液化石油氣無焰燃燒的實驗研究

謝斌

摘 要：無焰燃燒是高效率低污染燃燒領域近些年最重要的發(fā)現(xiàn)之一，可以達到節(jié)能降耗的目的，從源頭上強化節(jié)能減排，在工業(yè)過程中有廣泛的應用前景。本文搭建了液化石油氣燃燒測試實驗臺，通過調整空氣、燃料的參數(shù)獲得了液化石油氣在不預熱條件下的無焰燃燒狀態(tài)，測得燃燒器內平均在970℃左右，整體溫度分布均勻，CO與NOx在達到無焰燃燒狀態(tài)后的濃度較低，整體符合無焰燃燒低污染的特性。

關鍵詞：液化石油氣無焰燃燒溫度場污染物

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)有焰燃燒化學反應集中在比較狹小火焰面上進行，容易造成爐膛內部溫度分布不均勻，燃燒火焰面溫度高，導致了熱力型NOx的大量生成。無焰燃燒特點是爐膛透亮，反應發(fā)生在一個寬廣的區(qū)域，反應充滿整個爐膛，火焰體積成倍增加，擁有更均勻的溫度場以及沒有明顯火焰鋒面，燃燒發(fā)生在低氧環(huán)境中[1-3]。在無焰燃燒過程中，燃燒生成的煙氣不會立刻排出爐膛，相反的，大部分煙氣借助爐膛內部的流動結構設計，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。

無焰燃燒最初發(fā)展的目的是為了抑制燃燒器燃燒時NOx形成的熱機理，通過無焰燃燒技術，可以保持NOx排放在規(guī)定水平以內。該技術現(xiàn)已應用于多個行業(yè)，例如鋼鐵行業(yè)。無焰燃燒是最有前途的技術之一，它可以滿足嚴格的規(guī)范，未來它甚至可以降低燃氣輪機污染和提高燃氣輪機效率。無焰燃燒現(xiàn)象早在數(shù)十年前就發(fā)現(xiàn)了，但目前的認識仍然有限，因此，對無焰燃燒的研究是對燃燒領域的重要知識貢獻[4-5]。無焰燃燒反應速率低、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。因此，無焰燃燒是高效率低污染燃燒領域近些年最重要的發(fā)現(xiàn)之一[6-8]。

氣體無焰燃燒研究者認為要實現(xiàn)無焰燃燒需要2個條件[9-11]：第一是需要將燃料或者助燃空氣預熱到高溫，第二是燃料在燃燒前要被煙氣稀釋。因此，在燃燒器設計中，要將燃料和助燃空氣的噴嘴布置的較遠，導致無焰燃燒系統(tǒng)復雜，且燃燒過程不穩(wěn)定。在后來的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)常溫空氣也可以實現(xiàn)無焰燃燒，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)場及實驗室一般使用高速射流來達到稀釋與卷吸燃料，即氣體的入射速度較高。同時，在實際應用過程中，還需要對整個爐膛有較好的保溫，保證燃燒條件。[12-13]。

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

1 實驗設計

本項目設計及搭建的實驗平臺如圖1所示。液化石油氣從儲氣瓶中由管道先經(jīng)過油水分離器，氣體減壓閥，熱式質量流量計，再經(jīng)過壓力變送器，然后經(jīng)過回火防止器，最后通過噴嘴進入到爐膛?？諝庥娠L機提供，經(jīng)過壓縮空氣精密過濾器、氣體減壓閥、熱式質量流量計、壓力變送器、回火防止器，最后通過噴嘴進入到爐膛。燃料與空氣在爐膛中混合后燃燒，燃燒后的煙氣經(jīng)過套筒出口直接排放到大氣中。

無焰燃燒燃燒爐長度為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以加強爐膛的保溫效果，在燃燒過程中保持爐膛內煙氣溫度高于自燃點。

實驗通過熱式質量流量計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。測溫點分布如圖2所示，中軸線上每隔5cm測量一個點，燃燒時爐內溫度脈動較低且溫度不高，所以時間平均溫度使用K型熱電偶記錄無焰燃燒狀態(tài)下的溫度分布，當每分鐘溫度的變化小于1.5K時，開始采集溫度，采集至少3min，并依此時間平均值作為平均溫度的測量值。

煙氣組分以TESTO350XL型便攜式煙氣分析儀測量。該煙氣分析儀可測量O2、CO2、NO、NO2、和CO2的組分體積分數(shù)。燃燒產物在到達測量感測元件前需經(jīng)過冷卻處理。

2 實驗結果及討論

液化石油氣無焰燃燒實驗操作步驟：先通空氣，點火器在爐膛前壁處持續(xù)點火，打開燃氣閥，直到點火成功。觀察火焰，增大空氣量，保持僅存在少量藍色火焰，進行升溫操作。調節(jié)燃氣量與空氣量。每次調節(jié)后觀察火焰，保持通透橙黃的火焰，使壁面溫度快速升溫。當流量與壓力為表1所示工況1時，實驗圖像如圖3（a）所示。繼續(xù)調整實驗工況，當空氣量提升到10m3/h時，爐膛進入無焰燃燒狀態(tài)，提升到12m3/h時徹底達到無焰燃燒狀態(tài)，燃燒圖像如圖3（b）所示。

圖4為液化石油氣與甲烷達到無焰燃燒狀態(tài)后的軸向溫度分布，液化石油氣無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℃?？傮w爐膛內溫度分布較為均勻，軸向溫度波動較低，最高溫度低于1200℃。較低的爐膛溫度對控制氮氧化物較為有利。

表2 液化石油氣無焰燃燒狀態(tài)下煙氣濃度

表2為液化石油氣無焰燃燒狀態(tài)下的煙氣分析表，可以看出，當燃燒達到無焰燃燒后，氧氣濃度在15% 以內，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，這符合無焰燃燒低污染的特點。

在實驗過程中判斷燃燒是否處于無焰燃燒狀態(tài)，在本研究采用了前人無焰燃燒判斷方法[14-16]，判斷方法如下：（1）燃燒火焰呈淡藍色或無明顯火焰;（2）爐膛內溫度分布均勻，即判斷溫度均勻性的溫度波動比值小于15%;（3）煙氣CO與NOx 的質量分數(shù)低于100×10-6。

對比有焰燃燒技術與無焰燃燒技術，有焰燃燒技術的液化石油氣燃燒溫度最高能達到1800℃以上，實驗使用無焰燃燒技術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，這是因為氣體剛從噴嘴噴射出來時，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，燃料與空氣進行反應，氣體開始燃燒并變得越來越劇烈，所以溫度逐漸升高;而后由于達到了無焰燃燒狀態(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。實驗中的無焰燃燒狀態(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)過上述特征判定，本文實現(xiàn)了液化石油氣無預熱條件的無焰燃燒狀態(tài)。

3 結語

（1）本文搭建了液化石油氣測試平臺，通過調整燃料及空氣參數(shù)，獲得了液化石油氣無焰燃燒狀態(tài)。

（2）通過溫度測量可以看出，爐膛中軸線溫度呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，出口處溫度下降較大，這是因為燃燒器是整體開放式，熱平衡較為不穩(wěn)定。實驗使用無焰燃燒技術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的產生，減少污染物的排放。

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

參考文獻

[1] 李鵬飛，米建春，王飛飛，等.MILD燃燒的最新進展和發(fā)展趨勢[J].中國科學：技術科學，2011，41（2）：135-149.

[2] 李鵬飛.氣體燃料MILD燃燒的實驗和模擬研究[D].北京：北京大學，2013.

[3] Cano Ardila Fabián E. Obando Arbeláez Julian E. Amell Arrieta Andrés A. Emissions and dynamic stability of the flameless combustion regime using hydrogen blends with natural gas[J]. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 46（1）：1246-1258.

[4] 胡乃俊.丙烷MILD燃燒特性實驗與模擬研究[D].杭州：浙江大學，2020.

[5] 李鵬飛，王飛飛，米建春，等.當量比和初始混合模式對無焰燃燒的影響[J].工程熱物理學報，2011，32（9）：1592-1596.

[6] 崔玉峰，呂煊，徐綱，等.無焰燃燒模型燃燒室動態(tài)特性分析[J].中國科學：技術科學，2010，40（9）：1044-1051.

[7] 艾元方，蔣紹堅，周孑民，等.高風溫無焰燃燒及其火焰特性的實驗研究[J].熱能動力工程，2001（6）：615-617-680.

[8] 朱彤，吳家正，馮良，等.高溫空氣低燃氣濃度燃燒過程的數(shù)值模擬研究[J].工程熱物理學報，2005（S1）：277-279.

[9] 蒼大強，關運澤，毛一心，等.高溫空氣燃燒技術的超低NO_x研究[J].燃燒科學與技術，2003（2）：190-193.

[10] 劉穩(wěn).低揮發(fā)分碳基燃料無焰燃燒及NOx生成特性實驗研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院工程熱物理研究所），2020.

[11] 伍永福，武殿斌，董云芳，等.常溫空氣非對稱射流MILD燃燒特性實驗研究[J].熱科學與技術，2018，17（1）：49-54.

[12] 王奔.H2/CH4射流MILD燃燒的數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江大學，2019.

[13] A Cardona Vargas，Cardona Vargas A，Valencia D， et al. Combustion of a hydrogen/carbon monoxide/carbon dioxide mixture in hot and diluted streams[J]. Journal of Physics： Conference Series，2020，1708（1）：012013.

[14] Amaduzzi Ruggero， Ferrarotti Marco， Parente Alessandro. Strategies for Hydrogen-Enriched Methane Flameless Combustion in a Quasi-Industrial Furnace [J]. Frontiers in Energy Research， 2021， 4（5）：590-612.

[15] 胡乃俊，周俊虎，曹欣玉.預熱空氣溫度對丙烷無焰燃燒特性的影響[J].能源工程，2021，4（1）：15-22.

[16] Huang Mingming， Li Ruichuan， Xu Jikang， et al. Effect of thermal input， excess air coefficient and combustion mode on natural gas MILD combustion in industrial-scale furnace[J]. Fuel， 2021， 302（5）：121179.

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