直流式燃燒氣體燃料的實(shí)驗(yàn)研究

直流式燃燒氣體燃料的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)中國(guó)對(duì)吸入污染、nox、sox和co的統(tǒng)計(jì)，燃料燃燒產(chǎn)生的污染約占總污染物的70%。燃料燃燒排放是產(chǎn)生大氣污染物的主要來(lái)源。采用先進(jìn)的低污染燃燒設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃燒設(shè)備，有效降低燃料消耗，是燃燒裝置發(fā)展的必然趨勢(shì)。因此，低污染燃燒裝置的研究和開(kāi)發(fā)已成為一個(gè)重要的研究方向。燃燒所排放的污染物主要由氧化氮、一氧化碳、碳?xì)浠衔?包括未燃燒和部分燃燒)、氧化硫和固體粒子等5種.對(duì)于燃燒碳?xì)淙剂系娜紵b置來(lái)講,污染物主要包括CO和NOx,所以必須在保證穩(wěn)定燃燒和低CO排放的同時(shí),降低NOx生成.而NOx的生成量主要取決于NO的生成量.在本實(shí)驗(yàn)中主要是“熱力”NO和“瞬發(fā)”NO.目前,減少NOx形成和排放的方法有很多種,主要有分級(jí)燃燒技術(shù)、RQL燃燒技術(shù)、LDI貧油直接噴射技術(shù)、LPP+變幾何燃燒室、燃料再燃燒法、低氧燃燒技術(shù)、濃淡燃燒技術(shù)等.在本燃燒室中,主要采用燃料和空氣兩級(jí)供入的燃燒方式.空氣和燃料都分一、二兩級(jí)供入,這樣兩級(jí)空氣和兩級(jí)燃料的配比將直接影響燃燒室污染物排放和燃燒性能.一級(jí)燃燒有利于點(diǎn)火和穩(wěn)燃,一級(jí)燃料燃燒應(yīng)盡可能完全燃燒和低排放,并為二級(jí)燃燒創(chuàng)造良好的燃燒條件.為了提供正確匹配兩級(jí)燃料和兩級(jí)空氣的實(shí)驗(yàn)依據(jù),需要首先研究只有一級(jí)燃料情況下兩級(jí)空氣的不同匹配對(duì)燃燒性能及污染物排放的影響.在本燃燒裝置中,一、二級(jí)空氣分別從多孔板火焰穩(wěn)定器前后分別供入燃燒室內(nèi)腔體.一級(jí)空氣從多孔板前方供入,一級(jí)空氣的流量大小直接影響空氣流過(guò)孔板的流速,進(jìn)而影響孔板后的回流區(qū)大小;二級(jí)空氣從孔板后方周向的8個(gè)孔供入,起補(bǔ)燃、摻混的作用,同時(shí)也對(duì)多孔板后方流場(chǎng)產(chǎn)生影響.一、二級(jí)供氣匹配的不同將影響燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及一級(jí)燃料射流附近的局部余氣系數(shù),因而將對(duì)燃燒室燃燒性能和污染物排放產(chǎn)生影響.本文闡述了只有一級(jí)燃料供入時(shí),兩級(jí)空氣匹配不同對(duì)燃燒性能和污染物排放的影響,并初步探討了一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度對(duì)燃燒和污染物排放的影響.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)步驟1.1入燃燒內(nèi)腔體的吹入內(nèi)腔體實(shí)驗(yàn)燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖1所示,燃料氣體通過(guò)6個(gè)?0.7mm且與軸向成20°的孔直接噴入燃燒室內(nèi)腔進(jìn)行燃燒(直射噴頭示意圖如圖2),空氣分兩路進(jìn)入燃燒室.第1級(jí)氣流通過(guò)燃燒室前環(huán)腔壁上的8個(gè)?20mm的孔徑向吹入內(nèi)腔體,直接吹向穩(wěn)定器;第2級(jí)氣流則通過(guò)中環(huán)腔,從內(nèi)套筒壁上的8個(gè)?20mm的孔徑向進(jìn)入內(nèi)套筒.多孔板火焰穩(wěn)定器的堵塞比為75%,多孔板開(kāi)孔率不宜太大,開(kāi)孔率大,回流區(qū)小,不利于燃燒充分,因而開(kāi)孔率取為7%(直徑為10mm,孔數(shù)n=20),位于二級(jí)氣流上游L1=88mm處(L1是二級(jí)空氣進(jìn)氣孔中心線距穩(wěn)定器后壁面的距離,認(rèn)為L(zhǎng)1是一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度.)1.2空氣、流量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3,燃料為液化石油氣,由貯氣罐提供,流量由浮子流量計(jì)測(cè)定.燃燒所需空氣由高壓鼓風(fēng)機(jī)提供,流量由浮子流量計(jì)測(cè)定.測(cè)量截面位于燃燒室后距燃燒室出口5mm處.Testo360煙氣分析儀的電化學(xué)測(cè)量探針垂直燃燒室中心線,水平固定在三位移機(jī)構(gòu)上.探針在測(cè)量截面上掃描所測(cè)得的數(shù)據(jù)直接由計(jì)算機(jī)處理保存.1.3實(shí)驗(yàn)和測(cè)量方案為了研究軸向分級(jí)進(jìn)氣,固定一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度L1=88mm,在一定的總空氣量下,固定maΣ分別為30、40、50和60m3/h,燃料流量mf=0.87m3/h,一級(jí)空氣占總空氣量的百分比ma1/maΣ分別為0、25%、50%、75%和90%.在上述參數(shù)下,測(cè)量出口截面燃?xì)鉁囟确植己蚇Ox及CO的分布,探討不同空氣分級(jí)配比對(duì)燃燒和污染物排放的影響.然后,在一定的工作參數(shù)下,改變一級(jí)燃燒區(qū)的長(zhǎng)度L1,探討一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度的變化對(duì)燃燒和排放的影響.實(shí)驗(yàn)工況出口截面參數(shù)的測(cè)量都沿半徑方向取5點(diǎn)等距測(cè)量.2結(jié)果與分析2.1不同空氣分類的影響是出口溫度和排放的影響2.1.1空氣-空氣配比對(duì)出口溫度和nox分布曲線的影響圖4、圖5和圖6是燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)α為2.90,在一級(jí)空氣占總供氣量百分比分別為0、25%、50%、75%和90%5種配比下所測(cè)得的出口截面溫度,NOx和CO排放沿徑向的5點(diǎn)等距分布曲線.從圖4,圖5,圖6可以看出在不同配比下,出口溫度、NOx和CO沿徑向的分布趨勢(shì)基本相同,即T和NOx分布中心高,邊緣區(qū)低,而CO分布比較平緩,但取值不同,隨著一級(jí)空氣所占比例的增加,溫度和NOx分布曲線總體上移,CO曲線總體下移.2.1.2級(jí)空氣流量對(duì)燃燒效率的影響對(duì)每一種配比下的溫度、NOx和CO排放的5點(diǎn)等距分布做等環(huán)面積平均,得到圖7、圖8和圖9.圖7、圖8和圖9是燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)2.90,在一級(jí)空氣占總供氣量百分比ma1/maΣ分別為0、25%、50%、75%和90%5種配比下,出口截面等環(huán)面積平均溫度、NOx和CO排放量的變化情況.圖7表明,隨著一級(jí)空氣比例增大,出口截面的平均溫度單調(diào)上升.說(shuō)明一級(jí)空氣比例加大有利于提高燃燒效率.原因是主噴頭形成6股射流火焰,一級(jí)空氣通過(guò)多孔板火焰穩(wěn)定器形成低速回流區(qū)來(lái)穩(wěn)定火焰,當(dāng)一級(jí)空氣流量增加時(shí),繞流多孔板的速度增加,同時(shí)通過(guò)多孔板穩(wěn)定器各孔的氣流流速也增大,與燃料流之間的湍流摻混度增加,有利于燃料的充分燃燒,提高了燃燒效率.圖9顯示隨一級(jí)空氣比例增加,出口截面CO排放量逐漸下降,這從另一個(gè)側(cè)面反映出隨一級(jí)空氣比例的增加,燃燒更完全,效率更高.但是,當(dāng)ma1/maΣ超過(guò)90%后,火焰開(kāi)始失穩(wěn)、脫火,然后在較短的時(shí)間后熄滅.原因可能是一級(jí)空氣的流量超過(guò)一定限度后,通過(guò)孔板的射流進(jìn)一步加強(qiáng),將火焰吹向離主噴頭更遠(yuǎn)的位置,同時(shí)二級(jí)氣流的減少不只使其向后的氣量減少,也使補(bǔ)燃和加強(qiáng)回流區(qū)的向前的氣量減少,不利于火焰穩(wěn)定.圖8中的出口截面NOx排放平均值隨一級(jí)空氣所占百分率的變化趨勢(shì)與圖7溫度的變化趨勢(shì)大致相同,燃燒區(qū)的溫度高于出口平均溫度,出口平均溫度越高說(shuō)明燃燒區(qū)溫度更高,當(dāng)燃燒區(qū)溫度達(dá)到氮氧化物大量生成的溫度后,隨溫度升高熱力氮氧化物的生成量會(huì)逐漸增加,所以會(huì)有圖8所示的變化趨勢(shì).2.2余氣系數(shù)圖10、圖11和圖12中的固定燃料流量mf為0.87m3/h,除空氣總量為60m3/h以外,再選擇另外3種空氣總量30m3/h、40m3/h和50m3/h,也就是總余氣系數(shù)α為1.45、1.93和2.42時(shí),分別在一級(jí)空氣占總供氣量25%和50%兩種配比下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到出口截面平均溫度、NOx和CO排放平均值隨總余氣系數(shù)的變化規(guī)律.從圖10和圖11可以看出,當(dāng)總余氣系數(shù)為1.45、1.93和2.42時(shí),隨著一級(jí)空氣所占比例由25%上升至50%,出口截面平均溫度和NOx排放量都相應(yīng)增加.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果從另一角度說(shuō)明至少在1.45到2.90的總余氣系數(shù)變化范圍內(nèi),隨一級(jí)空氣占總空氣量比重的增加,出口截面平均溫度升高,NOx排放平均值升高.圖12顯示CO的排放總體都在很低的水平,燃燒較充分.2.3不同級(jí)別燃燒區(qū)域的長(zhǎng)度對(duì)燃燒和排放的影響2.3.1燃燒溫度的影響燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)為2.90,在一級(jí)空氣占總供氣量百分比ma1/maΣ為75%工況下,改變穩(wěn)定器位置(改變L1/D1,即一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)與燃燒空、內(nèi)筒直徑之此),測(cè)得出口截面溫度NOx和CO排放沿徑向的5點(diǎn)等距分布曲線.出口溫度T和NOx、CO的分布趨勢(shì)基本相同,即T和NOx在中心區(qū)高,邊緣區(qū)小,而CO分布則較平緩.L1/D1對(duì)T、NOx和CO的影響不很明顯.呈現(xiàn)出較復(fù)雜的狀況.2.3.2級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度對(duì)nox排放的影響為了直觀分析燃燒室一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度L1變化對(duì)燃燒和排放的影響,對(duì)不同L1/D1情況下的溫度、NOx和CO排放的5點(diǎn)等距分布做等環(huán)面積平均,得到圖13,圖14和圖15.從圖14可以看出,在L1/D1=0.69處,NOx的排放有一個(gè)最低值.表明對(duì)于NOx存在最佳的一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度,這很可能是由于二級(jí)射流既有補(bǔ)燃作用也有減小高溫區(qū)、減少NOx生成的摻混作用,L1長(zhǎng)度合適,有利于后者之故.圖15顯示在此位置CO排放相對(duì)較高,但絕對(duì)量不足3×10-6.圖13表明,隨著一級(jí)燃燒區(qū)長(zhǎng)度變化,出口截面平均溫度的變化不很顯著,這說(shuō)明對(duì)燃燒效率影響不大.因此,對(duì)于本燃燒室布置,穩(wěn)定器在L1/D1=0.69附近應(yīng)該是較好的工作位置.3燃燒效率與一級(jí)空氣排放比例對(duì)燃燒效率的影響1)在實(shí)驗(yàn)的分級(jí)燃燒裝置中,當(dāng)燃料流量一定,空氣總量一定,