直流式燃燒氣體燃料的實驗研究

直流式燃燒氣體燃料的實驗研究

根據(jù)中國對吸入污染、nox、sox和co的統(tǒng)計，燃料燃燒產(chǎn)生的污染約占總污染物的70%。燃料燃燒排放是產(chǎn)生大氣污染物的主要來源。采用先進的低污染燃燒設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃燒設備，有效降低燃料消耗，是燃燒裝置發(fā)展的必然趨勢。因此，低污染燃燒裝置的研究和開發(fā)已成為一個重要的研究方向。燃燒所排放的污染物主要由氧化氮、一氧化碳、碳氫化合物(包括未燃燒和部分燃燒)、氧化硫和固體粒子等5種.對于燃燒碳氫燃料的燃燒裝置來講,污染物主要包括CO和NOx,所以必須在保證穩(wěn)定燃燒和低CO排放的同時,降低NOx生成.而NOx的生成量主要取決于NO的生成量.在本實驗中主要是“熱力”NO和“瞬發(fā)”NO.目前,減少NOx形成和排放的方法有很多種,主要有分級燃燒技術、RQL燃燒技術、LDI貧油直接噴射技術、LPP+變幾何燃燒室、燃料再燃燒法、低氧燃燒技術、濃淡燃燒技術等.在本燃燒室中,主要采用燃料和空氣兩級供入的燃燒方式.空氣和燃料都分一、二兩級供入,這樣兩級空氣和兩級燃料的配比將直接影響燃燒室污染物排放和燃燒性能.一級燃燒有利于點火和穩(wěn)燃,一級燃料燃燒應盡可能完全燃燒和低排放,并為二級燃燒創(chuàng)造良好的燃燒條件.為了提供正確匹配兩級燃料和兩級空氣的實驗依據(jù),需要首先研究只有一級燃料情況下兩級空氣的不同匹配對燃燒性能及污染物排放的影響.在本燃燒裝置中,一、二級空氣分別從多孔板火焰穩(wěn)定器前后分別供入燃燒室內(nèi)腔體.一級空氣從多孔板前方供入,一級空氣的流量大小直接影響空氣流過孔板的流速,進而影響孔板后的回流區(qū)大小;二級空氣從孔板后方周向的8個孔供入,起補燃、摻混的作用,同時也對多孔板后方流場產(chǎn)生影響.一、二級供氣匹配的不同將影響燃燒室內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)以及一級燃料射流附近的局部余氣系數(shù),因而將對燃燒室燃燒性能和污染物排放產(chǎn)生影響.本文闡述了只有一級燃料供入時,兩級空氣匹配不同對燃燒性能和污染物排放的影響,并初步探討了一級燃燒區(qū)長度對燃燒和污染物排放的影響.1實驗設備和實驗步驟1.1入燃燒內(nèi)腔體的吹入內(nèi)腔體實驗燃燒室的結(jié)構(gòu)如圖1所示,燃料氣體通過6個?0.7mm且與軸向成20°的孔直接噴入燃燒室內(nèi)腔進行燃燒(直射噴頭示意圖如圖2),空氣分兩路進入燃燒室.第1級氣流通過燃燒室前環(huán)腔壁上的8個?20mm的孔徑向吹入內(nèi)腔體,直接吹向穩(wěn)定器;第2級氣流則通過中環(huán)腔,從內(nèi)套筒壁上的8個?20mm的孔徑向進入內(nèi)套筒.多孔板火焰穩(wěn)定器的堵塞比為75%,多孔板開孔率不宜太大,開孔率大,回流區(qū)小,不利于燃燒充分,因而開孔率取為7%(直徑為10mm,孔數(shù)n=20),位于二級氣流上游L1=88mm處(L1是二級空氣進氣孔中心線距穩(wěn)定器后壁面的距離,認為L1是一級燃燒區(qū)長度.)1.2空氣、流量的測量實驗臺簡圖見圖3,燃料為液化石油氣,由貯氣罐提供,流量由浮子流量計測定.燃燒所需空氣由高壓鼓風機提供,流量由浮子流量計測定.測量截面位于燃燒室后距燃燒室出口5mm處.Testo360煙氣分析儀的電化學測量探針垂直燃燒室中心線,水平固定在三位移機構(gòu)上.探針在測量截面上掃描所測得的數(shù)據(jù)直接由計算機處理保存.1.3實驗和測量方案為了研究軸向分級進氣,固定一級燃燒區(qū)長度L1=88mm,在一定的總空氣量下,固定maΣ分別為30、40、50和60m3/h,燃料流量mf=0.87m3/h,一級空氣占總空氣量的百分比ma1/maΣ分別為0、25%、50%、75%和90%.在上述參數(shù)下,測量出口截面燃氣溫度分布和NOx及CO的分布,探討不同空氣分級配比對燃燒和污染物排放的影響.然后,在一定的工作參數(shù)下,改變一級燃燒區(qū)的長度L1,探討一級燃燒區(qū)長度的變化對燃燒和排放的影響.實驗工況出口截面參數(shù)的測量都沿半徑方向取5點等距測量.2結(jié)果與分析2.1不同空氣分類的影響是出口溫度和排放的影響2.1.1空氣-空氣配比對出口溫度和nox分布曲線的影響圖4、圖5和圖6是燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)α為2.90,在一級空氣占總供氣量百分比分別為0、25%、50%、75%和90%5種配比下所測得的出口截面溫度,NOx和CO排放沿徑向的5點等距分布曲線.從圖4,圖5,圖6可以看出在不同配比下,出口溫度、NOx和CO沿徑向的分布趨勢基本相同,即T和NOx分布中心高,邊緣區(qū)低,而CO分布比較平緩,但取值不同,隨著一級空氣所占比例的增加,溫度和NOx分布曲線總體上移,CO曲線總體下移.2.1.2級空氣流量對燃燒效率的影響對每一種配比下的溫度、NOx和CO排放的5點等距分布做等環(huán)面積平均,得到圖7、圖8和圖9.圖7、圖8和圖9是燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)2.90,在一級空氣占總供氣量百分比ma1/maΣ分別為0、25%、50%、75%和90%5種配比下,出口截面等環(huán)面積平均溫度、NOx和CO排放量的變化情況.圖7表明,隨著一級空氣比例增大,出口截面的平均溫度單調(diào)上升.說明一級空氣比例加大有利于提高燃燒效率.原因是主噴頭形成6股射流火焰,一級空氣通過多孔板火焰穩(wěn)定器形成低速回流區(qū)來穩(wěn)定火焰,當一級空氣流量增加時,繞流多孔板的速度增加,同時通過多孔板穩(wěn)定器各孔的氣流流速也增大,與燃料流之間的湍流摻混度增加,有利于燃料的充分燃燒,提高了燃燒效率.圖9顯示隨一級空氣比例增加,出口截面CO排放量逐漸下降,這從另一個側(cè)面反映出隨一級空氣比例的增加,燃燒更完全,效率更高.但是,當ma1/maΣ超過90%后,火焰開始失穩(wěn)、脫火,然后在較短的時間后熄滅.原因可能是一級空氣的流量超過一定限度后,通過孔板的射流進一步加強,將火焰吹向離主噴頭更遠的位置,同時二級氣流的減少不只使其向后的氣量減少,也使補燃和加強回流區(qū)的向前的氣量減少,不利于火焰穩(wěn)定.圖8中的出口截面NOx排放平均值隨一級空氣所占百分率的變化趨勢與圖7溫度的變化趨勢大致相同,燃燒區(qū)的溫度高于出口平均溫度,出口平均溫度越高說明燃燒區(qū)溫度更高,當燃燒區(qū)溫度達到氮氧化物大量生成的溫度后,隨溫度升高熱力氮氧化物的生成量會逐漸增加,所以會有圖8所示的變化趨勢.2.2余氣系數(shù)圖10、圖11和圖12中的固定燃料流量mf為0.87m3/h,除空氣總量為60m3/h以外,再選擇另外3種空氣總量30m3/h、40m3/h和50m3/h,也就是總余氣系數(shù)α為1.45、1.93和2.42時,分別在一級空氣占總供氣量25%和50%兩種配比下進行實驗,得到出口截面平均溫度、NOx和CO排放平均值隨總余氣系數(shù)的變化規(guī)律.從圖10和圖11可以看出,當總余氣系數(shù)為1.45、1.93和2.42時,隨著一級空氣所占比例由25%上升至50%,出口截面平均溫度和NOx排放量都相應增加.這一實驗結(jié)果從另一角度說明至少在1.45到2.90的總余氣系數(shù)變化范圍內(nèi),隨一級空氣占總空氣量比重的增加,出口截面平均溫度升高,NOx排放平均值升高.圖12顯示CO的排放總體都在很低的水平,燃燒較充分.2.3不同級別燃燒區(qū)域的長度對燃燒和排放的影響2.3.1燃燒溫度的影響燃料流量mf為0.87m3/h,固定空氣總量maΣ為60m3/h,總余氣系數(shù)為2.90,在一級空氣占總供氣量百分比ma1/maΣ為75%工況下,改變穩(wěn)定器位置(改變L1/D1,即一級燃燒區(qū)長與燃燒空、內(nèi)筒直徑之此),測得出口截面溫度NOx和CO排放沿徑向的5點等距分布曲線.出口溫度T和NOx、CO的分布趨勢基本相同,即T和NOx在中心區(qū)高,邊緣區(qū)小,而CO分布則較平緩.L1/D1對T、NOx和CO的影響不很明顯.呈現(xiàn)出較復雜的狀況.2.3.2級燃燒區(qū)長度對nox排放的影響為了直觀分析燃燒室一級燃燒區(qū)長度L1變化對燃燒和排放的影響,對不同L1/D1情況下的溫度、NOx和CO排放的5點等距分布做等環(huán)面積平均,得到圖13,圖14和圖15.從圖14可以看出,在L1/D1=0.69處,NOx的排放有一個最低值.表明對于NOx存在最佳的一級燃燒區(qū)長度,這很可能是由于二級射流既有補燃作用也有減小高溫區(qū)、減少NOx生成的摻混作用,L1長度合適,有利于后者之故.圖15顯示在此位置CO排放相對較高,但絕對量不足3×10-6.圖13表明,隨著一級燃燒區(qū)長度變化,出口截面平均溫度的變化不很顯著,這說明對燃燒效率影響不大.因此,對于本燃燒室布置,穩(wěn)定器在L1/D1=0.69附近應該是較好的工作位置.3燃燒效率與一級空氣排放比例對燃燒效率的影響1)在實驗的分級燃燒裝置中,當燃料流量一定,空氣總量一定,