不同燃气流量对甲烷火焰NOx排放的影响

上海电气电站集团 宋在乐

上海交通大学机械与动力工程学院 范卫东

0 引言

天然气是城市燃气的理想气源，我国城市燃气气源正在从煤制气为主向天然气为主、液化气为辅过渡，而随着“西气东输”工程的进展，天然气的比重必定不断增加，由此带来的污染物排放问题已经引起了各方面的普遍关注。

与固体和液体燃料不同，碳氢类气体燃料中的硫含量很低，燃烧生成的污染物主要是氮氧化物(NOx)，而且生成机制也不同于固体和液体燃料。民用燃气燃烧器是在常温下运行的，而CH4是天然气的最主要组成部分，因此研究不同预混度和不同燃气流量条件下CH4火焰的NOx排放特性，为民用领域的天然气低NOx燃烧技术提供参考，是一项很有意义的工作。

本文着重于考察不同的预混度和燃气流量对常温CH4火焰NOx排放特性的影响。

1 试验装置和试验工况

试验系统如图1所示，试验模拟的是民用大气式燃气燃烧器的燃烧条件，用以考察常温下预混度和燃气流量对CH4火焰NOx排放特性的影响。试验系统大致由燃烧系统和测量系统两个部分组成，燃气和空气压缩机供应的一、二次风混合后从燃烧器喷口喷入石英管内燃烧，燃烧后产生的一部分烟气经由过滤装置进入测量设备，过滤装置的主要作用是滤去烟气中的炭黑和水分，以防止损坏测量设备。

图1 试验系统示意

在试验工况的选择上，选取了 70、80、90和100 ml/min四个不同流量工况，分别对它们在不同预混度条件下的NOx排放特性进行了考察，选取不同流量工况的目的是为了把一次风(包括燃气)和二次风出口流速的影响考虑在内。

2 试验结果及分析

当一次空气系数变化时，许多研究结果表明燃气火焰的NOx排放存在峰值，但是不同学者给出的NOx峰值及其所对应的一次空气系数各不相同，而且曲线形式也有差异，傅忠诚等撰写的《本生燃烧一次空气系数与NOx的关系》文章中给出了不同学者的研究结果(如表1所示)，并通过进一步的试验研究表明，一次空气系数对燃气在封闭空间内燃烧的NOx产生和在大气中燃烧的NOx产生有不同的影响，通过封闭空间内的天然气燃烧试验得出当一次空气系数为0.8时，NOx出现极大值；且当一次空气系数在0.55～0.7之间时，NOx出现极小值。

表1 NOxMAX对应的一次空气系数

刘效洲等撰写的《壁挂燃气炉污染物排放特性的实验研究》文中认为，对壁挂燃气炉，综合考虑热效率、CO的体积分数、NOx的体积分数3个影响因素，推荐空气系数为1.8～2.0，此时热效率约为91%，CO的体积分数约为30×10-6，NOx的体积分数约为40×10-6。

图2 不同甲烷流量时预混度对NOx排放的影响

宋洪鹏等撰写的《过量空气系数对燃气燃烧中NOx生成的影响》中认为，对于液化气火焰(成分为C3H8和C4H10，体积分数均为50%)，过量空气系数在1.0～1.2之间存在一个最佳值，使得产生的NOx量很少。

本试验的设计思想和上述都有所区别，在相对封闭的空间内，CH4在比较稳定的过量空气供应条件下燃烧，通过改变预混度考察其对NOx排放产生的影响。

在试验工况的选取上，整个试验测量了4个工况共计48个工况点，得出的试验结果如图2所示。

在用统一形式的五次曲线：

其中：y—NOx排放浓度，10-6；

x—预混度，%；

a、b1、b2、b3、b4、b5—系数。

拟合以后，相对误差在0～5%之间的点有38个，占79.2%；在5～10%之间的点有7个，占14.6%；在10%以上的点有 3个，仅占6.2%，且最大绝对误差小于7×10-6。因此，用拟合以后的NOx排放曲线对试验结果进行分析是可信的。

通过分析拟合后的NOx排放曲线可知，随着的增加，NOx排放曲线的峰值右移，即向预混度高的方向移动，依次为39.7%、49.4%、53.1%、61.3%，二者之间的关系如图3所示。

可用一次曲线拟合：

其中：y—预混度，%；

x—CH4流量，ml/min；

a、b—系数。

图3 NOx排放峰值时CH4流量与预混度关系示意

最大相对误差小于4%，可以看出，在本试验的工况范围以内，二者之间基本上是比例增长的关系。NOx排放曲线的峰值随CH4流量的变化关系如图4所示。

在本试验的工况范围以内，随CH4流量增加，NOx排放曲线的峰值先增加，然后趋于稳定，略有下降，依次为 62.4×10-6、70.2×10-6、79.5×10-6、77.4×10-6，二者之间的关系可用二次曲线拟合。

其中：y—NOx排放曲线的峰值，10-6；

x—CH4流量，ml/min；

a、b1、b2—系数。

图4 NOx排放峰值随CH4流量的变化示意

最大相对误差小于 3%，可以推断，随着 CH4流量的增加，NOx排放曲线的峰值可能会出现回落，但是由于受到本试验所采用的燃烧器的限制，流量增加以后气流出口速度增加，容易发生脱火现象，当CH4流量达到90 ml/min以后，已经做不到全预混的工况。

3 结论

通过研究不同燃气流量条件下 CH4火焰 NOx排放随预混度的变化规律发现：

(1)对于常温CH4火焰，随着燃气流量的增加，NOx极值对应的预混度增大，NOx极值先增加然后趋于稳定；

(2)对于常温CH4火焰，在给定燃气流量的条件下，NOx排放随预混度的变化规律可以用五次多项式来表示。