全預(yù)混燃燒技術(shù)關(guān)鍵因素分析

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 燃?xì)庋芯克?陳聰

 一、研究背景 

（一）天然氣燃燒煙氣中的污染物SO2、NOx、CO等的排放量明顯低于其他常規(guī)一次能源，在節(jié)能減排方面具有很大的發(fā)展?jié)摿?。隨著碳中和與碳達(dá)峰目標(biāo)的提出，天然氣作為低碳高能量的常規(guī)燃料被認(rèn)為是最佳的過度能源。

（二）民用燃具增長迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國燃?xì)饪焖?a target="_blank" href="http://box126.cn/tags-4688.html">熱水器年銷售量已連續(xù)6年超過1300萬臺(tái)，而壁掛爐等其它設(shè)備均有極大的增長潛力。

（三）NOx作為燃燒產(chǎn)物之一，其危害性很大，研究表明[1]，100ppm的NOx毒性約為CO的十倍或SO2的3倍，NO與人體血紅蛋 白親和力極強(qiáng)，吸入過多時(shí)會(huì)導(dǎo)致人體缺氧進(jìn)而中樞神經(jīng)麻痹，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致死亡。

（四）現(xiàn)在絕大部分民用燃具為大氣式或部分預(yù)混式，NOx排放通常偏高。隨著節(jié)能減排的進(jìn)一步深入，民用燃具低NOx燃燒技術(shù) 已日益受到重視，有必要對(duì)民用燃具的低NOx燃燒技術(shù)進(jìn)行研究分析.

（五）較之工業(yè)方面，民用燃具降低NOx的研究起步較晚，受重視程度不夠，降低NOx的技術(shù)方法也有較大差異。一方面要考慮降 低NOx效果等技術(shù)問題，另一方面還要考慮應(yīng)用的適用性和經(jīng)濟(jì)性，因此很多在工業(yè)上可行的方法，在民用燃具上很難實(shí)現(xiàn)， 給民用燃具降低NOx提出了很多新的問題。

（六）

（七）

（八）

熱力型NO T-NO：

1.影響T-NO生成速度的主要因素 為所在區(qū)域的局部狀態(tài)參數(shù);

2.即該局部區(qū)域的溫度T、氧氣濃度、氮?dú)鉂舛纫约巴Ａ魰r(shí)間t；

3.在民用燃具中，采用空氣做氧化劑，氮?dú)鉂舛茸兓淮?，因此主要影響因素還是局部區(qū)域的溫度、 濃度和停留時(shí)間t。

快速型NO P-NO

1.一次空氣系數(shù)大于1 時(shí)，反應(yīng)內(nèi)幾乎不生成快速型NO；

2.一次空氣系數(shù)在0.7-1之間時(shí)，反應(yīng)中有較多的快速型NO生成，且在反應(yīng)帶下游高溫區(qū)有熱力型NO生成；

3.當(dāng)一次空氣系數(shù)小于0.7 時(shí)，反應(yīng)中所生成的NO基本都是快速型 NO；

4.供給足夠的氧氣能夠降低快速型NO的生成。

 

燃料型NO F-NO

1.燃料中的氮化合物，燃燒過程中轉(zhuǎn)化的NO；

2.隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的提出，部分學(xué)者開始研究NH3等含氮燃料的燃燒，因此對(duì)于燃料型NO的產(chǎn)生仍不能被忽視；

3.在天然氣等常用氣體燃料中不含氮化物，因此燃燒不會(huì)產(chǎn)生F-NO。

（九）

（十）溫度低于1500℃時(shí)，熱力型NOx生成量很少；高于1500℃時(shí)，溫度每升高100℃，NOx生成速度將增大6～7倍

l 降低燃燒溫度，消除局部高溫——分級(jí)火焰、催化燃燒;

l 縮短在高溫區(qū)停留時(shí)間——分級(jí)火焰;

l 燃燒在遠(yuǎn)離化學(xué)計(jì)量比的工況下進(jìn)行——全預(yù)混燃燒，濃淡燃燒；

l 降低氧氣濃度——分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)

 二、全預(yù)混燃燒的特性

（一）擴(kuò)散式燃燒 ：燃?xì)馀c空氣不預(yù)混，完全依靠擴(kuò)散作用實(shí)現(xiàn) 燃?xì)馀c空氣的混合，邊混合邊燃燒，火焰長且軟 。

（二）部分預(yù)混燃燒 ：一次空氣系數(shù)為0<α/<1(一般為0.45~0.75)， 燃燒過程中二次空氣進(jìn)行擴(kuò)散補(bǔ)充。

（三）全預(yù)混燃燒 ：燃?xì)馀c空氣完全混合后，不需要二次空氣， 過?？諝庀禂?shù)α≥1，先混合再燃燒，火焰短且硬。

全預(yù)混燃燒技術(shù)是將燃?xì)馀c空氣（一次空氣系數(shù)略大于1）在進(jìn)入燃燒室前充分混合，在進(jìn)入燃燒室后，混合物瞬間完成燃燒的技術(shù)，由于燃料迅速完全燃燒，因此所產(chǎn)生的NO與 CO都會(huì)很低。

全預(yù)混燃燒技術(shù)降低NOx生成的原因有以下幾個(gè)方面：

1.全預(yù)混燃燒由于一次空氣系數(shù)大于1且混合均勻，因此不會(huì)產(chǎn)生快速型NO；

2. 燃燒溫度均勻，不會(huì)有局部高溫，因此不會(huì)產(chǎn)生過多熱力型NO；

3.燃燒完成迅速，煙氣在高溫區(qū)域停留時(shí)間很短，進(jìn)一步降低熱力型NO的生成。

但是燃?xì)馀c助燃空氣的混合 物是爆炸性氣體，其火焰?zhèn)鞑ニ俣葮O快，且易發(fā)生回火， 火焰穩(wěn)定性較差，因此需要使用一些方法來穩(wěn)定火焰，防止發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。常用的方法有多孔陶瓷、金 屬纖維、水冷卻等。

對(duì)于水冷卻法而言，引射器用來混合燃?xì)馀c空氣，但是為了保證引射空氣量，大部分中會(huì)采用風(fēng)機(jī)來強(qiáng)行增大引射空氣量，而風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的壓力對(duì)一次空氣系數(shù)產(chǎn)生影響后，會(huì)導(dǎo)致一次空氣系數(shù)不可控，如下圖：

面對(duì)的幾個(gè)疑問：

一次空氣系數(shù)？

不考慮引射器的工作狀況下，  NOx隨一次空氣系數(shù)變化的趨勢如何

二次空氣？

是否需要二次空氣 ，二次空氣量對(duì)NOx是否產(chǎn)生影響

水冷卻？

水冷卻作用是否會(huì)對(duì)NOx生成造成影響 ，水冷卻的主要作用機(jī)制如何發(fā)生

其它因素？

是否還有其它因素對(duì)NOx產(chǎn)生影響

 三、關(guān)鍵因素的研究

NO主要生成與高溫區(qū)域之后，在O摩爾濃度在1.8e-4附近的區(qū)域重合度很高，并與溫度T >1700K的區(qū)域也有一定程度的重合，與HCN的 重合度很低。

由此可知，NO的主要產(chǎn)生于溫度>1700K的火焰下游位置，而根據(jù)NO的生成機(jī)理與生成路徑可知，O原子是T-NO生成的重要中間產(chǎn)物，HCN 基團(tuán)是P-NO生成的重要中間產(chǎn)物。

因此可以認(rèn)為全預(yù)混燃燒中的NO主要是T-NO，并且受溫度影響較大。

一次空氣的影響

隨著一次空氣量的增大，燃燒生成的NO均呈下降趨勢；

其下降原因主要在于一次空氣的增加造成氣總流量增加，對(duì)火焰產(chǎn)生了拉伸效應(yīng)，火焰面增大，散熱量增加，從而導(dǎo)致燃燒溫度下降，造成T-NO生成減少；

一次空氣的增大造成的總流量增大，火孔面積不變時(shí)，其出口速度增加，縮短了高溫區(qū)的停留時(shí)間，進(jìn)一步降低T-NO的生成。

溫度分布可推測燃燒過程中的火焰形態(tài)。 從火焰形態(tài)來看，隨著α的增大，火焰逐漸拉伸。

l 當(dāng)α為1~1.1時(shí)，火焰基本集中在火孔出口出。

l α處于1.2 ~1.4時(shí)，位于雙火孔的火焰還處于分叉階段 ，此時(shí)火焰整體形態(tài)也較好。

l 但當(dāng)α>1.4時(shí)，位于雙火孔的火焰全部集中于一簇火焰，并且隱隱有脫火的趨勢。

l  并且當(dāng)α>1.6時(shí)，由于溫度的升高以及一次空氣量的增大，導(dǎo)致氣體會(huì)從二次風(fēng)入口處流出，造成煙氣泄漏。

l 即隨著一次空氣系數(shù)的增加，火焰穩(wěn)定性會(huì)變差，雖然水冷燃燒技術(shù)基本能保證燃燒不會(huì)發(fā)生回火，但是火焰仍會(huì)發(fā)生脫火、煙氣泄漏等現(xiàn)象。

二次空氣的影響

隨著二次空氣量的增大，NO(α=1)呈 下降趨勢，這是由于從側(cè)面進(jìn)入的二次空氣只會(huì)影響最外側(cè)火焰的燃燒 ，使得最外側(cè)火焰生成的NO減少，最終造成NO總生成量有所下降。

在二次空氣較小時(shí)，位于二次空氣入口的x在(-0.03,0)區(qū)間中，會(huì)產(chǎn)生氣體的倒流，這也導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)從二次空氣入口流出，有可能發(fā)生煙氣泄露的危險(xiǎn)。

隨著二次空氣的增加，氣體倒流的情況逐漸消失。

除此之外，二次空氣的變化對(duì)最外層火焰的溫度產(chǎn)生了部分影響，并造成該區(qū)域的NO生成量減少，最終導(dǎo)致煙氣中NO的減少。

混合氣溫度的影響

隨著預(yù)混氣溫度的升高，NO的生成量。

有所下降，并且其變化量極小，由此可知，雖然提高預(yù)混氣溫度在一定程度上會(huì)提高燃 燒溫度，但是也會(huì)提高火焰速度并提高反應(yīng)物活性， 兩者對(duì)NO生成產(chǎn)生的作用相互抵消，最終導(dǎo)致NO生成幾乎沒有變化。

其它因素的影響

在引射器的結(jié)構(gòu)中 ，有一部分為混合段 ，該段的作用在于將空氣與燃?xì)獬浞只旌稀?/span>

但是由于現(xiàn)在大部分用于熱水器/爐中的引射器結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)引射器相差較大 ，  因此混合段的混 合效果可能有待考量。

在對(duì)現(xiàn)今使用的引射器進(jìn)行了模擬 ，發(fā)現(xiàn)其中存在著組分不均勻與速度不均勻的情況出現(xiàn)。

1、在全預(yù)混燃燒中，NO的生成以T-NO為主要來源；

2、通過比較模擬與實(shí)驗(yàn)中一次空氣系數(shù)對(duì)NOx生成的趨勢，我們可以看出NO隨α的增大呈現(xiàn)下降趨勢，并且在α∈( 1,1.3)時(shí)，下降趨勢較快，α>1.4時(shí)，下降趨勢減緩。并且α>1.4后，火焰形態(tài)發(fā)生變化，兩簇火焰會(huì)融為一簇，并且隱隱有脫火傾向，因此最優(yōu)的α為1.2 ~1.4之間；

3、二次空氣量對(duì)于NO生成幾乎沒有影響， 雖然二次空氣量的增加能一定程度上降低燃燒室溫度，但是對(duì)于T-NO生成位置的火焰溫度影響不大；

4、水冷卻的作用主要在于降低混合氣溫度，防止在負(fù)荷變化時(shí)發(fā)生回火現(xiàn)象，隨著混合氣溫度升高時(shí)，火焰高度有下降趨勢，這會(huì)導(dǎo)致火焰更不穩(wěn)定；

5、水冷卻的還可以用于燒排的冷卻，這樣不但可以增加燒排使用壽命，還能一定程度上降低燒排溫度，進(jìn)而降低火焰溫度，從而降低NO生成，這也就是之前本文中所提到的有無水冷卻對(duì)NO有影響，水冷卻量的多少對(duì)于NO影響不大的原因；

6、速度不均勻性與組分不均勻性對(duì)NO的生成也有著較大的影響，在引射器或者火孔設(shè)計(jì)中，需要對(duì)此進(jìn)行更為細(xì)致的考量。

整理/青戈?duì)栙Y訊編輯部

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