空气管出口布置方式对平焰燃烧特性的影响

2021-02-23陈伟鹏韩一庆张天睿古旭龙

科学技术与工程 2021年2期

陈伟鹏，韩一庆，张天睿，古旭龙

(内蒙古科技大学能源与环境学院内蒙古清洁燃烧重点实验室，包头 014010)

中国工业炉窑常用平焰燃烧方式，平焰烧嘴与传统的一般烧嘴不同，它喷出的火焰不是直条形，而是贴着炉壁向四周伸展的圆盘形薄层，气流从扩张通道流出时，具有附壁流动的性质(即科安达效应)，而气流的旋转加强了这种效应[1]。与传统的直条形火焰相比，具有温度均匀、炉膛升温和物料加热速度快、节约燃料、压力场均匀、点火性能好等优点。但是由于空气和燃气混合较好，燃烧火焰温度较高，烟气中NOx浓度较大，同时易生成不完全燃烧产物CO。因此如何降低NOx和CO的排放对实现热工设备的洁净燃烧具有重要的现实意义。现提出两种空气出口布置方式，来研究其平焰湍流燃烧过程中气流流动混合对NO和CO浓度的影响，为后续相关纯氧助燃燃烧提供一定参考。

目前已有很多学者对平焰燃烧过程中可能受到影响的因素进行了大量的研究，并取得了一定的成果。田力等[2]通过平面激光诱导荧光(planar laser-induced fluorescence，PLIF)测量技术观察不同甲烷和空气的质量流量配比对燃烧温度、火焰尺寸及颜色变化影响，证明了强制对流燃烧能使燃料充分混合，达到燃料高效燃烧的目的。王义德等[3]采用数值模拟的方法计算了燃尽风布置和当量比对NOx浓度的影响，结果表明当量比约为0.85时NOx排放总量最小，加热炉经空气分级低氮改造，可以实现了NOx排放低于200 mg/m3的要求。龚志军等[4-6]将热态流场与冷态流场进行了对比分析，结果发现冷态流场模拟与实际燃烧过程的流动存在较大差异，高温预混燃烧直接影响湍流涡旋结构的大小及分布。赵增武等[7-8]通过高温空气燃烧技术将助燃空气预热和烟气再循环来回收烟气余热，获得低氧燃烧环境，减少 NOx的生成与排放。陈伟鹏等[9]通过实验研究了燃气出口形式对平焰燃烧的影响，发现燃气采用旋流式出口能提高火焰的稳定性，降低了氮氧化物浓度。陈伟鹏等[10]对不同磁场下强旋流燃烧特性和NO生成特性进行了实验，结果表明，在磁场的作用下，能产生NO的带电离子或离子团之间的碰撞概率降低，进而减少了火焰中NO生成。邢守正等[11]，徐学慧等[12]通过实验得出，随着过剩空气系数的增加，NO含量先增大后减小，选出最佳过剩空气系数范围为1.06～1.075。陈伟鹏等[13-14]通过实验得出，适当缩短燃气管插入深度可扩大燃烧区并降低炉膛局部高温区温度, 进而有效减少烟气中NOx的排放。芮文明等[15]、陈伟鹏等[16]、周力行等[17]在旋流数对湍流燃烧中NO生成影响的研究得出一共同结论：适当增大旋流强度可以扩大燃烧区，使炉膛顶部温度分布更加均匀, 从而降低烟气中NOx浓度。陈伟鹏等[18]模拟了喇叭形扩张口曲率半径对平焰流场的影响，结果表明增加喇叭口曲率半径有利于形成稳定的平展流，但烧嘴砖的厚度亦增大。

现通过热态实验采用特制烧嘴、烟气分析仪和热电偶等设备，测量不同空气出口布置方式下平展流火焰面的温度、NO和CO含量，分析空气出口布置方式及位置对平展流火焰面中NO、CO生成特性的影响。

1 燃烧实验台搭建

燃烧实验台由燃烧实验装置和温度及烟气监测设备组成，如图1所示。燃气流量采用LZB-15型玻璃转子流量计调节；燃气采用的液化石油气，其成分为90%C4H10、C3H8和C5H12各5%(体积分数)，实验流量为0.5 m3/h1；空气通过空压机增压至0.8 MPa，流量采用LZB-25型玻璃转子流量计调节，过量空气系数为1.06。

1为液化石油气罐；2为减压阀；3为液化气流量计；4为调节阀；5为空压机；6为减压阀；7为压力表；8为稳压罐；9为空气流量计；10为调节阀；11为烧嘴；12为空气管道；13为热电偶；14为计算机；15为手持式烟气分析仪

温度场采用WRBP铠装铂铑热电偶检测，相邻两个测点间距为20 mm。各测点热电偶都与巡检仪相连，巡检仪又与电脑相连，测得的温度可以实时储存、读取，为防止测温时热电偶扰乱空气流场，将热电偶测温头位于据喇叭口平面上方50 mm处。火焰面中的NO、CO含量采用德国AFRISO公司生产的MULTILYZER STe(M60)手持式烟气分析仪测量，分辨率为10-3‰，测量范围为0～4×10-3‰，精度为±10-3‰。

燃烧器采用自制的平焰烧嘴，烧嘴喇叭口直径为120 mm，液化气通道由3道螺旋沟槽组成，旋流数为1.76。

2 实验方法

实验采用四管切圆和三管切圆两种布置方法。经前期实验研究发现，当空气管管数为2时，无法形成稳定的火焰盘，燃烧温度不均匀，燃烧情况很差，所以选择了管数为3和4的空气管布置。空气管至烧嘴中心轴心距离(以下称为空气管距离)为x。两种空气管布置方式如图2所示。

图2 烧嘴空气管布置及位置

对两种布置方式下空气管至烧嘴中心轴线距离x=0、20、40、60 mm的实验结果进行对比分析，实验工况如表1所示。每种工况实验5次，实验数值取5次的平均值。

表1 不同空气管距离的工况设定

3 实验结果与分析

表2所示为实验后得出的数据，取各工况下各参数的最大值。

表2 不同布置方式实验结果

3.1 火焰面特性

图3所示为在不同空气管距离下两种布置方式的火焰面分布。从上至下分别对应空气管至烧嘴中心轴线x=0、20、40、60 mm的距离。

图3 不同空气管距离布置方式的火焰结构

通过对两种空气管不同布置方式下火焰分布比较可以发现，两种布置方式下的火焰都可以形成平展流火焰，从火焰形状可以看出，燃烧火焰是一个具有一定厚度的圆盘，由于空气动力场均匀，火焰的负压区位于烧嘴的中心，其周围为正压，可维持整个烧嘴中心上方的微正压，在平焰燃烧中心回流的作用下，燃气流股被稀释，与旋转的高温空气混合，形成一个稳定的燃烧面。

两种布置方式下的火焰面会随着空气距离x的增加而扩大，燃气和空气混合位置逐渐远离烧嘴中心，增大了燃烧面积，减小了局部高温区面积，使燃烧区火焰分布更均匀。在空气管距离x一定时，布置方式1的火焰圆盘面积较方式2更大，主要因为方式1的空气管分布更合理，空气动力场更均匀，高温炉气回流到焰心使平焰燃烧更稳定。而方式2下的火焰更集中，火焰分布不均匀，容易造成局部高温生成NO。

3.2 温度分布规律

图4所示为在不同空气管距离下两种布置方式的火焰温度分布。从图4可以看出温度分布共同的规律：在中心回流区温度较低，由轴心的最低值逐渐升高。在附壁射流区达到较高温度，并且温度比较均匀。两种布置方式的火焰温度分布规律基本相同，都是中心温度低，周边温度高，呈“M”形分布，这是因为空气旋流造成的负压区，使回流的阻力减少，回流量增大，这种“回流”挤压在旋流的中央，也促使气流附壁，并造成平焰所有的双峰形火焰隆起部分，这也是火焰温度峰值部分。两种空气管布置方式下的火焰峰值温度会随着空气管距离x的增加而下降，方式1的峰值温度由653 ℃下降至396 ℃，而方式2峰值温度由706 ℃下降至453 ℃，燃料燃烧过程相对较长，燃烧区温度趋于均匀，降低了火焰面局部高温，这有利于减少NO的排放[14]。同时在空气管距离x一定时，方式1的峰值温度较方式2略低，这是因为空燃比一定时，方式2中单个空气管喷出的空气流量更多，使温度场的分布波动较大，燃烧温度易集中。而方式1的空气动力场更为均匀，氧气的补充效果好，火焰温度更均匀。

图4 不同空气管距离布置方式的各测点温度分布

3.3 CO分布规律

图5所示为不同空气管距离下两种布置方式的CO含量分布，随着空气管距离x增加，两种布置方式下的CO浓度也在下降。根据以上现象，可以推断随着空气管向烧嘴外沿移动，燃料的燃烧区域增大，这有利于CO继续反应，提高燃烧效率和减少CO含量排放，同时也利于降低峰值温度进而降低NO排放。在空气管距离x一定时，因两种布置方式不同，燃烧区的空气动力场也随之变化，方式1的空气分布更均匀，燃烧效果更好，因此燃烧区的中间产物CO浓度较方式2略低，有效提高燃烧效率和减少CO的排放。

图5 不同空气管距离布置方式的各测点CO分布

3.4 NO分布规律

平焰湍流燃烧一般会使燃烧温度急剧上升，而温度升高会造成NOx浓度大幅提高，因此降低氮氧化物的生成和排放是平焰湍流燃烧的研究重点。平焰燃烧生成的NOx，其主体部分为NO，可通过烟气分析仪测量到NO浓度。

图6所示为不同空气管距离下两种布置方式的NO含量分布，不同空气管距离x下的燃烧温度场和NO浓度场的分布规律基本一致，这是因为热力型NO的产生主要受温度影响，随着温度升高NO浓度也随之增加。两种布置方式下NO浓度分布曲线都有两个峰值，两个极值点分别对应燃烧区峰值温度的位置，但在燃烧区中空气管布置方式2的NO浓度要略高于方式1，主要因为方式2的空气管排布容易造成火焰集中，形成局部高温区。同时随着空气管距离x的增加，两种布置方式的NO浓度都在降低，这是因为增加空气管距离x使燃烧区域扩大，空气与燃气混合更充分，燃烧组织更加合理，对于降低NO排放更有利。