全预混燃烧技术关键因素分析
同济大学机械与能源工程学院 燃气研究所 陈聪 一、研究背景 (一)天然气燃烧烟气中的污染物SO2、Nox、CO等的排放量明显低于其他常规一次能源,在节能减排方面具有很大的发展潜力。随着碳中和与碳达峰目标的提出,天然气作为低碳高能量的常规燃料被认为是最佳的过度能源。 (二)民用燃具增长迅速,据统计,我国燃气快速热水器年销售量已连续6年超过1300万台,而壁挂炉等其它设备均有极大的增长潜力。 (三)NOx作为燃烧产物之一,其危害性很大,研究表明[1],100ppm的NOx毒性约为CO的十倍或SO2的3倍,NO与人体血红蛋 白亲和力极强,吸入过多时会导致人体缺氧进而中枢神经麻痹,严重时导致死亡。 (四)现在绝大部分民用燃具为大气式或部分预混式,NOx排放通常偏高。随着节能减排的进一步深入,民用燃具低NOx燃烧技术 已日益受到重视,有必要对民用燃具的低NOx燃烧技术进行研究分析. (五)较之工业方面,民用燃具降低NOx的研究起步较晚,受重视程度不够,降低NOx的技术方法也有较大差异。一方面要考虑降 低NOx效果等技术问题,另一方面还要考虑应用的适用性和经济性,因此很多在工业上可行的方法,在民用燃具上很难实现, 给民用燃具降低NOx提出了很多新的问题。 (六)
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热力型NO T-NO: 1.影响T-NO生成速度的主要因素 为所在区域的局部状态参数; 2.即该局部区域的温度T、氧气浓度、氮气浓度以及停留时间t; 3.在民用燃具中,采用空气做氧化剂,氮气浓度变化不大,因此主要影响因素还是局部区域的温度、 浓度和停留时间t。
快速型NO P-NO 1.一次空气系数大于1 时,反应内几乎不生成快速型NO; 2.一次空气系数在0.7-1之间时,反应中有较多的快速型NO生成,且在反应带下游高温区有热力型NO生成; 3.当一次空气系数小于0.7 时,反应中所生成的NO基本都是快速型 NO; 4.供给足够的氧气能够降低快速型NO的生成。
燃料型NO F-NO 1.燃料中的氮化合物,燃烧过程中转化的NO; 2.随着国家“双碳”战略的提出,部分学者开始研究NH3等含氮燃料的燃烧,因此对于燃料型NO的产生仍不能被忽视; 3.在天然气等常用气体燃料中不含氮化物,因此燃烧不会产生F-NO。
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(十)温度低于1500℃时,热力型NOx生成量很少;高于1500℃时,温度每升高100℃,NOx生成速度将增大6~7倍 l 降低燃烧温度,消除局部高温——分级火焰、催化燃烧; l 缩短在高温区停留时间——分级火焰; l 燃烧在远离化学计量比的工况下进行——全预混燃烧,浓淡燃烧; l 降低氧气浓度——分级燃烧、烟气再循环
二、全预混燃烧的特性 (一)扩散式燃烧 :燃气与空气不预混,完全依靠扩散作用实现 燃气与空气的混合,边混合边燃烧,火焰长且软 。 (二)部分预混燃烧 :一次空气系数为0<α/<1(一般为0.45~0.75), 燃烧过程中二次空气进行扩散补充。 (三)全预混燃烧 :燃气与空气完全混合后,不需要二次空气, 过剩空气系数α≥1,先混合再燃烧,火焰短且硬。
全预混燃烧技术是将燃气与空气(一次空气系数略大于1)在进入燃烧室前充分混合,在进入燃烧室后,混合物瞬间完成燃烧的技术,由于燃料迅速完全燃烧,因此所产生的NO与 CO都会很低。 全预混燃烧技术降低NOx生成的原因有以下几个方面: 1.全预混燃烧由于一次空气系数大于1且混合均匀,因此不会产生快速型NO; 2. 燃烧温度均匀,不会有局部高温,因此不会产生过多热力型NO; 3.燃烧完成迅速,烟气在高温区域停留时间很短,进一步降低热力型NO的生成。 但是燃气与助燃空气的混合 物是爆炸性气体,其火焰传播速度极快,且易发生回火, 火焰稳定性较差,因此需要使用一些方法来稳定火焰,防止发生爆炸等危险。常用的方法有多孔陶瓷、金 属纤维、水冷却等。
对于水冷却法而言,引射器用来混合燃气与空气,但是为了保证引射空气量,大部分中会采用风机来强行增大引射空气量,而风机所产生的压力对一次空气系数产生影响后,会导致一次空气系数不可控,如下图:
面对的几个疑问: 一次空气系数? 不考虑引射器的工作状况下, NOx随一次空气系数变化的趋势如何 二次空气? 是否需要二次空气 ,二次空气量对NOx是否产生影响 水冷却? 水冷却作用是否会对NOx生成造成影响 ,水冷却的主要作用机制如何发生 其它因素? 是否还有其它因素对NOx产生影响
三、关键因素的研究
NO主要生成与高温区域之后,在O摩尔浓度在1.8e-4附近的区域重合度很高,并与温度T >1700K的区域也有一定程度的重合,与HCN的 重合度很低。 由此可知,NO的主要产生于温度>1700K的火焰下游位置,而根据NO的生成机理与生成路径可知,O原子是T-NO生成的重要中间产物,HCN 基团是P-NO生成的重要中间产物。 因此可以认为全预混燃烧中的NO主要是T-NO,并且受温度影响较大。
一次空气的影响 随着一次空气量的增大,燃烧生成的NO均呈下降趋势; 其下降原因主要在于一次空气的增加造成气总流量增加,对火焰产生了拉伸效应,火焰面增大,散热量增加,从而导致燃烧温度下降,造成T-NO生成减少; 一次空气的增大造成的总流量增大,火孔面积不变时,其出口速度增加,缩短了高温区的停留时间,进一步降低T-NO的生成。
温度分布可推测燃烧过程中的火焰形态。 从火焰形态来看,随着α的增大,火焰逐渐拉伸。 l 当α为1~1.1时,火焰基本集中在火孔出口出。 l α处于1.2 ~1.4时,位于双火孔的火焰还处于分叉阶段 ,此时火焰整体形态也较好。 l 但当α>1.4时,位于双火孔的火焰全部集中于一簇火焰,并且隐隐有脱火的趋势。 l 并且当α>1.6时,由于温度的升高以及一次空气量的增大,导致气体会从二次风入口处流出,造成烟气泄漏。 l 即随着一次空气系数的增加,火焰稳定性会变差,虽然水冷燃烧技术基本能保证燃烧不会发生回火,但是火焰仍会发生脱火、烟气泄漏等现象。
二次空气的影响 随着二次空气量的增大,NO(α=1)呈 下降趋势,这是由于从侧面进入的二次空气只会影响最外侧火焰的燃烧 ,使得最外侧火焰生成的NO减少,最终造成NO总生成量有所下降。
在二次空气较小时,位于二次空气入口的x在(-0.03,0)区间中,会产生气体的倒流,这也导致燃烧产生的高温烟气会从二次空气入口流出,有可能发生烟气泄露的危险。 随着二次空气的增加,气体倒流的情况逐渐消失。 除此之外,二次空气的变化对最外层火焰的温度产生了部分影响,并造成该区域的NO生成量减少,最终导致烟气中NO的减少。
混合气温度的影响 随着预混气温度的升高,NO的生成量。 有所下降,并且其变化量极小,由此可知,虽然提高预混气温度在一定程度上会提高燃 烧温度,但是也会提高火焰速度并提高反应物活性, 两者对NO生成产生的作用相互抵消,最终导致NO生成几乎没有变化。
其它因素的影响 在引射器的结构中 ,有一部分为混合段 ,该段的作用在于将空气与燃气充分混合。 但是由于现在大部分用于热水器/炉中的引射器结构与传统引射器相差较大 , 因此混合段的混 合效果可能有待考量。 在对现今使用的引射器进行了模拟 ,发现其中存在着组分不均匀与速度不均匀的情况出现。
1、在全预混燃烧中,NO的生成以T-NO为主要来源; 2、通过比较模拟与实验中一次空气系数对NOx生成的趋势,我们可以看出NO随α的增大呈现下降趋势,并且在α∈( 1,1.3)时,下降趋势较快,α>1.4时,下降趋势减缓。并且α>1.4后,火焰形态发生变化,两簇火焰会融为一簇,并且隐隐有脱火倾向,因此最优的α为1.2 ~1.4之间; 3、二次空气量对于NO生成几乎没有影响, 虽然二次空气量的增加能一定程度上降低燃烧室温度,但是对于T-NO生成位置的火焰温度影响不大; 4、水冷却的作用主要在于降低混合气温度,防止在负荷变化时发生回火现象,随着混合气温度升高时,火焰高度有下降趋势,这会导致火焰更不稳定; 5、水冷却的还可以用于烧排的冷却,这样不但可以增加烧排使用寿命,还能一定程度上降低烧排温度,进而降低火焰温度,从而降低NO生成,这也就是之前本文中所提到的有无水冷却对NO有影响,水冷却量的多少对于NO影响不大的原因; 6、速度不均匀性与组分不均匀性对NO的生成也有着较大的影响,在引射器或者火孔设计中,需要对此进行更为细致的考量。
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