天然气金属纤维燃烧器燃烧特性实验研究

Alexandria2020

天然气金属纤维燃烧器燃烧特性实验研究

作者：姚雪，彭世尼，张朋远

第一作者单位：重庆大学土木工程学院

摘自《煤气与热力》2021年11月刊

1   概述

金属纤维燃烧器采用多孔介质完全预混燃烧技术，可以实现气体燃料和氧化剂预先混合完成后进入多孔介质并在其中的孔隙或表面进行燃烧，具有区别于其他材料和结构实现无焰燃烧的优点和良好的辐射传热特性，可以广泛地应用于工业和民用燃具领域［1］。虽然已有大量学者对金属纤维燃烧器进行了相关的研究，但局限于头部阻力特性［2］、污染物排放量［3-4］和通过数值模拟进行的燃烧特性研究［5］。对于家用燃气灶而言，红外线燃气灶一般采用多孔陶瓷板进行燃烧，金属纤维板的应用还比较少。家用燃气灶的负荷调节性能是一个非常重要的特性，因此，本文通过构建金属纤维燃烧器实验平台，根据实验测试和数据分析探讨在不同过剩空气系数下该燃烧器的面积热强度、热负荷调节范围，以及火焰温度、烟气中Nox和CO的体积分数随热负荷和过剩空气系数的变化情况，以期对金属纤维燃烧器在家用燃气灶上的推广应用提供基础数据。

2   实验装置及内容

2.1  实验装置

2.1.1 金属纤维燃烧器

图1为实验所用金属纤维燃烧器实物。燃烧器燃用12T天然气。燃烧器主体结构采用厚度为1 mm的不锈钢板折弯焊接而成，金属纤维板的有效出火尺寸（长×宽）为90 mm×50 mm，厚度为1.5 mm，平均孔径为10 μm，孔隙率为70%。该金属纤维板是由铁铬铝合金的切削纤维烧结而成，铁、铬、铝的质量比例为50%～55%、30%～35%、10%～15%。

图1   金属纤维燃烧器实物

  

2.1.2 实验系统

本实验所采用的燃烧方式为完全预混燃烧，即在燃烧前提供燃气完全燃烧所需的全部空气，使燃气、空气提前混合完成后再进行燃烧。实验系统见图2。所需空气通过空压机供应，空压机后设置稳压罐以保证气流的稳定。试验燃气采用12T天然气，天然气中各组分的体积分数见表1。通过分别控制空气管路与燃气管路的调节阀（图2中阀1与阀3），调节空气和燃气的流量使其达到一定的比例和过剩空气系数，然后在预混罐中混合后进入金属纤维燃烧器实现燃烧。

图2   实验系统

表1   天然气中各组分的体积分数

2.2  实验内容

实验的主要内容有：过剩空气系数在1.00～1.33范围内时，金属纤维燃烧器的热负荷调节范围；根据测得的热负荷调节范围，选取过剩空气系数在1.00～1.33时可稳定燃烧的热负荷工况，对不同工况下该燃烧器的火焰温度以及烟气中NOx、CO体积分数进行实验测试。

3   实验结果及讨论

3.1  面积热强度和热负荷调节范围

燃烧器能够稳定燃烧的热负荷范围体现了燃烧器的热负荷可调节性。热负荷调节范围越大，则该燃烧器能够满足的使用场景越多。定义脱火热负荷为：冷态点燃燃烧器，15 s后目测有1/3以上面积的火孔火焰脱离燃烧器时的热负荷。定义着火热负荷为：冷态下，燃烧器恰好可以点燃且燃烧状态可以维持下去时的热负荷。定义脱火热负荷与着火热负荷的比值为热负荷调节比。

表2为不同过剩空气系数下的稳定燃烧热负荷范围、稳定燃烧面积热强度范围及热负荷调节比。这种金属纤维板可稳定燃烧的热负荷上限为5.69 kW，由于其面积为4 500 mm2，即该金属纤维板的面积热强度最大可达1.26 W/mm2，最大面积热强度出现在过剩空气系数为1.00时。热负荷调节比最大为14.6，最小为9.8。对于家用燃气灶来说，不仅要求大火够大，还要小火够小，即热负荷可调节范围越大越好，金属纤维燃烧器可以很好地满足家用燃气灶的这一需求。

表2   不同过剩空气系数下的稳定燃烧热负荷范围、稳定燃烧面积热强度范围及热负荷调节比

图3为火焰特性曲线。随着过剩空气系数增大，脱火热负荷减小，着火热负荷几乎保持不变，热负荷调节范围逐渐缩小。过剩空气系数越大，越容易脱火，这是因为：首先过剩空气系数增大，燃烧器出口气流速度增大，因此更加容易脱火；其次，过剩空气系数增大，不仅气流速度加快，而且火焰温度降低，对燃气-空气混合气的预热效果变差，预热温度降低使燃烧速度变慢［6］，更易发生脱火。

图3   火焰特性曲线

3.2  火焰温度特性

图4是不同热负荷下，金属纤维燃烧器的火焰温度随过剩空气系数的变化情况，图例中的数据表示热负荷（与类似的图同）。实验发现，热负荷较高时，火焰温度较高；热负荷为3.42 kW时，火焰温度随过剩空气系数增大而降低；热负荷在0.73 ～2.85 kW的工况下，火焰温度随过剩空气系数增大而先增后减；热负荷越小特别是接近最低热负荷时，火焰温度越低，且随过剩空气系数的增大火焰温度的变化很小。

图4   火焰温度随过剩空气系数的变化

3.3  排放特性

为了便于比较，本节中的烟气数据均进行了相应的折算：烟气中NOx的体积分数按GB 16410—2020《家用燃气灶具》（以下简称GB 16410—2020）附录A中第A.5.4条式（ A.1 ） 折算成过剩空气系数为 1.00时的体积分数；烟气中CO体积分数按GB 16410—2020第6.8.2条表17中式（ 5 ）折算成过剩空气系数为1.00时的体积分数。

3.3.1 NOx的排放

图5是不同热负荷下，金属纤维燃烧器烟气中NOx体积分数随过剩空气系数的变化情况。在热负荷为0.49 kW和0.73 kW的工况下，此时火焰温度极低，因此NOx排放量极低，且整体波动不大；热负荷为3.42 kW时，NOx排放量随过剩空气系数的增大而减小；其余热负荷下NOx排放量随过剩空气系数的增大而先增后减。总体而言，金属纤维燃烧器NOx排放水平较低，除热负荷为3.42 kW时，其他工况下NOx的体积分数均低于GB 16410—2020的附录A表A.1中NOx排放等级5级所要求的40×10-6。这是因为，本次实验生成的NOx主要是热力型NOx，反应温度小于1 300 ℃时的生成量很小［7］。与传统的燃烧器相比，金属纤维燃烧器的火焰温度更均匀且无局部高温，不具备NOx大量生成的条件。因此，将金属纤维板用在家用燃气灶上，对于实现低氮燃烧具有非常重要的意义。

图5   烟气中NOx体积分数随过剩空气系数的变化

  

3.3.2 CO的排放

图6是不同热负荷下，金属纤维燃烧器烟气中CO体积分数随过剩空气系数的变化情况。烟气中CO体积分数在各工况下均低于GB 16410—2020第5.2.3条表2所要求的500×10-6。金属纤维内细小的孔隙对燃气和空气有很好的弥散作用，大大提升了其预混效果，因此燃烧更加完全，CO排放量能够保持较低水平。

图6   烟气中CO体积分数随过剩空气系数的变化

在高热负荷（1.69～3.42 kW）的工况下，过剩空气系数从1.00增大为1.05时，CO排放量发生突降，继续增大过剩空气系数，CO排放量又有略微的上升。这是因为：过剩空气系数从1.00增大至1.05时，不仅供氧更充足，而且气流速度加快，预混效果变好，燃烧更加完全，CO排放量迅速减小。而随着过剩空气系数进一步增大，烟气流速显著增大，极少部分CO来不及氧化成CO2，CO排放量出现略微上升。而在低热负荷（0.49～0.97 kW）的工况下，气流速度始终较小，预混效果差，即使增大过剩空气系数，湍动能的增加也非常有限，预混效果并未明显改善，故随着过剩空气系数增大，CO排放量变化不大。因此，该实验金属纤维燃烧器应用于家用燃气灶时，针对减少CO排放量的最佳过剩空气系数为1.05。

4   结论

通过构建金属纤维燃烧器实验平台，探究金属纤维燃烧器在完全预混燃烧条件下的热负荷调节范围及其随过剩空气系数的变化，以及火焰温度、污染物排放等特性与过剩空气系数、热负荷之间的关系。结果表明：

①基于热负荷调节范围、火焰温度、NOx和CO排放量，在研究的工况范围内，最佳过剩空气系数为1.05。

②在最佳过剩空气系数（1.05）时，面积热强度下限为0.08 W/mm2，面积热强度上限为1.01 W/mm2，热负荷调节比为13.4。

③过剩空气系数由1.00增大到1.33时，热负荷调节范围逐渐缩小，热负荷调节比由14.6缩小为9.8。

参考文献：

［1］程乐鸣，岑可法，周昊，等.  多孔介质燃烧理论与技术［M］.  北京：化学工业出版社，2013：13.

［2］仇中柱，李芃.   金属纤维燃烧器及其头部阻力特性分析［J］.   同济大学学报（自然科学版），2005 （2）：217-220.

［3］傅忠诚，要大荣，艾效逸，等.  金属纤维燃烧器CO和NOx排放特性［J］.  煤气与热力，2006 （2）：28-30.

［4］要大荣，傅忠诚，潘树源，等.   金属纤维燃烧器的燃烧特性研究［J］.  煤气与热力，2005 （10）：1-3.

［5］许杰，吴家正，冯良.  金属纤维燃烧器内沼气全预混燃烧数值模拟［J］.  节能技术，2017 （2）：108-112.

［6］同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等.  燃气燃烧与应用［M］.  4版.  北京：中国建筑工业出版社，2011：68-69.

［7］吴碧君.  燃烧过程中氮氧化物的生成机理［J］.  电力环境保护，2003 （4）：9-12.

内容来源：煤气与热力杂志