位移鈍體穩(wěn)燃的湍流預(yù)混火焰污染物生成特性

韓徳琳，張 海，張 揚(yáng)，呂俊復(fù)，王隨林

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.清華大學(xué)能源與動力工程系熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室，北京 100084)

貧預(yù)混燃燒是一種極具潛力的低氮燃燒技術(shù).貧預(yù)混燃燒過程通常工作在較低的當(dāng)量比(Φ 為0.6～0.8)條件下，火焰溫度低，所以可以極大地降低NOx的排放，但是存在燃燒不穩(wěn)定的問題.鈍體穩(wěn)燃是一種工程上常常使用的提高預(yù)混火焰穩(wěn)定性的方式.鈍體可以在其下游產(chǎn)生高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，從而提供一個穩(wěn)定的低速區(qū)和高溫點火源，維持了火焰的穩(wěn)定.同時因為鈍體引發(fā)的回流煙氣對燃燒過程進(jìn)行了稀釋，抑制了NOx的生成.

由于貧預(yù)混鈍體燃燒在控制NOx方面具有優(yōu)勢，近年來不少學(xué)者都對貧預(yù)混燃燒以及鈍體燃燒的NOx生成規(guī)律開展了研究.Cho 等[1]發(fā)現(xiàn)了在極貧燃條件下加入氫氣能夠極大地提升甲烷燃燒的穩(wěn)定性，同時也可以降低NOx的排放.Yilmaz 等[2]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了合理調(diào)整湍流強(qiáng)度可以降低 NOx排放.劉聯(lián)勝等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨著甲烷和空氣燃燒當(dāng)量比的增大，NOx排放逐漸增加，而CO 排放逐漸減少.石黎等[4]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，通過增大甲烷和空氣預(yù)混燃燒空氣入口的壓力，會使NOx排放量升高.Rutar 等[5]、Bengtsson 等[6]和Ouali 等[7]分別研究了停留時間、溫度、壓力、當(dāng)量比等參數(shù)對貧預(yù)混燃燒過程 NOx生成的影響，得到了較為一致的結(jié)論.Dutka 等[8]研究了鈍體噴槍位置對甲烷和氫氣燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)通過合理控制燃燒器鈍體噴槍位置可以顯著減少NOx生成.Cai 等[9]通過三維數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)了增加鈍體可以使NOx生成降低39.1%，但也有可能增加CO 生成.Umyshev 等[10]研究了在矩形燃燒室中兩個V 型鈍體間距對NOx排放的影響，發(fā)現(xiàn)NOx的排放量嚴(yán)重依賴于兩個鈍體之間的距離.Lovett 等[11]發(fā)現(xiàn)鈍體產(chǎn)生的回流可以提供強(qiáng)烈的再循環(huán)和混合，有利于減少NOx生成.Tong 等[12]研究了不同直徑鈍體對流場和污染物生成的影響，發(fā)現(xiàn)外回流區(qū)位置受鈍體尺寸影響，鈍體越小，火焰越短，火焰越會向上游傳播，CO 排放水平越高.Handawy 等[13]研究了部分預(yù)混湍流火焰在鈍體燃燒器中的污染物生成，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比增加，火焰平均溫度升高，CO 濃度逐漸下降，NOx排放略有增加.Dutka等[14]通過開展帶有中心鈍體的25 kW 貧預(yù)混燃燒器實驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比的減小會減少NOx生成.

通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分貧預(yù)混燃燒研究都局限在有限的燃燒熱功率范圍內(nèi)，多數(shù)鈍體燃燒器的鈍體位置固定.在實際應(yīng)用場景中，燃燒過程熱功率變化較大.熱功率變化時，由于燃料和空氣流量的變化，會使得射流出口的速度產(chǎn)生較為顯著的變化，改變局 部的摻混和回流，進(jìn)而顯著影響污染物的生成.因此，在燃燒熱功率變化較大的情況下，保持較低 的NOx和CO 排放水平，是目前工業(yè)界急需解決的問題.

針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于位移鈍體的貧預(yù)混燃燒方法.通過鈍體的移動達(dá)到控制射流出口流速的目的.本文將通過實驗研究，對位移鈍體貧預(yù)混燃燒的工況進(jìn)行優(yōu)化.本文的結(jié)論將對實際工業(yè)燃燒器的設(shè)計提供理論和數(shù)據(jù)指導(dǎo).

1 實驗方法

1.1 燃燒器及位移鈍體

圖1 為本文所設(shè)計的基于位移鈍體的單管燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖.該單管燃燒器由空氣入口段、燃料入口段、預(yù)混段以及鈍體和噴嘴出口組成.空氣從下方空氣入口進(jìn)入后與從燃料入口進(jìn)入的燃料進(jìn)行混合，通過上方的噴嘴及鈍體噴入燃燒室進(jìn)行燃燒.

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematics of the burner structure

圖2 為噴嘴和鈍體的詳圖，噴嘴以及鈍體的外傾角α 均為30°，鈍體可以通過下方的支桿進(jìn)行上下移動，其頂端距離下方底部距離為Hb，通過改變Hb的大小，可以控制噴嘴出口的環(huán)形面積，從而達(dá)到控制出口流速的目的.噴嘴出口的直徑為20 mm，出口錐段的長度為 8.5 mm，錐形鈍體最大截面直徑為8 mm.

圖2 噴嘴及位移鈍體Fig.2 Nozzle and displacement bluff body

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖3 所示，實驗系統(tǒng)的主體是由Al2O3纖維絕熱材料制成的方形燃燒室，高700 mm，截面為62 mm×62 mm.燃燒室前后墻開有石英觀察窗，用于獲取火焰的形態(tài).帶有位移鈍體的燃燒器安裝在燃燒室底部.

圖3 實驗系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of experimental system

甲烷和空氣氣瓶為實驗提供還原劑和氧化劑，為了保證實驗結(jié)果的精度，流量采用精度較高的音速噴嘴流量計進(jìn)行控制.按照設(shè)計工況，調(diào)節(jié)壓力表讀數(shù)，甲烷和空氣通入燃燒室混合腔內(nèi)進(jìn)行預(yù)混，然后通過燃燒器噴嘴噴入燃燒室進(jìn)行燃燒.

燃燒室側(cè)壁開有直徑14 mm 的孔，用來接入煙氣分析儀的取樣槍，其余煙氣通過風(fēng)機(jī)排到室外.煙氣中的O2、CO、NOx通過Testo 350 煙氣分析儀進(jìn)行測量和分析，測量值由煙氣分析儀示數(shù)穩(wěn)定2 min 后讀取.本文中CO 和NOx的濃度數(shù)值均已折算到3.5%O2濃度條件下的數(shù)值，與國標(biāo)GB 13271—2014保持一致.

實驗所用音速噴嘴與壓力表和Testo 350 煙氣分析儀測量量程及誤差如表1 所示.

表1 儀器測量量程及誤差Tab.1 Instrument measurement range and error

2 結(jié)果與討論

2.1 當(dāng)量比對燃燒污染物排放的影響

為了確定合適的當(dāng)量比，本文首先固定鈍體高度Hb和出口流速v，改變當(dāng)量比Φ，測量了當(dāng)量比變化對燃燒NOx和CO 生成的影響規(guī)律.實驗參數(shù)選取如表2 所示.所需當(dāng)量比應(yīng)當(dāng)在多種實驗工況(不同鈍體高度、不同出口流速)下均可保持較低的污染物排放和良好的燃燒穩(wěn)定性，經(jīng)過優(yōu)化，鈍體高度Hb選擇約為最大可移動高度的一半，流速v 根據(jù)經(jīng)驗尋優(yōu)，具體確定為控制鈍體的高度Hb為3.5 mm，噴嘴出口流速v 為15 m/s，通過改變空氣和甲烷的流量來調(diào)節(jié)當(dāng)量比范圍，為0.6～1.08.燃燒熱功率的變化范圍為1.8～3.2 kW.

表2 當(dāng)量比變化對污染物排放影響的實驗工況Tab.2 Parameters of the study of equivalence ratio effect on pollutant emission

由圖4 可以看出，當(dāng)量比在0.7～1.0 之間時，燃燒產(chǎn)物中CO 質(zhì)量濃度均小于1 mg/m3(低于儀器的檢出下限).當(dāng)量比在1.0～1.08 之間時，燃燒產(chǎn)物中CO 質(zhì)量濃度劇烈上升；當(dāng)量比為1.08 時，排放量達(dá)到6 000 mg/m3.當(dāng)量比在0.7～1.0 之間時，燃燒產(chǎn)物中NOx濃度隨著當(dāng)量比的增加呈逐漸上升趨勢；當(dāng)量比在1.0～1.08 之間時，燃燒產(chǎn)物中NOx濃度隨著當(dāng)量比增加有所下降.這與多數(shù)文獻(xiàn)中預(yù)混燃燒的結(jié)論一致.在貧燃側(cè)，氧氣充足，CO 可以完全消耗，隨著當(dāng)量比增加，火焰溫度增加，導(dǎo)致NOx不斷增加；在富燃側(cè)，氧氣不足，NOx的生成被抑制，同時不完全燃燒導(dǎo)致CO 質(zhì)量濃度顯著上升.當(dāng)當(dāng)量比為0.6 時，火焰出現(xiàn)了明顯的不穩(wěn)定，時有熄火現(xiàn)象的發(fā)生.

圖4 CO和NOx 排放量隨當(dāng)量比的變化Fig.4 CO and NOx emissions as a function of the equivalence ratio

通過分析可知，在當(dāng)量比為0.9 及以下時，CO 排放量為0 mg/m3和NOx排放量低于30 mg/m3，滿足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放標(biāo)準(zhǔn).綜合分析燃燒穩(wěn)定性以及CO 和NOx的排放，當(dāng)量比為0.7時，火焰穩(wěn)定且CO 和NOx排放均處在較低水平，因此在2.2 至2.4 節(jié)的分析中，當(dāng)量比取值均為0.7.

2.2 固定鈍體高度變熱功率對污染物排放的影響

多數(shù)鈍體燃燒器采用固定鈍體的設(shè)計.為了確定熱功率變化對燃燒器污染物排放的影響，本文首先固定鈍體高度Hb和當(dāng)量比Φ，改變?nèi)紵鞯臒峁β?，測量了不同熱功率工況下燃燒時CO 和NOx生成的影響規(guī)律.參數(shù)選取如表3 所示，控制鈍體高度Hb＝3.5 mm，當(dāng)量比Φ＝0.7，通過調(diào)節(jié)甲烷和空氣的流量來調(diào)節(jié)熱功率范圍為1～3.3 kW.流速的變化范圍為7～23 m/s.

表3 固定鈍體高度及不同熱功率對污染物排放影響的實驗工況Tab.3 Parameters of the study of the pollutant emission under variable thermal power at fixed bluff body

由圖5 可以看出，隨著熱功率的不斷增大，NOx排放量呈逐漸下降趨勢，因為隨著熱功率的增大，速度也會相應(yīng)升高，速度升高會減少煙氣在高溫區(qū)的停留時間，減少熱力型NOx的產(chǎn)生.CO 排放量隨著熱功率的增加呈不斷上升趨勢，因為熱功率增大導(dǎo)致流速的上升，停留時間減小，致使燃燒不完全，會有少量的CO 產(chǎn)生.綜合CO 和NOx排放的情況可知，流速在15 m/s 時，CO 和NOx排放量均處于最低點.因此可以預(yù)期，使用位移鈍體調(diào)節(jié)出口流速，使不同熱功率下的出口速度都保持在15 m/s 附近，將在較寬的功率范圍內(nèi)獲得較為良好的污染物排放性能.

圖5 CO和NOx 排放量隨熱功率的變化(固定鈍體高度)Fig.5 CO and NOx emissions as a function of the thermal power(fixed bluff body height)

2.3 變鈍體高度條件下不同熱功率對污染物排放的影響

為了在一定的出口氣流速度下研究燃燒熱功率對燃燒污染物排放的影響，本文首先固定噴嘴出口流速v 和當(dāng)量比Φ，通過改變位移鈍體的高度Hb，來保證出口的流速v 為定值，測量了在不同位移鈍體高度下變熱功率燃燒CO 和NOx的排放規(guī)律.參數(shù)選取如表4 所示，當(dāng)量比Φ＝0.7，通過調(diào)節(jié)甲烷和空氣的流量來調(diào)節(jié)熱功率P 范圍為1.1～4.1 kW，通過調(diào)節(jié)位移鈍體的高度來保證噴嘴出口的流速為 v＝15 m/s.位移鈍體高度Hb的變化范圍為2～6 mm.

表4 變鈍體高度及不同熱功率對污染物排放影響的實驗工況Tab.4 Parameters of the study of the pollutant emission under variable heating power and bluff body height

分析圖6 可以得出，在不同的熱功率下，保證出口氣流速度為15 m/s，則可在1.1～4.1 kW 范圍內(nèi)，CO 和NOx均保持較低濃度的排放，CO 維持在8 mg/m3以下，NOx維持在12 mg/m3以下，滿足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放標(biāo)準(zhǔn).因為在變鈍體高度及變熱功率的工況下，出口流速是不變的，此時由于流速達(dá)到既可以使煙氣在高溫區(qū)停留時間減少，也不會讓燃料由于流速過大而燃燒不完全，所以此時的流速是一個較佳的速度.

圖6 CO和NOx 排放量隨熱功率的變化(變鈍體高度)Fig.6 CO and NOx emissions as a function of thermal power(varied bluff body height)

實驗研究中還發(fā)現(xiàn)，在較高的燃燒熱功率(3.7 kW、4.1 kW)工況下，會產(chǎn)生類似于MILD 燃燒現(xiàn)象(如圖7 所示).在類似MILD 燃燒的情況下，燃燒較為均勻，看不到明顯的火焰鋒面，此時的CO 和NOx生成量均較低.

圖7 不同熱功率工況下火焰圖像Fig.7 Flame images under different thermal power conditions

3 結(jié)論

本次實驗采用位移鈍體加噴嘴形式的預(yù)混燃燒器，以甲烷和空氣作為燃料和氧化劑，研究在不同當(dāng)量比、熱功率以及在不同鈍體高度不同熱功率情況下CO 和NOx的排放規(guī)律.主要結(jié)論如下：

(1) 隨著當(dāng)量比的不斷增大，NOx排放量呈先上升后下降趨勢，當(dāng)量比在1 及以下時，CO 排放量(體積分?jǐn)?shù))穩(wěn)定在10-6以下(低于儀器檢出下限)，在當(dāng)量比為1～1.08 之間CO 排放量迅速上升.

(2) 在固定鈍體高度及變熱功率工況下，隨著熱功率的不斷增大，CO 的排放量呈不斷上升趨勢，NOx排放量呈不斷下降趨勢，并且在流速為15 m/s 時，CO 和NOx排放量都比較低.

(3) 改變?nèi)紵裏峁β?，通過改變鈍體高度，保證噴嘴出口流速為15 m/s，得出NOx和CO 的排放量在全部設(shè)計燃燒工況下都比較低，CO 排放小于8 mg/m3，NOx排放小于12 mg/m3.