金属纤维全预混燃烧NOx排放特性探究

同济大学机械与能源工程学院

胡 标 林立春 邓钰才 冯 良 齐亚腾

金属纤维全预混燃烧NOx排放特性探究

同济大学机械与能源工程学院

胡 标 林立春 邓钰才 冯 良 齐亚腾

随着天然气行业的蓬勃发展，天然气的消费量迅速增长，处于节能减排大环境下的中国，如何高效环保利用天然气就显得十分重要。文章中介绍了一种新型金属纤维表面燃烧方式，阐述其优越性，并通过实验研究其燃烧污染物NOx随过剩空气系数和单位表面热强度变化的排放特性。

金属纤维全预混燃烧 过剩空气系数 单位表面热强度 NOx排放

1 金属纤维表面燃烧

按照天然气和空气混合情况可分为扩散燃烧、部分预混燃烧(也称大气式燃烧)和全预混燃烧。

扩散式燃烧，燃气和空气在燃烧之前分开供给，不进行混合。扩散燃烧由于扩散作用，燃烧火焰体积比较大、燃烧时间长，有时候还存在燃烧不完全(具体表现为黄焰生成，冒黑烟等)、燃烧温度不高以及燃烧热强度低下等。大气式燃烧，是在扩散式燃烧的基础上，预先将部分空气与燃气进行混合，这样火焰变得清洁，燃烧得以强化，火焰温度也提高了，因此大气式燃烧得到了广泛的应用，尤其是在民用燃气灶具上。

全预混式燃烧是在大气式燃烧的基础上发展起来的。国内外研究表明：全预混燃烧方法是提高燃气燃烧设备热效率、降低烟气中CO与NOx排放的最佳方法。完全预混式燃烧是在燃气与空气预先混合均匀(α≥1)的情况下，瞬时完成的，完全预混燃烧不需要二次空气，火焰只有一个燃烧面；完全预混燃烧的表面热强度很高，并且能在很小的过剩空气系数下(通常 α=1.05~1.10)达到完全燃烧，几乎不存在不完全燃烧现象，因此燃烧温度很高。此试验装置采用的是金属纤维全预混燃烧方式，这种燃烧方式有极大的优越性。

(1)热强度高、调节范围大，表面热强度为0.1~10 W/mm2。据资料显示，过剩空气系数在1.1~1.3时，在不同的表面热强度下燃烧工况不同：当表面热强度为0.1~0.8 W/mm2呈表面燃烧形式，表面烧红至800~1 000℃,发射红外线射线；当表面热强度达0.9 W/mm2时出现蓝色火焰浮在表面。即使表面热强度到达5 W/mm2时，也不会脱火。

(2)污染物排放低且节能。金属纤维燃烧器的NOx、CO和不完全燃烧物的排放浓度低。由于全预混燃烧的过量空气系数小，同时燃烧释放的热量通过辐射与对流方式迅速带走，降低了火焰温度，所以相对于其它燃烧器，金属纤维燃烧器具有更低的NOx水平。全预混金属纤维燃烧器的表面燃烧方式保证了低过量空气系数下的完全燃烧，CO的不完全燃烧物的排放浓度低。由于金属纤维燃烧器的过量空气系数较低，同样的排烟温度下，金属纤维燃烧器的排烟损失小。

(3)外形适应性强。根据使用场合的要求，金属纤维燃烧器可以做成各种形状，如：方形、圆形、圆柱形、圆锥形、球形、环形(向内辐射型)。

(4)安全性高。金属纤维介质孔隙的细密性决定了金属纤维燃烧器的回火倾向性极低，不需要头部冷却装置。另外，金属纤维的抗腐蚀性强，抗热冲击性能高，抗机械冲击性能强，热惰性低，噪声低。

2 实验研究

实验通过研究不同过剩空气系数α和单位面积热强度q对全预混表面燃烧污染物排放特性的影响。图1为实验所需的系统装置流程图。

图1 试验系统流程

实验时，燃气通过燃气电磁比例阀进入混合器，与空气混合实现全预混，再经过风机进入金属纤维燃烧器，点火燃烧，炉膛表面采用水冷。在炉膛的烟气出口处设置烟气分析仪，测量污染物浓度。实验使用的比例阀采用的是 SIEMENS VGU82，该比例阀可以保证燃烧过程中所需的空燃比；混合器采用的是风机上游混合方式；风机采用交流离心式风机，承担整个燃烧系统中管路的阻力损失和克服炉膛背压；烟气分析仪采用的是德国 testo350，其可测量 O2、CO、NO、NO2等多种气体，测量时将烟气探头固定在燃烧炉膛烟囱处即可。

2.1 实验设备的选择

实验的系统流程图如图1所示，系统中的比例阀，混合器，风机为空气燃气预混系统的关键配件，燃烧系统中主要是燃烧器、控制器和燃烧炉膛，散热系统为供回水管，同样还有尤其重要的烟气分析装置烟气分析仪。

(1)燃气比例阀；本实验所用的空燃比控制装置为西门子VGU82组合式伺服阀(见图2)，保证空燃比的恒定。

图2 燃气比例阀

(2)空气/燃气混合器；试验中混合器采用文丘里式混合器，用于空气与燃气的均匀混合(见图3)。

图3 混合器

(3)直流无刷风机；助燃风机采用的是上海梅帝燃气设备有限公司生产的型号RG128/1300-3612的脉宽可调型直流无刷风机(见图 4)，该风机的占空比 PWM的调节范围为33%~99%，可通过改变燃烧过程中的空气量，引射不同的燃气量，从而实现对负荷的控制。

图4 直流风机

(4)金属纤维表面燃烧器；燃烧器采用的是金属纤维燃烧器(见图5)。

图5 燃烧器

(5)燃烧控制器采用的是上海梅帝燃气设备有限公司生产的DFC-1控制器(见图6)。

图6 控制器

(6)烟气分析仪；试验中采用了德国的testo350烟气分析装置(见图7)，同时根据实验要求增加了比托管实现测流量的功能。

图7 testo350烟气分析仪

2.2 实验数据

实验选取不同过剩空气系数α分别为1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35、1.40和表面热强度为q1=0.707 W/mm2、q2=1.061 W/mm2、q3=1.415 W/mm2、q4=1.768 W/mm2、q5=2.122 W/mm2(表面热强度由燃烧器功率和燃烧器燃烧面计算得到)，得到在不同状态下的NOx排放量变化情况如图8所示：

图8 在不同状态下的NOx排放量变化

图8为通过实验结果得到的数据，并对数据进行处理得到的变化曲线图，在得到的曲线图中我们可以看出，随着过剩空气系数的增大，NOx的排放量逐渐减小，且排放减少量的趋势为先快后慢，在过剩空气系数逐渐增大至1.15~1.20附近时，趋势变缓，且随着过剩空气系数的继续增大，NOx排放量并无明显减小。

同时在不同的单位表面热强度下，随着单位表面热强度的增大，NOx排放有着增加的趋势，但是在过剩空气系数比较大的情况下，这种趋势并不是很明显，因此可以得出，在过程空气系数较小的情况下，单位表面热强度的变化会显著影响着燃烧器污染物NOx的排放。

3 结论分析

在燃烧试验中，燃烧的污染物产物NOx按照生成方式不同可分为热力型NOx，快速型NOx和燃料型NOx。

热力型NOx通常认为是空气中的N2在温度高于1 800 K的高温区域内生成的氮氧化物，生成区域主要为火焰带下的高温区域，其生成量和氧浓度、火焰及烟气温度和烟气的滞留时间成正相关趋势。热力型NOx的生成速率与温度有着非常紧密的联系，呈指数关系，同时与氮气浓度与氧气浓度的平方根成正比。快速型NOx是碳氢系燃料燃烧过程中在氧气较贫区域火焰面内急剧生成的大量 NOx，它的生成地点不是在火焰面的下游，而是在火焰内部。快速型NOx的生成量随温度的影响不大，快速型NOx的生成量比热力型NOx的生成量低一个数量级。而燃料型NOx是指来源于燃料中N元素被氧化生成的NOx，它的生成主要取决于火焰性质，且具有中温生成特性，同时一般的燃烧温度都较高，因此温度对燃料型NOx的生成影响不大。再者试验中采用的是几乎不含有N元素，所以在文中不予讨论。

通过以上所述NOx的生成机理可知，本实验中全预混燃烧NOx的生成量跟氧含量、温度以及烟气在高温区的停留时间紧密相关，同时排放中的NOx主要取决于热力型NOx。本试验的结论中可以看出在不同的表面热强度下随着过剩空气系数的增大，NOx呈下降趋势且越来越平缓，同时在相同的过剩空气系数的条件下增加单位表面热强度，NOx的排放量会增加，因为q的增加使得火焰和炉膛温度的增大，导致NOx的排放量增加。

全预混燃烧降低NOx排放的措施：

(1)使得燃烧温度均匀，尽量避免产生局部高温；虽然全预混燃烧的单位表面热强度大，燃烧温度高，但是全预混燃烧完全，火焰很短，甚至是无焰，因此要尽量使火孔气流分布更加均匀，就会使得NOx排放更加理想。

(2)合理控制过剩空气系数；试验中能看到适当的控制过剩空气系数能够降低NOx的排放。

(3)合理控制燃烧器的热负荷可以有利于降低燃烧室烟气温度，燃烧器腔体优化有利于燃烧室的烟气传热，降低温度，从而两方面都可以降低NOx的生成。

Analysis on the NOx Emission Characteristic of Metallic Fiber Surface Full Premix Combustion College of Mechanical & Energy Engineering Tongji University

Hu biao Lin Lichun Deng Yucai Feng Liang Qi Yateng

More development of the gas industry, more increase rapidly of natural gas consumption, and it is important for using natural gas efficiently and environment friendly. This paper introduces a metallic fiber surface combustion and its advantages, analyzing the NOxemission characteristics with the excess air coefficient and thermal strength of specific surface by the experiment.

metallic fiber surface full premix combustion, excess air coefficient, thermal strength of specific surface, NOxemission