位移钝体稳燃的湍流预混火焰污染物生成特性

韩徳琳，张 海，张 扬，吕俊复，王随林

(1.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京 100044；2.清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084)

贫预混燃烧是一种极具潜力的低氮燃烧技术.贫预混燃烧过程通常工作在较低的当量比(Φ 为0.6～0.8)条件下，火焰温度低，所以可以极大地降低NOx的排放，但是存在燃烧不稳定的问题.钝体稳燃是一种工程上常常使用的提高预混火焰稳定性的方式.钝体可以在其下游产生高温烟气回流区，从而提供一个稳定的低速区和高温点火源，维持了火焰的稳定.同时因为钝体引发的回流烟气对燃烧过程进行了稀释，抑制了NOx的生成.

由于贫预混钝体燃烧在控制NOx方面具有优势，近年来不少学者都对贫预混燃烧以及钝体燃烧的NOx生成规律开展了研究.Cho 等[1]发现了在极贫燃条件下加入氢气能够极大地提升甲烷燃烧的稳定性，同时也可以降低NOx的排放.Yilmaz 等[2]通过数值模拟发现了合理调整湍流强度可以降低 NOx排放.刘联胜等[3]研究发现，随着甲烷和空气燃烧当量比的增大，NOx排放逐渐增加，而CO 排放逐渐减少.石黎等[4]通过数值模拟发现，通过增大甲烷和空气预混燃烧空气入口的压力，会使NOx排放量升高.Rutar 等[5]、Bengtsson 等[6]和Ouali 等[7]分别研究了停留时间、温度、压力、当量比等参数对贫预混燃烧过程 NOx生成的影响，得到了较为一致的结论.Dutka 等[8]研究了钝体喷枪位置对甲烷和氢气燃烧的影响，发现通过合理控制燃烧器钝体喷枪位置可以显著减少NOx生成.Cai 等[9]通过三维数值模拟的方法发现了增加钝体可以使NOx生成降低39.1%，但也有可能增加CO 生成.Umyshev 等[10]研究了在矩形燃烧室中两个V 型钝体间距对NOx排放的影响，发现NOx的排放量严重依赖于两个钝体之间的距离.Lovett 等[11]发现钝体产生的回流可以提供强烈的再循环和混合，有利于减少NOx生成.Tong 等[12]研究了不同直径钝体对流场和污染物生成的影响，发现外回流区位置受钝体尺寸影响，钝体越小，火焰越短，火焰越会向上游传播，CO 排放水平越高.Handawy 等[13]研究了部分预混湍流火焰在钝体燃烧器中的污染物生成，发现随着当量比增加，火焰平均温度升高，CO 浓度逐渐下降，NOx排放略有增加.Dutka等[14]通过开展带有中心钝体的25 kW 贫预混燃烧器实验，发现当量比的减小会减少NOx生成.

通过研究发现，大部分贫预混燃烧研究都局限在有限的燃烧热功率范围内，多数钝体燃烧器的钝体位置固定.在实际应用场景中，燃烧过程热功率变化较大.热功率变化时，由于燃料和空气流量的变化，会使得射流出口的速度产生较为显著的变化，改变局 部的掺混和回流，进而显著影响污染物的生成.因此，在燃烧热功率变化较大的情况下，保持较低 的NOx和CO 排放水平，是目前工业界急需解决的问题.

针对上述问题，本文设计了一种基于位移钝体的贫预混燃烧方法.通过钝体的移动达到控制射流出口流速的目的.本文将通过实验研究，对位移钝体贫预混燃烧的工况进行优化.本文的结论将对实际工业燃烧器的设计提供理论和数据指导.

1 实验方法

1.1 燃烧器及位移钝体

图1 为本文所设计的基于位移钝体的单管燃烧器结构示意图.该单管燃烧器由空气入口段、燃料入口段、预混段以及钝体和喷嘴出口组成.空气从下方空气入口进入后与从燃料入口进入的燃料进行混合，通过上方的喷嘴及钝体喷入燃烧室进行燃烧.

图1 燃烧器结构示意Fig.1 Schematics of the burner structure

图2 为喷嘴和钝体的详图，喷嘴以及钝体的外倾角α 均为30°，钝体可以通过下方的支杆进行上下移动，其顶端距离下方底部距离为Hb，通过改变Hb的大小，可以控制喷嘴出口的环形面积，从而达到控制出口流速的目的.喷嘴出口的直径为20 mm，出口锥段的长度为 8.5 mm，锥形钝体最大截面直径为8 mm.

图2 喷嘴及位移钝体Fig.2 Nozzle and displacement bluff body

1.2 实验系统

实验系统如图3 所示，实验系统的主体是由Al2O3纤维绝热材料制成的方形燃烧室，高700 mm，截面为62 mm×62 mm.燃烧室前后墙开有石英观察窗，用于获取火焰的形态.带有位移钝体的燃烧器安装在燃烧室底部.

图3 实验系统示意Fig.3 Schematic diagram of experimental system

甲烷和空气气瓶为实验提供还原剂和氧化剂，为了保证实验结果的精度，流量采用精度较高的音速喷嘴流量计进行控制.按照设计工况，调节压力表读数，甲烷和空气通入燃烧室混合腔内进行预混，然后通过燃烧器喷嘴喷入燃烧室进行燃烧.

燃烧室侧壁开有直径14 mm 的孔，用来接入烟气分析仪的取样枪，其余烟气通过风机排到室外.烟气中的O2、CO、NOx通过Testo 350 烟气分析仪进行测量和分析，测量值由烟气分析仪示数稳定2 min 后读取.本文中CO 和NOx的浓度数值均已折算到3.5%O2浓度条件下的数值，与国标GB 13271—2014保持一致.

实验所用音速喷嘴与压力表和Testo 350 烟气分析仪测量量程及误差如表1 所示.

表1 仪器测量量程及误差Tab.1 Instrument measurement range and error

2 结果与讨论

2.1 当量比对燃烧污染物排放的影响

为了确定合适的当量比，本文首先固定钝体高度Hb和出口流速v，改变当量比Φ，测量了当量比变化对燃烧NOx和CO 生成的影响规律.实验参数选取如表2 所示.所需当量比应当在多种实验工况(不同钝体高度、不同出口流速)下均可保持较低的污染物排放和良好的燃烧稳定性，经过优化，钝体高度Hb选择约为最大可移动高度的一半，流速v 根据经验寻优，具体确定为控制钝体的高度Hb为3.5 mm，喷嘴出口流速v 为15 m/s，通过改变空气和甲烷的流量来调节当量比范围，为0.6～1.08.燃烧热功率的变化范围为1.8～3.2 kW.

表2 当量比变化对污染物排放影响的实验工况Tab.2 Parameters of the study of equivalence ratio effect on pollutant emission

由图4 可以看出，当量比在0.7～1.0 之间时，燃烧产物中CO 质量浓度均小于1 mg/m3(低于仪器的检出下限).当量比在1.0～1.08 之间时，燃烧产物中CO 质量浓度剧烈上升；当量比为1.08 时，排放量达到6 000 mg/m3.当量比在0.7～1.0 之间时，燃烧产物中NOx浓度随着当量比的增加呈逐渐上升趋势；当量比在1.0～1.08 之间时，燃烧产物中NOx浓度随着当量比增加有所下降.这与多数文献中预混燃烧的结论一致.在贫燃侧，氧气充足，CO 可以完全消耗，随着当量比增加，火焰温度增加，导致NOx不断增加；在富燃侧，氧气不足，NOx的生成被抑制，同时不完全燃烧导致CO 质量浓度显著上升.当当量比为0.6 时，火焰出现了明显的不稳定，时有熄火现象的发生.

图4 CO和NOx 排放量随当量比的变化Fig.4 CO and NOx emissions as a function of the equivalence ratio

通过分析可知，在当量比为0.9 及以下时，CO 排放量为0 mg/m3和NOx排放量低于30 mg/m3，满足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放标准.综合分析燃烧稳定性以及CO 和NOx的排放，当量比为0.7时，火焰稳定且CO 和NOx排放均处在较低水平，因此在2.2 至2.4 节的分析中，当量比取值均为0.7.

2.2 固定钝体高度变热功率对污染物排放的影响

多数钝体燃烧器采用固定钝体的设计.为了确定热功率变化对燃烧器污染物排放的影响，本文首先固定钝体高度Hb和当量比Φ，改变燃烧器的热功率，测量了不同热功率工况下燃烧时CO 和NOx生成的影响规律.参数选取如表3 所示，控制钝体高度Hb＝3.5 mm，当量比Φ＝0.7，通过调节甲烷和空气的流量来调节热功率范围为1～3.3 kW.流速的变化范围为7～23 m/s.

表3 固定钝体高度及不同热功率对污染物排放影响的实验工况Tab.3 Parameters of the study of the pollutant emission under variable thermal power at fixed bluff body

由图5 可以看出，随着热功率的不断增大，NOx排放量呈逐渐下降趋势，因为随着热功率的增大，速度也会相应升高，速度升高会减少烟气在高温区的停留时间，减少热力型NOx的产生.CO 排放量随着热功率的增加呈不断上升趋势，因为热功率增大导致流速的上升，停留时间减小，致使燃烧不完全，会有少量的CO 产生.综合CO 和NOx排放的情况可知，流速在15 m/s 时，CO 和NOx排放量均处于最低点.因此可以预期，使用位移钝体调节出口流速，使不同热功率下的出口速度都保持在15 m/s 附近，将在较宽的功率范围内获得较为良好的污染物排放性能.

图5 CO和NOx 排放量随热功率的变化(固定钝体高度)Fig.5 CO and NOx emissions as a function of the thermal power(fixed bluff body height)

2.3 变钝体高度条件下不同热功率对污染物排放的影响

为了在一定的出口气流速度下研究燃烧热功率对燃烧污染物排放的影响，本文首先固定喷嘴出口流速v 和当量比Φ，通过改变位移钝体的高度Hb，来保证出口的流速v 为定值，测量了在不同位移钝体高度下变热功率燃烧CO 和NOx的排放规律.参数选取如表4 所示，当量比Φ＝0.7，通过调节甲烷和空气的流量来调节热功率P 范围为1.1～4.1 kW，通过调节位移钝体的高度来保证喷嘴出口的流速为 v＝15 m/s.位移钝体高度Hb的变化范围为2～6 mm.

表4 变钝体高度及不同热功率对污染物排放影响的实验工况Tab.4 Parameters of the study of the pollutant emission under variable heating power and bluff body height

分析图6 可以得出，在不同的热功率下，保证出口气流速度为15 m/s，则可在1.1～4.1 kW 范围内，CO 和NOx均保持较低浓度的排放，CO 维持在8 mg/m3以下，NOx维持在12 mg/m3以下，满足北京市DB 11/139—2015 的污染物排放标准.因为在变钝体高度及变热功率的工况下，出口流速是不变的，此时由于流速达到既可以使烟气在高温区停留时间减少，也不会让燃料由于流速过大而燃烧不完全，所以此时的流速是一个较佳的速度.

图6 CO和NOx 排放量随热功率的变化(变钝体高度)Fig.6 CO and NOx emissions as a function of thermal power(varied bluff body height)

实验研究中还发现，在较高的燃烧热功率(3.7 kW、4.1 kW)工况下，会产生类似于MILD 燃烧现象(如图7 所示).在类似MILD 燃烧的情况下，燃烧较为均匀，看不到明显的火焰锋面，此时的CO 和NOx生成量均较低.

图7 不同热功率工况下火焰图像Fig.7 Flame images under different thermal power conditions

3 结论

本次实验采用位移钝体加喷嘴形式的预混燃烧器，以甲烷和空气作为燃料和氧化剂，研究在不同当量比、热功率以及在不同钝体高度不同热功率情况下CO 和NOx的排放规律.主要结论如下：

(1) 随着当量比的不断增大，NOx排放量呈先上升后下降趋势，当量比在1 及以下时，CO 排放量(体积分数)稳定在10-6以下(低于仪器检出下限)，在当量比为1～1.08 之间CO 排放量迅速上升.

(2) 在固定钝体高度及变热功率工况下，随着热功率的不断增大，CO 的排放量呈不断上升趋势，NOx排放量呈不断下降趋势，并且在流速为15 m/s 时，CO 和NOx排放量都比较低.

(3) 改变燃烧热功率，通过改变钝体高度，保证喷嘴出口流速为15 m/s，得出NOx和CO 的排放量在全部设计燃烧工况下都比较低，CO 排放小于8 mg/m3，NOx排放小于12 mg/m3.