分段多孔介质生物质颗粒燃烧机二次进气燃烧排放研究

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分段多孔介质生物质颗粒燃烧机二次进气燃烧排放研究

分段多孔介质生物质燃烧机二次进气燃烧排放研究
生物质气化站，
摘要：对从中间段一一燃烧管中上游段多孔泡沫陶瓷与下游段多孔泡沫陶瓷之间的一段间隙结构。引入二次空气的多孔介质生物质燃烧机的CO和NO排放浓度进行了实验测试，较系统地研究了化学当量比、混合气流率和不同比率二次空气对天然气座气燃烧排放的影响。结果表明。加入适当比率的二次空气，不仅能够在相当宽的流速范围内使火焰很好地稳定在中间段，而且能得到低水平的CO排放浓度，特别对较低当量比效果更为明显同时，当火焰定位在中间段或近旁时，在化学当量比为0. 45-0.8范围内NO的排放值能够低于Ⅸ1仃6，达到了很理想的低排放水平：
赴于高温气流中的高孔隙率多孔介质酌传热特性能够使预混火焰实现高燃速、高燃温、高稳定性（火焰能停留在很小区域内而不易受到流速和组分变化等因素的影响，包括有更宽的可燃极限），从而使多孔介质生物质燃烧机获得高的热能容积释放率及热效率。近来又发现，采用某些结构、材料和进气方式的多孔介质生物质燃烧机还具有低污染排放的性能，因而使其更加引人注目。
关于多孔介质中预混燃烧的理论和实验方面的研究已有大量报道，其中How ell[l和Hs u【2]的文章曾作过较为广泛的、全面的评述和说明咆括他们的研究成2000年5月吕兆华等：分段多孔介质生物质燃烧机二次进气燃烧排放研究果）。其中也介绍了一些低污染的多孔介质生物质燃烧机 日本学者Hashimoto Takeno等人‘31在用细长陶瓷管束研究“超焓火焰”时，在得到了多孔介质生物质燃烧机一般的燃烧特性时，发现CO和NQ排放含量都比较低（在化学当量比H=0．弘Q 6，流速v=（Q俨1.3）m／s范围内，CO的浓度为(SO- 200~ 10-6，N Ox为(15-40~ 10-6) Xiong'4]研究了低排放的多孔介质表面生物质燃烧机对不同类型陶瓷（Al203 Zr03 SiC等）和不同结构材料阮沫型、蜂窝型颗粒型等1的多孔燃烧器的燃气排放进行了测量，NQ排放达到（卜12K
10-：Kendall等人cs悃金属纤维和陶瓷纤维构造了表面生物质燃烧机对热辐射输出和NO。的排放分别做了理论和实验研究，得出NQ排放与燃烧速率和材料的热发射率有直接关系的结论其实验结果为：N@的浓度为(2- 4~ 106(H=0．争0.5，燃烧速度为(15. 68-31. 35) J/(cm20 s)1 Goeckner，Pet ers等人‘6。71利用多孔陶瓷插件来增强辐射管生物质燃烧机的热辐射，同时研究了对排放产物的影响，结果与役有多孔插件的相比，N0。减少30%。美国得克萨斯大学燃烧研究室对泡沫型多孔陶瓷生物质燃烧机的特性进行了广泛的理论和实验研究，并特别注重燃烧产物排放的研究其中Chaffin等喁用部分稳定氧化锆( PSZ)泡沫陶瓷材料装在具有水冷火焰稳定器的燃烧管中。得到较为理想的排放效果。在H=0．俨Q 8时，N Ox排放在f争20)X 10 6范围内：Khanna等人‘91实测甲烷空气在泡沫多孔陶瓷中燃烧的热辐射输出率时，也测得不同当量比(H=0．俨Q 87牙口不同混合气流速(15- lOO)cm／s条件下CO和NOx的实验值。结果表明。CO和NO。均随当量比增大而增加。CO从Ⅸ1盯变化到12& 10-6,NOr从水la增加到32<1盯：而对于同一当量比，其排放值受流率或燃烧速率的影响不大另外。Go el等人¨o Wf究了两阶段多孔介质生物质燃烧机的排放特性，在总化学当量比不变化的情况下。分别改变燃烧段和第二燃烧段的当量比，结果发现。当第二燃烧段处于稀燃状态(H<1)时，C0排放在(10- 75~ 1盯6汜围内变化f总当量比Ho=0.77-Q 95)但当第二阶段为浓燃混合气fH>1）时，C0变化范围很大，从1 30<1盯6到22 50&1仃6值当量比Ho=0．铲1.0芍对于这两种情况，NO却变化不大，只从1Ⅸ10‘变化到28×1盯6，与同类型的一段生物质燃烧机相比已有较大降低
本研究在已有的多孔泡沫陶瓷生物质燃烧机的基础上，将燃烧管中的多孔材料分为上，下两段，两者间为中间段，在中间段引入一定比例的新鲜空气。即二次空气。通过测量不同化学当量比．不同混合气流量和不同二次空气比率下的燃气排放。研究CO和NO的排放规律。
1实验装置
实验系统包括气源、多孔介质燃烧管、预混室流量测试与控制装置和气体采样分析系统等部分，图1为示意图
图1有二次空气的多子L泡沫陶瓷生物质燃烧机实验系统
燃烧管上下两段由方截面耐火材料管和装在管内的氧化铝泡沫陶瓷材料组成两段之间留有空隙。外围由一钢制中空环形体将上下两管连接起来构成中间段o从钢环外侧的气嘴引入二次空气通过调节混合气流速和二次空气量。控制燃烧火焰在燃烧管中的位置上游段内用孔径0.6 mm长度60 mm的泡沫陶瓷，下游段内为孔径1.2 mm长度55 mm的泡沫陶瓷。孔隙率为84%～8~0．均可承受1 500℃的温度。中间段混合气主流区周边，还有一层孔径Q 6 mm厚度3 mm的泡沫陶瓷材料，用于避免二次空气直接从气嘴以射流形式冲入然烧主流区。使之能均匀混入主流区中。为了观察管内的燃烧状态，并及时调节燃烧火焰的位置。在整个燃烧管的前侧装有一长条透明石英玻璃为了尽量减小燃烧管热损失对实验结果的影响，除在石英玻璃处留有宽5 mm的纵向观察窗外。燃烧管外还包贴了一层绝热材料层
燃料与一次空气经预混室混合进入燃烧管为了混合均匀，不致造成火焰层的畸变，本实验采用两次预混方式两个预混室内均装填有大小不等的玻璃球和泡沫陶瓷碎块等，下端垫有蜂窝陶瓷片．尽量使气流在燃横截面内均匀分布o在引入燃料气和压缩空气的气路上分别装有的电子流量控制器f teledynehasting-radyst，量程分别为0- 10 slpm和旷100 slp m)，控制和调节燃料和空气的流量另有一空气管线直接通至中间段，也有电子流量计控制流量
燃料气为民用压缩天然气，其主要成分：甲烷(C Hl)9殇；乙烷（Q珏）3. 67殇。根据燃料气组成和燃烧管内通气截面尺寸等参数能够计算出对一定化学当量比下的燃料座气流率比，以及一定混合气总流率下的燃料气和空气流量值。
气体采样器是直径5 mm的石英玻璃管，入口端特制成尖锥型。锥端进口内径1 mm置于生物质燃烧机排气出口面下方30 mm处，正对排气流方向。在气体分析仪器微型真空泵的抽吸下。从燃烧管内排出的燃气被吸进采样器，经蛇形管水流冷凝器。燃烧产物气体中的水蒸汽很快凝结咸水，少量剩余的水蒸汽再经过干燥器进一步被吸收后，干燥的燃气分别进入CO分析仪f GFC model 48H)和NO /N0。分析仪f thermoelectron model 10A／R1，便可及时读取CO和NO的浓度值。每次实验前，两分析仪都要分别用相应标准气（CO和NO栎准气的浓度与所测气体范围相适配1标定，以尽量消除仪器对测量精度的影咆
为了获取生物质燃烧机内燃烧温度变化的趋势，而又不必采用过于复杂的火焰温度测试系统直接测量火焰区的温度，本实验仅在燃烧管出口面以内2 cm处安放一支B型热电偶监测生物质燃烧机排气温度的变化
实验开始时。在燃烧管出口处先将可燃混合气点燃，然后经过调节使火焰从下游段向燃烧管内移动实验表明，在满足一定化学当量比的情况下，通过适当的二次空气量和总流量的调节。能够将火焰稳定在中间段o流速过大或二次空气比率不适当，会出现“脱火”，甚至熄灭；流速过小或二次空气比率不适当，会出现“回火”，火焰进入上游段两种情况都为不稳定状态。
改变燃料气和空气流量能得到不同实验点所需的化学当量比二次空气和混合气总流量每改变一种参量，都需观察火焰的状态，设法使火焰始终稳定在中间段及其近旁（称燃烧中区1当火焰达到稳定状态时（一般在（争3）min以上），才记录该状态下的燃料气一次空气和二次空气流量，以及相应的C0和NO排放浓度、出口排气温度等。
2结果与讨论
实验对8种不同的化学当量比fH==0.45，0. 50Q 55，0.60，0.65，0.70，Q 75，Q 80)的燃烧排放做丁对比当量比Ho是指燃料气流率与总的空气流率咆含入混合室的一次空气流率和从中间段进入的二次空气的流率）对应的总当量比。实际上也是下游段的当比二次空气的量用它所占总空气流率的百分数来表示，分别用鼢、107/0、ly/o、2CVc、25T/0、30%和35%等比率的二次空气进行实nj佥o在每一种当量比条件下又选用不同的混合气流速V其流速用下式计算
v=16. 67 yL /A (cm /s) (1)式中：VL为实验所用燃料和空气的总体积流率( slpm)；4为燃烧管的内横截面积(cm2)实际上，该流速值相当于混合气通过下游段的达西流速 由于燃烧管内截面积彳为常数，流速v就反映了混合气流率的大小。当预混火焰稳定停留在管内某一位置时。说明混合气流动与燃烧反应达到动态平衡，即流速应与火焰燃烧速率相等因此往往也将v看作稳态燃烧速率或火焰速度由于本实验装置的特殊结构，能够使火焰稳定的流速范围很大。流速变化范围主要取决于当量比实验表明，当量比较小时，流速变化范围较窄(如Ho=4 5时，v= (20- 50) cm／s）；当量比较大时，流速变化则较宽(Ho=0.80时，v=(130- 200)cm/sl
图2为3种不同当量比(H)= 0.45,0. 65，Q 80)CO浓度随流速变化的曲线，每一当量比中又包含几条不同二次空气量对应的CO浓度曲线。从中可以看出CO排放随流速和二次空气比率变化的趋势CO浓度受流速影响较大，流速增大。CO值降低：当量比较大时，趋势更为明显在对比不同当量比的CO浓度时。可见当量比对CO排放更为重要当量比小时。CO排放值。且随流速的变化率很大。当量比和流速均较大时，CO很低，甚至接近于0图中数据点仅为能获稳定火焰的结果，它说明不是所有当量比和流速条件下二次空气均能获得稳定燃烧图3为几种不同当量比时，C0在稳定燃烧流速范围内的平均值随二次空气比率变化的曲线。二次空气只在低当量比(Ho=0. 45-0.55)情况下对CO有明显作用，在大当量比和流速时，因氧的浓度相对减小和反应物在高温燃烧段停留时间的缩短，CO反而有所回孔总的说来，采用适当大流速、较高化学当量比对减少CO排放有利；在较小流速、较低化学当量比时，适当加大二次空气量能够明显降低CO排放因为接近化学当量比Ho=1．0的浓混合气，燃烧温度较高，而且大流速能使燃烧管内的热流率显著增加。热损失相对减少对于这些处于稀燃范围的燃烧反应来说．有利于CO的氧化，使燃烧反应更趋完全o另外．在总当量比和总空气量不变的情2000年5月吕兆华等：分段多孔介质生物质燃烧机二次进气燃烧排放研究况下。加大二次空气量就必然减少一次空气量，实际上使燃烧段（主要在上游段出口附近）的化学当量比增大，混合气变浓，燃烧反应温度增高因此，二次空气的加入，有利于C0进一步氧化
NO的排放与CO排放变化的趋势相反，它既随当量比增加而增加，也随流速的增加而增加，而且后者更为明显闺4、但在同样的流速范围内，NO的变化幅度远远不及CO变化的那么大本生物质燃烧机所测NO排放的浓度基本上在小于1Ⅸ1盯6的范围内变化。这与已有的低污染生物质燃烧机相比是很理想的。是实验装置采用中间段并配以适当二次空气的优良效果，而且火焰能稳定地停留在燃烧中医获得低NO排放的基本原因是引入二次新鲜空气使燃烧区及下游段的温度有所降低，使N0生成温度这个主要因素发挥了作甩同时，由于多孔介质的存在。燃烧速率和稳定火焰相应的流速大大提高。燃烧反应在燃烧管内的时间大大缩短，而NO的生成相对其他产物需要更长的时间，因此有利于抑制NO的生成图4的结果说明，NO受二次空氕比率的影响较小，而主要取决于下游段的流速变化事实上，随着流速增加。即燃烧速率和燃气质量流率相应增加，燃烧管下游段内燃烧的热释放率增大，引起该段温度升高。因而NO相应增加图4所示实验所测燃烧管出口排气温度也说明管内下游段温度随流速增加的趋势，从低流速时的224℃逐步增加到高流速时的1 067℃与图4中NO曲线的总趋势相似。说明了NO随流速变化的合理性。
实验充分表明，采用中间段结构并引入二次空气能在较宽的流速范围内控制火焰的稳定性流速偏大时。火焰会离开中间段向下游方向漂移适当加入二次空气掺混到燃烧主流区，火焰移动趋势就会停止或重新回到燃烧管中区o在保持总当量比和总空气量不变情况下，二次空气的引入，使进入上游段的主混合气中的燃料成分相对变浓。上游段出口处的燃烧反应速率相对提高，火焰势必有向上游段移动的趋势：而刚进入的二次空气温度较低。会使燃烧主流区火焰温度有所降低，反应速率变慢两种作用综合的结果
3结论
(1) CO的排放随当量比增大或流速增大而降低，同时二次空气与流速的适当组配能够很好调节和控制燃烧火焰的稳定和燃气的排放浓度在较高当量比情况下，较小的流速和少量二次空气可使CO排放降到接近于零。在较低当量匕匕J隋况下，二次空气不仅可使燃烧正常进行。而且能使流速的可调范围和燃烧稳定的极限区域显著扩大。
( 2) NO排放随流速和当量比的增加而增加。二次空气对它影响不明显。本实验范围NO排放浓度极低，且变化量不大，在（卜10~ lOI 'yd囝内，很大部分为(卜7~ 10。，达到较理想的低排放水平。
(3)中间段结构结合二次空气的适当应用，有利于将火焰控制在稳定性佳、排放较低的燃烧中区，使多孔介质生物质燃烧机获得良好的综合效果o
实践证明，通过改变结构和进气方式可获得性能更为优良的多孔介质生物质燃烧机。