韓徳琳，張 海，張 揚(yáng)，呂俊復(fù)，王隨林

(1.北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系熱科學(xué)與動(dòng)力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

貧預(yù)混燃燒是一種極具潛力的低氮燃燒技術(shù).貧預(yù)混燃燒過程通常工作在較低的當(dāng)量比(Φ 為0.6～0.8)條件下，火焰溫度低，所以可以極大地降低NOx的排放，但是存在燃燒不穩(wěn)定的問題.鈍體穩(wěn)燃是一種工程上常常使用的提高預(yù)混火焰穩(wěn)定性的方式.鈍體可以在其下游產(chǎn)生高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，從而提供一個(gè)穩(wěn)定的低速區(qū)和高溫點(diǎn)火源，維持了火焰的穩(wěn)定.同時(shí)因?yàn)殁g體引發(fā)的回流煙氣對(duì)燃燒過程進(jìn)行了稀釋，抑制了NOx的生成.

由于貧預(yù)混鈍體燃燒在控制NOx方面具有優(yōu)勢(shì)，近年來不少學(xué)者都對(duì)貧預(yù)混燃燒以及鈍體燃燒的NOx生成規(guī)律開展了研究.Cho 等[1]發(fā)現(xiàn)了在極貧燃條件下加入氫氣能夠極大地提升甲烷燃燒的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以降低NOx的排放.Yilmaz 等[2]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了合理調(diào)整湍流強(qiáng)度可以降低 NOx排放.劉聯(lián)勝等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨著甲烷和空氣燃燒當(dāng)量比的增大，NOx排放逐漸增加，而CO 排放逐漸減少.石黎等[4]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，通過增大甲烷和空氣預(yù)混燃燒空氣入口的壓力，會(huì)使NOx排放量升高.Rutar 等[5]、Bengtsson 等[6]和Ouali 等[7]分別研究了停留時(shí)間、溫度、壓力、當(dāng)量比等參數(shù)對(duì)貧預(yù)混燃燒過程 NOx生成的影響，得到了較為一致的結(jié)論.Dutka 等[8]研究了鈍體噴槍位置對(duì)甲烷和氫氣燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)通過合理控制燃燒器鈍體噴槍位置可以顯著減少NOx生成.Cai 等[9]通過三維數(shù)值模擬的方法發(fā)現(xiàn)了增加鈍體可以使NOx生成降低39.1%，但也有可能增加CO 生成.Umyshev 等[10]研究了在矩形燃燒室中兩個(gè)V 型鈍體間距對(duì)NOx排放的影響，發(fā)現(xiàn)NOx的排放量嚴(yán)重依賴于兩個(gè)鈍體之間的距離.Lovett 等[11]發(fā)現(xiàn)鈍體產(chǎn)生的回流可以提供強(qiáng)烈的再循環(huán)和混合，有利于減少NOx生成.Tong 等[12]研究了不同直徑鈍體對(duì)流場(chǎng)和污染物生成的影響，發(fā)現(xiàn)外回流區(qū)位置受鈍體尺寸影響，鈍體越小，火焰越短，火焰越會(huì)向上游傳播，CO 排放水平越高.Handawy 等[13]研究了部分預(yù)混湍流火焰在鈍體燃燒器中的污染物生成，發(fā)現(xiàn)隨著當(dāng)量比增加，火焰平均溫度升高，CO 濃度逐漸下降，NOx排放略有增加.Dutka等[14]通過開展帶有中心鈍體的25 kW 貧預(yù)混燃燒器實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)量比的減小會(huì)減少NOx生成.

通過研究發(fā)現(xiàn)，大部分貧預(yù)混燃燒研究都局限在有限的燃燒熱功率范圍內(nèi)，多數(shù)鈍體燃燒器的鈍體位置固定.在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，燃燒過程熱功率變化較大.熱功率變化時(shí)，由于燃料和空氣流量的變化，會(huì)使得射流出口的速度產(chǎn)生較為顯著的變化，改變局 部的摻混和回流，進(jìn)而顯著影響污染物的生成.因此，在燃燒熱功率變化較大的情況下，保持較低 的NOx和CO 排放水平，是目前工業(yè)界急需解決的問題.

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于位移鈍體的貧預(yù)混燃燒方法.通過鈍體的移動(dòng)達(dá)到控制射流出口流速的目的.本文將通過實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)位移鈍體貧預(yù)混燃燒的工況進(jìn)行優(yōu)化.本文的結(jié)論將對(duì)實(shí)際工業(yè)燃燒器的設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 燃燒器及位移鈍體

圖1 為本文所設(shè)計(jì)的基于位移鈍體的單管燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖.該單管燃燒器由空氣入口段、燃料入口段、預(yù)混段以及鈍體和噴嘴出口組成.空氣從下方空氣入口進(jìn)入后與從燃料入口進(jìn)入的燃料進(jìn)行混合，通過上方的噴嘴及鈍體噴入燃燒室進(jìn)行燃燒.

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematics of the burner structure

圖2 為噴嘴和鈍體的詳圖，噴嘴以及鈍體的外傾角α 均為30°，鈍體可以通過下方的支桿進(jìn)行上下移動(dòng)，其頂端距離下方底部距離為Hb，通過改變Hb的大小，可以控制噴嘴出口的環(huán)形面積，從而達(dá)到控制出口流速的目的.噴嘴出口的直徑為20 mm，出口錐段的長(zhǎng)度為 8.5 mm，錐形鈍體最大截面直徑為8 mm.

圖2 噴嘴及位移鈍體Fig.2 Nozzle and displacement bluff body

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主體是由Al2O3纖維絕熱材料制成的方形燃燒室，高700 mm，截面為62 mm×62 mm.燃燒室前后墻開有石英觀察窗，用于獲取火焰的形態(tài).帶有位移鈍體的燃燒器安裝在燃燒室底部.

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of experimental system

甲烷和空氣氣瓶為實(shí)驗(yàn)提供還原劑和氧化劑，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度，流量采用精度較高的音速噴嘴流量計(jì)進(jìn)行控制.按照設(shè)計(jì)工況，調(diào)節(jié)壓力表讀數(shù)，甲烷和空氣通入燃燒室混合腔內(nèi)進(jìn)行預(yù)混，然后通過燃燒器噴嘴噴入燃燒室進(jìn)行燃燒.

燃燒室側(cè)壁開有直徑14 mm 的孔，用來接入煙氣分析儀的取樣槍，其余煙氣通過風(fēng)機(jī)排到室外.煙氣中的O2、CO、NOx通過Testo 350 煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量和分析，測(cè)量值由煙氣分析儀示數(shù)穩(wěn)定2 min 后讀取.本文中CO 和NOx的濃度數(shù)值均已折算到3.5%O2濃度條件下的數(shù)值，與國(guó)標(biāo)GB 13271—2014保持一致.

實(shí)驗(yàn)所用音速噴嘴與壓力表和Testo 350 煙氣分析儀測(cè)量量程及誤差如表1 所示.

表1 儀器測(cè)量量程及誤差Tab.1 Instrument measurement range and error

2 結(jié)果與討論

2.1 當(dāng)量比對(duì)燃燒污染物排放的影響

為了確定合適的當(dāng)量比，本文首先固定鈍體高度Hb和出口流速v，改變當(dāng)量比Φ，測(cè)量了當(dāng)量比變化對(duì)燃燒NOx和CO 生成的影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取如表2 所示.所需當(dāng)量比應(yīng)當(dāng)在多種實(shí)驗(yàn)工況(不同鈍體高度、不同出口流速)下均可保持較低的污染物排放和良好的燃燒穩(wěn)定性，經(jīng)過優(yōu)化，鈍體高度Hb選擇約為最大可移動(dòng)高度的一半，流速v 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)，具體確定為控制鈍體的高度Hb為3.5 mm，噴嘴出口流速v 為15 m/s，通過改變空氣和甲烷的流量來調(diào)節(jié)當(dāng)量比范圍，為0.6～1.08.燃燒熱功率的變化范圍為1.8～3.2 kW.

表2 當(dāng)量比變化對(duì)污染物排放影響的實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Parameters of the study of equivalence ratio effect on pollutant emission

由圖4 可以看出，當(dāng)量比在0.7～1.0 之間時(shí)，燃燒產(chǎn)物中CO 質(zhì)量濃度均小于1 mg/m3(低于儀器的檢出下限).當(dāng)量比在1.0～1.08 之間時(shí)，燃燒產(chǎn)物中CO 質(zhì)量濃度劇烈上升；當(dāng)量比為1.08 時(shí)，排放量達(dá)到6 000 mg/m3.當(dāng)量比在0.7～1.0 之間時(shí)，燃燒產(chǎn)物中NOx濃度隨著當(dāng)量比的增加呈逐漸上升趨勢(shì)；當(dāng)量比在1.0～1.08 之間時(shí)，燃燒產(chǎn)物中NOx濃度隨著當(dāng)量比增加有所下降.這與多數(shù)文獻(xiàn)中預(yù)混燃燒的結(jié)論一致.在貧燃側(cè)，氧氣充足，CO 可以完全消耗，隨著當(dāng)量比增加，火焰溫度增加，導(dǎo)致NOx不斷增加；在富燃側(cè)，氧氣不足，NOx的生成被抑制，同時(shí)不完全燃燒導(dǎo)致CO 質(zhì)量濃度顯著上升.當(dāng)當(dāng)量比為0.6 時(shí)，火焰出現(xiàn)了明顯的不穩(wěn)定，時(shí)有熄火現(xiàn)象的發(fā)生.

圖4 CO和NOx 排放量隨當(dāng)量比的變化Fig.4 CO and NOx emissions as a function of the equivalence ratio

通過分析可知，在當(dāng)量比為0.9 及以下時(shí)，CO 排放量為0 mg/m3和NOx排放量低于30 mg/m3，滿足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放標(biāo)準(zhǔn).綜合分析燃燒穩(wěn)定性以及CO 和NOx的排放，當(dāng)量比為0.7時(shí)，火焰穩(wěn)定且CO 和NOx排放均處在較低水平，因此在2.2 至2.4 節(jié)的分析中，當(dāng)量比取值均為0.7.

2.2 固定鈍體高度變熱功率對(duì)污染物排放的影響

多數(shù)鈍體燃燒器采用固定鈍體的設(shè)計(jì).為了確定熱功率變化對(duì)燃燒器污染物排放的影響，本文首先固定鈍體高度Hb和當(dāng)量比Φ，改變?nèi)紵鞯臒峁β?，測(cè)量了不同熱功率工況下燃燒時(shí)CO 和NOx生成的影響規(guī)律.參數(shù)選取如表3 所示，控制鈍體高度Hb＝3.5 mm，當(dāng)量比Φ＝0.7，通過調(diào)節(jié)甲烷和空氣的流量來調(diào)節(jié)熱功率范圍為1～3.3 kW.流速的變化范圍為7～23 m/s.

表3 固定鈍體高度及不同熱功率對(duì)污染物排放影響的實(shí)驗(yàn)工況Tab.3 Parameters of the study of the pollutant emission under variable thermal power at fixed bluff body

由圖5 可以看出，隨著熱功率的不斷增大，NOx排放量呈逐漸下降趨勢(shì)，因?yàn)殡S著熱功率的增大，速度也會(huì)相應(yīng)升高，速度升高會(huì)減少煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間，減少熱力型NOx的產(chǎn)生.CO 排放量隨著熱功率的增加呈不斷上升趨勢(shì)，因?yàn)闊峁β试龃髮?dǎo)致流速的上升，停留時(shí)間減小，致使燃燒不完全，會(huì)有少量的CO 產(chǎn)生.綜合CO 和NOx排放的情況可知，流速在15 m/s 時(shí)，CO 和NOx排放量均處于最低點(diǎn).因此可以預(yù)期，使用位移鈍體調(diào)節(jié)出口流速，使不同熱功率下的出口速度都保持在15 m/s 附近，將在較寬的功率范圍內(nèi)獲得較為良好的污染物排放性能.

圖5 CO和NOx 排放量隨熱功率的變化(固定鈍體高度)Fig.5 CO and NOx emissions as a function of the thermal power(fixed bluff body height)

2.3 變鈍體高度條件下不同熱功率對(duì)污染物排放的影響

為了在一定的出口氣流速度下研究燃燒熱功率對(duì)燃燒污染物排放的影響，本文首先固定噴嘴出口流速v 和當(dāng)量比Φ，通過改變位移鈍體的高度Hb，來保證出口的流速v 為定值，測(cè)量了在不同位移鈍體高度下變熱功率燃燒CO 和NOx的排放規(guī)律.參數(shù)選取如表4 所示，當(dāng)量比Φ＝0.7，通過調(diào)節(jié)甲烷和空氣的流量來調(diào)節(jié)熱功率P 范圍為1.1～4.1 kW，通過調(diào)節(jié)位移鈍體的高度來保證噴嘴出口的流速為 v＝15 m/s.位移鈍體高度Hb的變化范圍為2～6 mm.

表4 變鈍體高度及不同熱功率對(duì)污染物排放影響的實(shí)驗(yàn)工況Tab.4 Parameters of the study of the pollutant emission under variable heating power and bluff body height

分析圖6 可以得出，在不同的熱功率下，保證出口氣流速度為15 m/s，則可在1.1～4.1 kW 范圍內(nèi)，CO 和NOx均保持較低濃度的排放，CO 維持在8 mg/m3以下，NOx維持在12 mg/m3以下，滿足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放標(biāo)準(zhǔn).因?yàn)樵谧冣g體高度及變熱功率的工況下，出口流速是不變的，此時(shí)由于流速達(dá)到既可以使煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間減少，也不會(huì)讓燃料由于流速過大而燃燒不完全，所以此時(shí)的流速是一個(gè)較佳的速度.

圖6 CO和NOx 排放量隨熱功率的變化(變鈍體高度)Fig.6 CO and NOx emissions as a function of thermal power(varied bluff body height)

實(shí)驗(yàn)研究中還發(fā)現(xiàn)，在較高的燃燒熱功率(3.7 kW、4.1 kW)工況下，會(huì)產(chǎn)生類似于MILD 燃燒現(xiàn)象(如圖7 所示).在類似MILD 燃燒的情況下，燃燒較為均勻，看不到明顯的火焰鋒面，此時(shí)的CO 和NOx生成量均較低.

圖7 不同熱功率工況下火焰圖像Fig.7 Flame images under different thermal power conditions

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)采用位移鈍體加噴嘴形式的預(yù)混燃燒器，以甲烷和空氣作為燃料和氧化劑，研究在不同當(dāng)量比、熱功率以及在不同鈍體高度不同熱功率情況下CO 和NOx的排放規(guī)律.主要結(jié)論如下：

(1) 隨著當(dāng)量比的不斷增大，NOx排放量呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)量比在1 及以下時(shí)，CO 排放量(體積分?jǐn)?shù))穩(wěn)定在10-6以下(低于儀器檢出下限)，在當(dāng)量比為1～1.08 之間CO 排放量迅速上升.

(2) 在固定鈍體高度及變熱功率工況下，隨著熱功率的不斷增大，CO 的排放量呈不斷上升趨勢(shì)，NOx排放量呈不斷下降趨勢(shì)，并且在流速為15 m/s 時(shí)，CO 和NOx排放量都比較低.

(3) 改變?nèi)紵裏峁β?，通過改變鈍體高度，保證噴嘴出口流速為15 m/s，得出NOx和CO 的排放量在全部設(shè)計(jì)燃燒工況下都比較低，CO 排放小于8 mg/m3，NOx排放小于12 mg/m3.