全预混表面燃烧污染物排放特性的实验研究

同济大学机械与能源工程学院 黄思怡 冯 良 孟莉莉

全预混表面燃烧污染物排放特性的实验研究

同济大学机械与能源工程学院 黄思怡 冯 良 孟莉莉

对全预混表面燃烧污染物排放特性进行了实验研究，实验结果显示 NOx排放量随过剩空气系数增加而降低。进而综合考虑过剩空气系数对燃烧热效率和 NOx排放水平的影响，给出了全预混表面燃烧过剩空气系数的建议值。

全预混表面燃烧金属纤维燃烧器 过剩空气系数 NOx排放

0 前言

近年来，天然气作为清洁燃料代替煤和石油的领域日益扩大，燃烧后产生的氮氧化物的污染不容忽视，形成的酸雨或酸雾是雾霾的重要前驱物。各项技术监督管理规程相继对氮氧化物的排放量提出了严格的要求，例如《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)规定自2014年7月1日起，新建燃气锅炉执行表规定的大气污染物氮氧化物排放限值为200 mg/m3。北京市《锅炉大气污染物排放标准》(DB 11/ 139—2015)提出更严格的规定：2017年3月31日前新建锅炉规定的氮氧化物排放限值为80 mg/m3，2017年4月1日起新建锅炉规定的氮氧化物排放限值为30 mg/m3。新政策的出台使广泛应用排放低氮氧化物的燃烧系统成为必然。

全预混表面燃烧方式燃烧速度快，火焰短，在这个极短的燃烧区域，燃烧产物的停留时间也极为短暂，减少了NOx的生成机会。同时，燃烧在金属纤维表面稳定进行，温度分布均匀，减少了局部高温点，NOx的生成量进一步减少，因而全预混表面燃烧能从源头减少NOx化物的排放。

1 实验研究

1.1 实验系统

图1是实验所用系统流程图，燃气经由燃气比例阀进入混合器中与空气混合，经过风机的搅拌抽吸作用，形成一定比例的可燃混合气体进入炉膛内部，在金属纤维燃烧器表面燃烧放热。炉膛壁面采用水冷壁，供自来水进行壁面冷却，防止壁面温度过高。在烟囱出口处设置烟气分析仪烟气测点。

图1 实验系统流程

1.2 实验设备

1.2.1 比例阀

对于功率较小的全预混燃烧系统，常采用零压阀控制调节空燃比。常见的零压阀有：DUNGS零压多功能调节器D01和E01、SIT840燃气比例阀、Honeywell VK4110/VK4115燃气控制阀、SIMENS VGU82燃气比例阀等。其中，SIEMENS VGU82燃气比例阀为带指挥器的零压阀，采用先导阀原理，并利用伺服膜片结构间接调节燃气比例阀出口压力以及空燃比，调节更为灵活。

本实验系统使用的比例阀为SIEMENS VGU82，该阀结构如图2所示。

图2 燃气比例阀的结构

零压阀可实现安全关断、压力伺服和空燃比控制等多种功能。系统运行时，燃气由入口流过主切断阀1后，绝大部分经过零压阀调节器4和空燃比调节阀15流至出口。SIEMENS VGU82燃气比例阀的安全关断功能是开启和快速切断燃气供应，该动作由两个常闭阀(主切断阀 1和运行阀 2)和零压调节器4共同完成。压力伺服功能保证了零压阀调节器4出口燃气压力与空气测管压力相等，该功能主要由压力伺服阀3、零压调节器4、伺服膜片8、空气测压管连接口12、限流阀16共同作用完成。空燃比调节功能是通过调节压力伺服阀3及空燃比调节阀 15处的手动螺丝完成的，该功能保障了燃烧过程中所需的空燃比。

1.2.2 混合器

本实验所用混合器采用风机上游混合方式，燃气空气混合器装在风机吸入口处。混合器内部结构图如图3所示。该混合器又称为文丘里混合器，可达到一定混合效果的并使压力损失非常小。图4是对原混合器进行内部结构修改之后得到的混合器的内部结构示意图，修改的原则是：尽量增强混合器内部涡流强度，以增加混合器的混合效果，同时不显著增加混合器压力损失，并且保证混合器结构不致过于复杂，以便于加工制造。从图中可以看到，修改之后的混合器取消了原混合器内部芯体结构处混合气体流经的渐扩管，这主要是为了增强混合器内部芯体结构之后涡流强度。

图3 原混合器结构

图4 修改后的混合器结构

1.2.3 金属纤维燃烧器

实验中，表面燃烧所用多孔介质为金属纤维。目前常见的金属纤维可分两类：烧结式金属纤维和片状金属纤维编织物，均是由直径大约为20 um的超细金属纤维加工而成。烧结式金属纤维是用烧结工艺将超细金属纤维连在一起，片状金属纤维用的是特殊的编织工艺。本实验所用多孔介质属于烧结式金属纤维，是一种称为 FeCralloy的合金丝，其合金成分见表1。

表1 FeCralloy金属纤维合金化学成分

图5为实验所用金属纤维燃烧器头部结构示意图。该燃烧器为圆柱状燃烧器，柱体直径30 mm，圆柱150 mm，多孔介质金属纤维紧贴在圆柱面周围。

图5 金属纤维燃烧器头部结构示意

1.2.4 烟气分析仪

本实验测量污染物所用仪器为testo350烟气分析仪，其可测量O2、CO、NO、NO2等多种气体。测量时，将烟气侧头固定在燃烧炉膛烟囱处即可。需要说明的是，虽然该型烟气分析仪进行烟气分析的时候，无需将烟气中的水蒸气冷凝排除，但是工作一段时间之后，仍需检查分析箱内部冷凝水积水情况，过量的积水会严重影响烟气分析仪的使用精度。

1.3 实验方法

该实验主要探究全预混表面燃烧污染物排放与过剩空气系数和燃烧功率之间的关系。首先，通过燃气比例阀设定过剩空气系数，测量不同的功率时，NOx的排放情况，然后在不同的过剩空气系数下重复此操作。

实验过程中，由于空气量不好精确测量，过剩空气系数需要采用以下计算方法确定。按照过剩空气的定义：

式中：V0——理论空气量，m3；

V——实际空气量，m3；

△V——过剩空气量，m3。

1.3.1 计算过剩空气量△V

在完善硬件平台的基础上，软件系统设计选用STC12C5A60S2单片机为中央处理器进行软件设计。系统主控软件流程图如图7所示。

空气中氧气的容积成分是21%，所以过剩空气量为：

式中：

△V——过剩空气体积，m3；——过剩氧体积，m3；

将式(3)代入到式(2)中，可得：

可以用干烟气中由空气带入的氮含量确定：

空气中氮的容积成分是79%，所以实际空气量：

将式(4)、(6)代入到(1)中，可得：

将式(8)代入到(7)中，可得：

式中的RO2’和O2’均由烟气分析获得。

1.3.3 过剩空气系数α

式中：RO2max——燃烧产物RO2的最大理论含量；

RO2’ ——燃烧产物RO2的实际含量。

当燃气一定时，RO2max的值一定，本实验中所用燃气的RO2max近似为11.9，由烟气分析仪测得的RO2’绝大部分为CO2，所以只需测得烟气中CO2的成分，便可以获得过剩空气系数。

2 实验结果和分析

图6是整理实验所得数据之后得到的不同功率下NOx排放体积浓度随过剩空气系数变化曲线。

图6 NOx排放体积浓度随过剩空气系数变化曲线

从该图可以看出，随着过剩空气系数的增加，NOx排放体积浓度呈减小趋势。其中，在过剩空气系数从1.05左右增加至1.2附近时，NOx排放体积浓度急剧减小，之后随着过剩空气系数的继续增加，这一趋势开始变得缓和，具体为：过剩空气系数从1.2增加至1.4的过程中，NOx排放体积浓度的降低速度逐渐减慢。从图中还可以看到，不同功率下，NOx排放量差别不大，这说明NOx的排放不随功率改变而有显著的变化。由于加大过剩空气系数会增加烟气排放热损失，综合来看，过剩空气系数在1.2至1.3之间取值比较合理，NOx排放浓度能够控制在 10×10-6左右，远远低于现有天然气锅炉的排放值。

3 结语

(1)本文通过实验研究了全预混表面燃烧的污染物的排放特性。实验结果表明当过剩空气系数从1.05到1.2变化时，污染物的降低非常显著，进一步增加过剩空气系数，污染物的降低趋势开始变的缓慢，而功率对污染物排放的影响不显著。

(2)综合考虑过剩空气系数对燃烧热效率和污染物排放的影响，建议过剩空气系数在 1.2至 1.3之间取值。实验结果表明NOx排放浓度能够控制在10×10-6左右，远远低于现有天然气锅炉的排放值，符合相关标准的规定。

Experimental Study on Pollutant Emission Characteristics of Premixed Surface Combustion Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Huang Siyi FengLinag MengLili

In this paper, the pollutant emission characteristics of premixed surface combustion are studied by experiments. Results show that the amount of NOxemission decreases with the increasing of air excess rate. Then proposed value range of the air excess rate of the premixed combustion is given basing on the air excess rate’s influenceon the heat efficiency and the level of NOxemission.

premixed surface combustion, metal fiber burner, air excess rate, NOxemission