全预混金属纤维燃烧器燃用合成天然气适应性

Alexandria2020

全预混金属纤维燃烧器燃用合成天然气适应性

作者：关鸿鹏，冯良，陈豪杰，李瑜仙，王庆余，刘蓉

第一作者单位：北京市燃气集团有限责任公司

摘自《煤气与热力》2017年12月刊

1   概述

近年来，随着世界经济的持续增长，石油、天然气供需矛盾越来越突出。在我国，随着经济的快速发展以及城市化进程的推进，具有优质洁净和环保特点的天然气需求急剧攀升。而我国的能源结构中，预测煤炭总资源量为5.57×1012 t，在我国一次能源的生产和消费总量中占有率分别为76%和69%。在煤炭资源中煤制合成天然气的能量效率最高，是最有效的煤炭转化利用方式，发展前景看好，是我国解决燃煤污染和天然气供需矛盾的重要途径。此外，利用CO2和生物质资源生产天然气，不仅可以拓宽CO2和生物质的利用方式，同时也将大大减少温室气体的排放［1］。

合成天然气技术不但可以缓解我国天然气的市场供需矛盾，降低进口天然气市场给我国带来的潜在风险，而且对于推进我国产业结构调整和能源结构优化、保障国家能源安全也具有重要的战略意义［2］。近年来，随着排放要求以及燃烧技术的提高，全预混金属纤维燃烧器应用开始增多，这种燃烧器能在高过剩空气情况下稳定燃烧，能有效降低火焰温度，实现氮氧化物的超低排放。

本文主要通过实验，分析在冷凝式热水器、锅炉等应用较多的金属纤维全预混燃烧器燃用合成天然气的燃烧及排放特性，研究其针对合成天然气的适应性。

2   合成天然气的特性

合成天然气的工艺可以分为煤气化转化技术和直接合成天然气技术。两者的区别主要在于煤气化转化技术需要先将原料煤加压气化，由于气化得到的合成气达不到甲烷化的要求，因此需要经过气体转换单元提高H2与CO的物质的量之比再进行甲烷化（有些工艺将气体转换单元和甲烷化单元合并为一个部分，同时进行）。

甲烷化技术是煤制合成天然气的关键环节。合成气进入甲烷化反应器，在催化剂的作用下反应生成甲烷产品气体。其反应原理如下：

由此看出，合成天然气中含有氢气组分。受不同生产工艺影响，合成天然气中氢气的摩尔分数一般为0.9%~17.5%，其中实现商业化的和工业生产用的合成天然气产品中氢气的摩尔分数分别为0.9%和3.2%［3］。

3   混气工艺

由于缺少合成天然气的气源，根据合成天然气中含有少量氢气的特性，本文采用混气装置，利用管道天然气按比例掺混氢气来代替合成天然气，测试全预混燃烧器不同工况的燃烧特性。结合实验测试和理论计算，分析全预混燃烧器对合成天然气的适应性。

3.1  混气工艺流程

考虑到实验着重研究在天然气中若含有H2且其含量发生变化时使用全预混燃烧器的燃烧状况和排放特性变化，因此，实验用合成天然气是由管道天然气与工业氢气即时混合而得。实验流程见图1。

图1   实验流程

管道天然气经过调压器降压，然后经过流量计测量燃气体积流量，使用电磁阀控制燃气的体积流量，然后进入混合器；同时，氢气经过减压阀降压后，再经过调压器、流量计以及电磁阀，之后通过零压阀和手动调节阀，再进入混合器与天然气混合，最后进入燃烧器燃烧。

3.2  混气比例计算

由前面的分析可以设定KH和Kg不变，同时dH和dg也都是常数。实验过程中管道天然气的流通面积不变，当调节氢气管道流量，手动调节阀流通面积固定后，AH和Ag都不变，因此，通过式（10）可以得到合成天然气的混氢比例（即合成天然气中氢气的体积分数）φH。由于该混气装置的氢气管道上设置有手动调节阀，即氢气管道流通面积是可以改变的，因此，混气装置可以获得不同的混氢比例。装置上两个电磁阀是通过自动调控装置来控制并同时工作的，这样可以保证合成天然气中不会出现纯氢气的情况，避免燃烧器启动困难。

4   合成天然气对全预混燃烧器的影响实验

4.1  实验主要设备

4.1.1 实验用燃烧器

实验用燃烧器采用全预混金属纤维燃烧器，是已经在多种燃烧设备上应用的成熟产品，适用燃气类型为管道天然气，额定热负荷为60 kW，燃气额定压力为2 kPa。其主要部件有引射器、外直径为80 mm的金属纤维筒形燃烧器头部等。该燃烧器根据引射器的原理利用燃气引射空气，空气量随着燃气量的变化而变化，即保证不同热负荷下的空燃比不变［5］。

4.1.2 零压阀和混合器

本实验中混气装置是最重要的组成部分，而气体混合器又是其中的关键部分。传统的燃气比例阀系统可以在任何管道尺寸下获得所需的空燃比，但其补偿取压操作不易实现；而零压阀系统不需要补偿压力，但需要增设流量调节阀，由于流量调节阀流通面积的限定，空燃比的调节范围有限。全预混燃烧系统一般采用“引射式混合器+零压阀”的方案，实现天然气和氢气的混合及混氢比例的控制。其中零压阀通过膜片结构使得pH=pg，达到了控制混氢比例的目的。在混合器中天然气引射氢气进行混合［6］。零压阀和混合器的工作原理见图2。

图2   零压阀和混合器的工作原理

4.1.3 实验炉

本实验采用适用于工业用户和商业用户的圆柱形炉膛的实验炉，为配套全预混金属纤维燃烧器实验而专门加工，燃烧器可以加热该实验炉，并通过实验炉观察火焰燃烧状态以及采集热效率等数据。实验炉的长度为143 cm，内直径为58 cm，炉体设有水冷夹套。炉体侧面有4个观火口。实验炉见图3。

图3   实验炉

4.1.4 烟气分析仪

实验采用德国某公司生产的testo350便携式烟气分析仪，可以测试出烟气中CO、Nox、O2的含量以及烟气温度等参数。

4.2  实验方法

首先把燃烧器调试到燃用纯管道天然气的理想状态，测试该燃烧器在不同热负荷下的烟气排放数据，观察燃烧器的火焰状态。然后，在不调整燃烧器热负荷以及压力的情况下，针对不同的混氢比例，测试燃烧器不同热负荷下的排放数据，观察火焰状态。并记录天然气和氢气的体积流量，烟气中O2、CO和NOx的体积分数。实验过程中没有出现回火、熄火等燃烧不稳定的现象，顺利完成所有工况点的测试工作。实验测试流程见图1。

5   实验结果

5.1  对热负荷的影响

全预混燃烧器需要精准的空燃比才能获得预期的排放性能。目前一般小型燃烧器采用引射空燃比控制，其原理就是利用天然气引射空气进行预混燃烧，引射器会根据燃气量的变化而使得空气量随之发生变化，使空燃比几乎不变，可以解释为气体动力控制的空燃比。本实验燃烧器的预混工作原理就是采用引射空燃比控制，由合成天然气引射燃烧所需的空气，合成天然气与空气充分预混之后燃烧。

根据燃烧器的空燃比控制原理，合成天然气管道保证压力和流通面积不变，因此燃烧器的热负荷与气源华白数成正比。合成天然气的低华白数为：

燃烧器在燃用不同混氢比例（即合成天然气中氢气的体积分数）的合成天然气时的实测热负荷和计算低热值、低华白数的结果见表1。

表1   实测热负荷和计算低热值、低华白数

表1为燃烧器实测数据和华白数计算数据之间的比较。从表1可以看出，全预混燃烧器由于燃气组成变化而引起热负荷变化的规格遵循华白数变化规律。实验用天然气从纯管道天然气到氢气体积分数为23%的合成天然气，尽管其低热值减少了约16%，但其热负荷只减小了4.5%。

实测和计算数据的对比结果说明，华白数指标可以表示采用引射空燃比控制方式的全预混燃烧器的热负荷的变化，即全预混燃烧器的热负荷与华白数变化趋势一致。

5.2  对燃烧稳定性的影响

在整个实验过程中，燃烧器没有出现过回火、脱火、熄火等燃烧不稳定现象。随着混氢比例的提高，火焰更接近锥形，可以认为这是火焰传播速度提高的现象。由于氢气的火焰传播速度比天然气大，因此随着混氢比例的增加，合成天然气的最大法向传播速度也相应增大［7］。

通过计算低华白数、最大火焰传播速度和燃烧势，并在实验中测试出不同混氢比例条件下的过剩空气系数，结合实验过程中合成天然气燃烧的火焰形态，分析全预混燃烧器采用合成天然气的燃烧稳定性。计算与实测数据见表2。

表2   计算与实测数据

对于常用的大气式燃烧器，华白数、燃烧势和最大火焰传播速度是判断燃烧稳定性的重要参数。从表2可以看出，氢气体积分数从0%到23%，最大火焰传播速度增加了约21%，而燃烧势增加了98%，华白数也有所降低。从几种参数的变化来看，合成天然气的性质发生了较大变化，很可能会影响其正常燃烧。但是在实验过程中，随着天然气混氢比例增大，燃烧器工况并没有出现燃烧不稳定现象。同时实测的过剩空气系数不断增大到1.73，说明该全预混燃烧器在实验中处于贫燃状态，合成天然气含量较低，但燃烧器还能保持较为正常的燃烧状态。

由实验结果可见，运用于大气式燃烧器燃烧稳定性判定的华白数、燃烧势和火焰传播速度等参数不能简单地运用在判断全预混燃烧的稳定性上，合成天然气在金属纤维全预混燃烧器上运行，不会有稳定性问题。

5.3  对排放特性的影响

随着混氢比例的提高，合成天然气的热值变低，合成天然气中纯天然气含量减少，因此理论燃烧温度会略微下降，预计其排放指标会更好。实验实测数据也验证了这一点。氮氧化物排放实测数据见图4。

图4   氮氧化物排放实测数据

本实验测试了燃烧系统在不同热负荷下，不同混氢比例时CO和NOx的排放水平，其中在所有的测试工况下，CO排放全部是0。由图4可以看出：

①燃烧系统无论在任何热负荷、任何混氢比例的情况下，氮氧化物的体积分数都不会高于14×10-6。

②图4中不同热负荷的排放曲线聚集在一起的现象也说明，NOx的产生与燃烧器的热负荷无关。

③本实验从纯天然气开始，逐渐增大混氢比例至23%，随着混氢比例的增大，NOx的排放随之有着明显的减小。

以上结果说明全预混燃烧器在燃用合成天然气时排放性能不会下降。

6   结论

①华白数指标可以表示采用引射空燃比控制方式全预混燃烧器的热负荷的变化趋势，即热负荷的变化趋势与华白数的变化趋势一致。

②运用于大气式燃烧器燃烧稳定性判定的华白数、燃烧势和火焰传播速度等参数不能简单地运用在判断全预混燃烧的稳定性上，金属纤维全预混燃烧器在燃用合成天然气时不会产生稳定性问题。

③全预混金属纤维燃烧器在燃用合成天然气时，其排放性能不会下降。

内容来源：网络