情況下，燃燒過(guò)程仍然正常。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)誤差分析

3.3.2.1 煙氣組分濃度測(cè)量的誤差分析

本實(shí)驗(yàn)采用KM9106 綜合煙氣分析儀對(duì)煙氣組分進(jìn)行測(cè)量，相應(yīng)的組分誤差分析如表1：

表1 KM9106 綜合煙氣分析儀技術(shù)參數(shù)

3.3.2.2 溫度測(cè)量的誤差分析

本實(shí)驗(yàn)中，溫度采用E 型熱電偶測(cè)量，該熱電偶經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后誤差范圍為士1～2℃，最大相對(duì)誤差為0.54%，所以溫度測(cè)量能夠滿(mǎn)足測(cè)量精度要求。

3.3.2.3 流量測(cè)量的誤差分析

實(shí)驗(yàn)采用的PG4(S)脈沖燃?xì)獗?，測(cè)量精度為士1%，最大絕對(duì)測(cè)量誤差0.06 m3/h。實(shí)驗(yàn)中燃?xì)獾脑O(shè)計(jì)測(cè)量范圍為2.28～4.27 m3/h，在5%的相對(duì)誤差要求下，允許可達(dá)到的絕對(duì)誤差為0.2 m3/h，可見(jiàn)該流量計(jì)可以滿(mǎn)足燃?xì)饬髁康臏y(cè)量要求。

3.3.2.4 其它誤差環(huán)節(jié)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除儀器的測(cè)量誤差之外，還可能存在由于操作或其它一些不可避免的因素所造成的誤差。其中主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)燃?xì)饬髁康臏y(cè)量是通過(guò)計(jì)算單位流量燃?xì)馑脮r(shí)間，所用秒表也可能存在一定誤差，此外，由于人的反應(yīng)靈敏度不同，也會(huì)存在人為誤差；

(2)由于實(shí)驗(yàn)條件限制，熱風(fēng)溫度并不是完全均勻，因此熱電偶位置的布置會(huì)對(duì)熱風(fēng)溫度測(cè)量有一定的影響；

(3)管道和燃燒器難以完全密封，由此帶來(lái)的氣體泄漏可能對(duì)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的計(jì)算產(chǎn)生一定的影響；

(4)實(shí)驗(yàn)中的銅制取樣管、冷凝盤(pán)管和橡膠導(dǎo)管等可能吸收一部分煙氣中的CO 和NOx，造成測(cè)量值偏??；

(5)煙氣取樣管的位置也會(huì)對(duì)煙氣成分分析造成一定影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)主要研究熱風(fēng)發(fā)生器的工作特性，分析熱負(fù)荷和風(fēng)量對(duì)NOx、CO 的排放及熱風(fēng)溫度的影響，并總結(jié)其工作規(guī)律，為以后設(shè)計(jì)高效低污染的全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器做參考。