全预混燃烧技术关键因素分析

Alexandria2020

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。

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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。

来源：网络