燃烧系统空气侧增设磁场对燃烧的影响

周 靓 秦凤华 高 阳 李明明 毕洪伟 贺 铸 潘 妮

(1.武汉科技大学材料与冶金学院，2.中冶南方(武汉)热工有限公司，3.西宁特殊钢股份有限公司)

富氧燃烧技术可以大幅提高火焰温度、热效率，降低烟气量，是一项具有广阔应用前景的高效节能技术[1]。国内外学者主要通过理论和实验的方法研究了富氧燃烧技术的节能特性和污染物排放特性等[2-9]。在节能特性研究中发现，随着助燃气体中氧气体积分数增加，燃点降低，燃烧速度加快，有利于提高燃料燃尽度和燃烧效率[10-11]。对污染物排放特性的研究发现，随着氧气体积分数增加，烟气中CO2体积分数增加，有利于CO2富集[12-13]。然而，制氧成本居高不下制约了富氧燃烧技术的推广应用[14]。为了降低制备富氧空气的成本，文章根据空气中不同成分在磁场中受力不同的原理，提出采用梯度磁场制备富氧空气。在此基础上研究了空气侧增设磁场对燃烧的影响。

1 磁场对空气中氧气的影响

空气中氧气属于顺磁性气体，而其他绝大多数气体则为反磁性气体[15]。氧气的磁化率是氮气的251倍，氧分子在梯度磁场作用下被磁场吸引，拉向磁场增强方向，趋于磁体附近而形成富氧气层；氮磁矩方向与磁场方向相反，被推向磁场减弱方向[16]。按照涡动力学原理，当磁场力为非保守力时，磁场力将诱导出涡流，引起空气对流。即：在梯度磁场下，当氧气磁化率出现不均匀时，磁场力作用于氧气，改变氧气运动轨迹，在管道内产生局部富氧空气。文章在此理论基础上自制磁场装置，安装于燃烧系统空气侧管路上，研究空气经过磁场后对燃烧的影响。

2 实验方案及目的

燃烧实验系统及监测系统如图1所示。

图1 实验系统及监测系统

实验系统主要由实验炉、空气系统、燃气系统和分析检测系统组成。实验炉包括炉本体、燃烧装置(烧嘴)及排烟系统；空气系统包括空气罐(或风机)、空气总阀、调节阀、流量计和磁场设备；燃气系统包括燃气罐、燃气总阀、调节阀和流量计；分析检测系统包括热电偶、烟气分析仪和红外热像仪。

实验主要研究空气管路上加磁场后对燃烧的影响。实验条件为：空气流量98 m3/h，空气压力稳定在1.0 kPa，燃气流量在9.5～11.8 m3/h平稳调整。记录炉内的温度、烟气的CO和NOx含量以及残氧值。实验在相同条件下多次进行，有较好的重复性，结果可信度较高。

3 实验结果分析

3.1 磁场对炉温的影响

与无磁场相比，在空气侧设置磁场后，炉内升温速率显著提高，如图2所示。在增加磁场后，相同燃料供入量条件下炉膛升温较快，有一定节能效果。

图2 有磁场和无磁场条件下炉膛温度

3.2 磁场对燃烧产物中O2含量的影响

实验连续进行过程中，炉温具有大滞后、多变量、强耦合、时变、非线性、大惯性等特点，很难实现炉温完全相同条件下的对比，现对炉温较为接近的数据进行分析。平均炉温760 ℃时，有磁场和无磁场条件下烟气中氧含量对比如图3(a)所示。在空气侧增加磁场后，燃烧产物中氧含量降低。随着空气系数增加，烟气中氧含量有所升高，即氧气过量。增加磁场后，随着空气系数的增加，烟气中氧含量先是降低较为明显，之后降低幅度逐渐缩小。这说明，在空气侧增加磁场后可进一步减小空气系数，在炉子节能(增加磁场后炉温升高)的基础上，可以进一步减小空气量，降低空气动力能耗。加磁场后，炉温分别为760 ℃和830 ℃时，烟气中氧含量的对比如图3(b)所示。随着炉温升高，燃烧产物中氧含量降低。这是因为燃烧反应中各组分活性随温度的升高而升高，炉温越高，反应进行越激烈，烟气中氧含量越低。

图3 磁场对燃烧产物中氧含量的影响

3.3 磁场对燃烧产物中CO含量的影响

为了研究磁场对燃烧产物中CO含量的影响，实验过程将空气供给量保持在98 m3/h，调整燃料供给量，检测燃烧产物中CO含量变化情况，实验结果如图4所示。无磁场的情况下，燃料量较低时，可燃物质燃烧完全，产物中CO保持较低水平且稳定，随着燃料量持续升高，达到贫氧燃烧时，烟气中CO含量较高。在空气侧增加磁场后，随着燃料量的升高，烟气中CO含量增幅明显减小。因此可以得出结论：在相同燃烧条件下，在空气侧增加磁场能够促进燃烧反应进行，尤其在贫氧燃烧时表现更加明显。

图4 燃烧产物中CO含量随燃料量的变化规律

由燃烧产物中CO含量随空气系数的变化规律可以看出，空气侧增设磁场会降低燃烧产物中CO含量。但增设磁场会使得氧气相对浓度增加，使得实验变量不唯一，为了更进一步确认增设磁场对燃烧产物中CO含量的影响，在贫氧条件下(空气系数均小于1)进行了对比实验。降低空气系数，使烟气中几乎不含残氧，调整燃气供入量，观察增设磁场前后燃烧产物中CO含量的变化情况，实验结果如图5所示。随着空气系数的升高，烟气中CO含量急剧降低。炉温1 120 ℃无磁场时燃烧产物中的CO含量明显高于炉温875 ℃增设磁场的。因此可以得出结论，在空气侧管路增设磁场，能够影响炉内燃烧状况，提高可燃物质与O2碰撞几率，增加燃烧反应速率。

图5 贫氧条件下磁场对燃烧产物中CO的影响

3.4 磁场对燃烧产物中NOx含量的影响

当今社会对燃烧产物中NOx排放量极为关心，因此，实验同时对增设磁场前后燃烧产物中NOx含量进行了检测，结果如图6所示。随着空气系数的升高，燃烧产物中NOx含量升高。空气系数升高意味着供给空气量增加，燃烧反应进行更加彻底，燃烧区域温度也将升高，而燃烧温度越高越有利于热力型NOx生成。因此，近年来的新型燃烧技术都在力求降低燃烧区域峰值温度，达到减少NOx排放量的目的。由图6可以看出，在空气侧增设磁场对NOx生成量影响并不大，这说明，磁场并没有使火焰峰值温度升高，不会增加NOx排放量。

图6 增设磁场前后燃烧产物中NOx含量对比

4 结论

实验在空气侧管路增设磁场，观察磁场对燃烧产物的影响情况。在相同条件下重复实验，结论趋势相同，可信度较高。通过对实验数据初步分析，可以得出以下结论：

(1)增设磁场能够提升炉膛温度；

(2)增设磁场后，燃烧产物中氧含量降低，说明磁场能够促进氧与可燃物质的燃烧反应，使反应更加完全；

(3)增设磁场后，燃烧产物中CO含量同样降低，更进一步证明磁场对燃烧反应的促进作用；

(4)增设磁场不会引起燃烧产物中NOx排放量增加。

因此，在此方向做进一步的研究，能够促进我国化石燃料燃烧企业的节能减排工作，有非常重要的环保意义并提升经济效益。