| 分段多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機二次進氣燃燒排放研究 |
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分段多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機二次進氣燃燒排放研究 摘要：對從中間段一一燃燒管中上游段多孔泡沫陶瓷與下游段多孔泡沫陶瓷之間的一段間隙結(jié)構(gòu)。引入二次空氣的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的CO和NO排放濃度進行了實驗測試，較系統(tǒng)地研究了化學當量比、混合氣流率和不同比率二次空氣對天然氣座氣燃燒排放的影響。結(jié)果表明。加入適當比率的二次空氣，不僅能夠在相當寬的流速范圍內(nèi)使火焰很好地穩(wěn)定在中間段，而且能得到低水平的CO排放濃度，特別對較低當量比效果更為明顯同時，當火焰定位在中間段或近旁時，在化學當量比為0. 45-0.8范圍內(nèi)NO的排放值能夠低于Ⅸ1仃6，達到了很理想的低排放水平： 赴于高溫氣流中的高孔隙率多孔介質(zhì)酌傳熱特性能夠使預(yù)混火焰實現(xiàn)高燃速、高燃溫、高穩(wěn)定性（火焰能停留在很小區(qū)域內(nèi)而不易受到流速和組分變化等因素的影響，包括有更寬的可燃極限），從而使多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機獲得高的熱能容積釋放率及熱效率。近來又發(fā)現(xiàn)，采用某些結(jié)構(gòu)、材料和進氣方式的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機還具有低污染排放的性能，因而使其更加引人注目。 關(guān)于多孔介質(zhì)中預(yù)混燃燒的理論和實驗方面的研究已有大量報道，其中How ell[l和Hs u【2]的文章曾作過較為廣泛的、的評述和說明咆括他們的研究成2000年5月呂兆華等：分段多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機二次進氣燃燒排放研究果）。其中也介紹了一些低污染的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機 日本學者Hashimoto Takeno等人‘31在用細長陶瓷管束研究“超焓火焰”時，在得到了多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機一般的燃燒特性時，發(fā)現(xiàn)CO和NQ排放含量都比較低（在化學當量比H=0．弘Q 6，流速v=（Q儼1.3）m／s范圍內(nèi)，CO的濃度為(SO- 200~ 10-6，N Ox為(15-40~ 10-6) Xiong'4]專門研究了超低排放的多孔介質(zhì)表面生物質(zhì)燃燒機對不同類型陶瓷（Al203 Zr03 SiC等）和不同結(jié)構(gòu)材料阮沫型、蜂窩型顆粒型等1的多孔燃燒器的燃氣排放進行了測量，NQ排放達到（卜12K 10-：Kendall等人cs悃金屬纖維和陶瓷纖維構(gòu)造了表面生物質(zhì)燃燒機對熱輻射輸出和NO。的排放分別做了理論和實驗研究，得出NQ排放與燃燒速率和材料的熱發(fā)射率有直接關(guān)系的結(jié)論其實驗結(jié)果為：N@的濃度為(2- 4~ 106(H=0．爭0.5，燃燒速度為(15. 68-31. 35) J/(cm20 s)1 Goeckner，Pet ers等人‘6。71利用多孔陶瓷插件來增強輻射管生物質(zhì)燃燒機的熱輻射，同時研究了對排放產(chǎn)物的影響，結(jié)果與役有多孔插件的相比，N0。減少30%。美國得克薩斯大學燃燒研究室對泡沫型多孔陶瓷生物質(zhì)燃燒機的特性進行了廣泛的理論和實驗研究，并特別注重燃燒產(chǎn)物排放的研究其中Chaffin等喁用部分穩(wěn)定氧化鋯( PSZ)泡沫陶瓷材料裝在具有水冷火焰穩(wěn)定器的燃燒管中。得到較為理想的排放效果。在H=0．儼Q 8時，N Ox排放在f爭20)X 10 6范圍內(nèi)：Khanna等人‘91實測甲烷空氣在泡沫多孔陶瓷中燃燒的熱輻射輸出率時，也測得不同當量比(H=0．儼Q 87牙口不同混合氣流速(15- lOO)cm／s條件下CO和NOx的實驗值。結(jié)果表明。CO和NO。均隨當量比增大而增加。CO從Ⅸ1盯變化到12& 10-6,NOr從水la增加到32<1盯：而對于同一當量比，其排放值受流率或燃燒速率的影響不大另外。Go el等人¨o Wf究了兩階段多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的排放特性，在總化學當量比不變化的情況下。分別改變?nèi)紵魏腿紵蔚漠斄勘，結(jié)果發(fā)現(xiàn)。當燃燒段處于稀燃狀態(tài)(H<1)時，C0排放在(10- 75~ 1盯6汜圍內(nèi)變化f總當量比Ho=0.77-Q 95)但當階段為濃燃混合氣fH>1）時，C0變化范圍很大，從1 30<1盯6到22 50&1仃6值當量比Ho=0．鏟1.0芍對于這兩種情況，NO卻變化不大，只從1Ⅸ10‘變化到28×1盯6，與同類型的一段生物質(zhì)燃燒機相比已有較大降低 本研究在已有的多孔泡沫陶瓷生物質(zhì)燃燒機的基礎(chǔ)上，將燃燒管中的多孔材料分為上，下兩段，兩者間為中間段，在中間段引入一定比例的新鮮空氣。即二次空氣。通過測量不同化學當量比．不同混合氣流量和不同二次空氣比率下的燃氣排放。研究CO和NO的排放規(guī)律。 1實驗裝置 實驗系統(tǒng)包括氣源、多孔介質(zhì)燃燒管、預(yù)混室流量測試與控制裝置和氣體采樣分析系統(tǒng)等部分，圖1為示意圖 圖1有二次空氣的多子L泡沫陶瓷生物質(zhì)燃燒機實驗系統(tǒng) 燃燒管上下兩段由方截面耐火材料管和裝在管內(nèi)的氧化鋁泡沫陶瓷材料組成兩段之間留有空隙。外圍由一鋼制中空環(huán)形體將上下兩管連接起來構(gòu)成中間段o從鋼環(huán)外側(cè)的氣嘴引入二次空氣通過調(diào)節(jié)混合氣流速和二次空氣量。控制燃燒火焰在燃燒管中的位置上游段內(nèi)用孔徑0.6 mm長度60 mm的泡沫陶瓷，下游段內(nèi)為孔徑1.2 mm長度55 mm的泡沫陶瓷。孔隙率為84%～8~0．均可承受1 500℃的溫度。中間段混合氣主流區(qū)周邊，還有一層孔徑Q 6 mm厚度3 mm的泡沫陶瓷材料，用于避免二次空氣直接從氣嘴以射流形式?jīng)_入然燒主流區(qū)。使之能均勻混入主流區(qū)中。為了觀察管內(nèi)的燃燒狀態(tài)，并及時調(diào)節(jié)燃燒火焰的位置。在整個燃燒管的前側(cè)裝有一長條透明石英玻璃為了盡量減小燃燒管熱損失對實驗結(jié)果的影響，除在石英玻璃處留有寬5 mm的縱向觀察窗外。燃燒管外還包貼了一層絕熱材料層 燃料與一次空氣經(jīng)預(yù)混室混合進入燃燒管為了混合均勻，不致造成火焰層的畸變，本實驗采用兩次預(yù)混方式兩個預(yù)混室內(nèi)均裝填有大小不等的玻璃球和泡沫陶瓷碎塊等，下端墊有蜂窩陶瓷片．盡量使氣流在燃橫截面內(nèi)均勻分布o在引入燃料氣和壓縮空氣的氣路上分別裝有高精度的電子流量控制器f teledynehasting-radyst，量程分別為0- 10 slpm和曠100 slp m)，控制和調(diào)節(jié)燃料和空氣的流量另有一空氣管線直接通至中間段，也有電子流量計控制流量 燃料氣為民用壓縮天然氣，其主要成分：甲烷(C Hl)9殤；乙烷（Q玨）3. 67殤。根據(jù)燃料氣組成和燃燒管內(nèi)通氣截面尺寸等參數(shù)能夠計算出對一定化學當量比下的燃料座氣流率比，以及一定混合氣總流率下的燃料氣和空氣流量值。 氣體采樣器是直徑5 mm的石英玻璃管，入口端特制成尖錐型。錐端進口內(nèi)徑1 mm置于生物質(zhì)燃燒機排氣出口面下方30 mm處，正對排氣流方向。在氣體分析儀器微型真空泵的抽吸下。從燃燒管內(nèi)排出的燃氣被吸進采樣器，經(jīng)蛇形管水流冷凝器。燃燒產(chǎn)物氣體中的水蒸汽很快凝結(jié)咸水，少量剩余的水蒸汽再經(jīng)過干燥器進一步被吸收最后，干燥的燃氣分別進入CO分析儀f GFC model 48H)和NO /N0。分析儀f thermoelectron model 10A／R1，便可及時讀取CO和NO的濃度值。每次實驗前，兩分析儀都要分別用相應(yīng)標準氣（CO和NO櫟準氣的濃度與所測氣體范圍相適配1標定，以盡量消除儀器對測量精度的影咆 為了獲取生物質(zhì)燃燒機內(nèi)燃燒溫度變化的趨勢，而又不必采用過于復(fù)雜的火焰溫度測試系統(tǒng)直接測量火焰區(qū)的溫度，本實驗僅在燃燒管出口面以內(nèi)2 cm處安放一支B型熱電偶監(jiān)測生物質(zhì)燃燒機排氣溫度的變化 實驗開始時。在燃燒管出口處先將可燃混合氣點燃，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)使火焰從下游段向燃燒管內(nèi)移動實驗表明，在滿足一定化學當量比的情況下，通過適當?shù)亩慰諝饬亢涂偭髁康恼{(diào)節(jié)。能夠?qū)⒒鹧娣(wěn)定在中間段o流速過大或二次空氣比率不適當，會出現(xiàn)“脫火”，甚至熄滅；流速過小或二次空氣比率不適當，會出現(xiàn)“回火”，火焰進入上游段兩種情況都為不穩(wěn)定狀態(tài)。 改變?nèi)剂蠚夂涂諝饬髁磕艿玫讲煌瑢嶒烖c所需的化學當量比二次空氣和混合氣總流量每改變一種參量，都需觀察火焰的狀態(tài)，設(shè)法使火焰始終穩(wěn)定在中間段及其近旁（稱燃燒中區(qū)1當火焰達到穩(wěn)定狀態(tài)時（一般在（爭3）min以上），才記錄該狀態(tài)下的燃料氣一次空氣和二次空氣流量，以及相應(yīng)的C0和NO排放濃度、出口排氣溫度等。 2結(jié)果與討論 實驗對8種不同的化學當量比fH==0.45，0. 50Q 55，0.60，0.65，0.70，Q 75，Q 80)的燃燒排放做丁對比當量比Ho是指燃料氣流率與總的空氣流率咆含先進入混合室的一次空氣流率和從中間段進入的二次空氣的流率）對應(yīng)的總當量比。實際上也是下游段的當比二次空氣的量用它所占總空氣流率的百分數(shù)來表示，分別用鼢、107/0、ly/o、2CVc、25T/0、30%和35%等比率的二次空氣進行實nj僉o在每一種當量比條件下又選用不同的混合氣流速V其流速用下式計算 v=16. 67 yL /A (cm /s) (1)式中：VL為實驗所用燃料和空氣的總體積流率( slpm)；4為燃燒管的內(nèi)橫截面積(cm2)實際上，該流速值相當于混合氣通過下游段的達西流速 由于燃燒管內(nèi)截面積彳為常數(shù)，流速v就反映了混合氣流率的大小。當預(yù)混火焰穩(wěn)定停留在管內(nèi)某一位置時。說明混合氣流動與燃燒反應(yīng)達到動態(tài)平衡，即流速應(yīng)與火焰燃燒速率相等因此往往也將v看作穩(wěn)態(tài)燃燒速率或火焰速度由于本實驗裝置的特殊結(jié)構(gòu)，能夠使火焰穩(wěn)定的流速范圍很大。流速變化范圍主要取決于當量比實驗表明，當量比較小時，流速變化范圍較窄(如Ho=4 5時，v= (20- 50) cm／s）；當量比較大時，流速變化則較寬(Ho=0.80時，v=(130- 200)cm/sl 圖2為3種不同當量比(H)= 0.45,0. 65，Q 80)CO濃度隨流速變化的曲線，每一當量比中又包含幾條不同二次空氣量對應(yīng)的CO濃度曲線。從中可以看出CO排放隨流速和二次空氣比率變化的趨勢CO濃度受流速影響較大，流速增大。CO值降低：當量比較大時，趨勢更為明顯在對比不同當量比的CO濃度時。可見當量比對CO排放更為重要當量比小時。CO排放值極高。且隨流速的變化率很大。當量比和流速均較大時，CO很低，甚至接近于0圖中數(shù)據(jù)點僅為能獲穩(wěn)定火焰的結(jié)果，它說明不是所有當量比和流速條件下二次空氣均能獲得穩(wěn)定燃燒圖3為幾種不同當量比時，C0在穩(wěn)定燃燒流速范圍內(nèi)的平均值隨二次空氣比率變化的曲線。二次空氣只在低當量比(Ho=0. 45-0.55)情況下對CO有明顯作用，在大當量比和流速時，因氧的濃度相對減小和反應(yīng)物在高溫燃燒段停留時間的縮短，CO反而有所回孔總的說來，采用適當大流速、較高化學當量比對減少CO排放有利；在較小流速、較低化學當量比時，適當加大二次空氣量能夠明顯降低CO排放因為接近化學當量比Ho=1．0的濃混合氣，燃燒溫度較高，而且大流速能使燃燒管內(nèi)的熱流率顯著增加。熱損失相對減少對于這些處于稀燃范圍的燃燒反應(yīng)來說．有利于CO的氧化，使燃燒反應(yīng)更趨完全o另外．在總當量比和總空氣量不變的情2000年5月呂兆華等：分段多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機二次進氣燃燒排放研究況下。加大二次空氣量就必然減少一次空氣量，實際上使燃燒段（主要在上游段出口附近）的化學當量比增大，混合氣變濃，燃燒反應(yīng)溫度增高因此，二次空氣的加入，有利于C0進一步氧化 NO的排放與CO排放變化的趨勢相反，它既隨當量比增加而增加，也隨流速的增加而增加，而且后者更為明顯閨4、但在同樣的流速范圍內(nèi)，NO的變化幅度遠遠不及CO變化的那么大本生物質(zhì)燃燒機所測NO排放的濃度基本上在小于1Ⅸ1盯6的范圍內(nèi)變化。這與已有的低污染生物質(zhì)燃燒機相比是很理想的。是實驗裝置采用中間段并配以適當二次空氣的優(yōu)良效果，而且火焰能穩(wěn)定地停留在燃燒中醫(yī)獲得低NO排放的基本原因是引入二次新鮮空氣使燃燒區(qū)及下游段的溫度有所降低，使N0生成溫度這個主要因素發(fā)揮了作甩同時，由于多孔介質(zhì)的存在。燃燒速率和穩(wěn)定火焰相應(yīng)的流速大大提高。燃燒反應(yīng)在燃燒管內(nèi)的時間大大縮短，而NO的生成相對其他產(chǎn)物需要更長的時間，因此有利于抑制NO的生成圖4的結(jié)果說明，NO受二次空氕比率的影響較小，而主要取決于下游段的流速變化事實上，隨著流速增加。即燃燒速率和燃氣質(zhì)量流率相應(yīng)增加，燃燒管下游段內(nèi)燃燒的熱釋放率增大，引起該段溫度升高。因而NO相應(yīng)增加圖4所示實驗所測燃燒管出口排氣溫度也說明管內(nèi)下游段溫度隨流速增加的趨勢，從流速時的224℃逐步增加到流速時的1 067℃與圖4中NO曲線的總趨勢相似。說明了NO隨流速變化的合理性。 實驗充分表明，采用中間段結(jié)構(gòu)并引入二次空氣能在較寬的流速范圍內(nèi)控制火焰的穩(wěn)定性流速偏大時；鹧鏁x開中間段向下游方向漂移適當加入二次空氣摻混到燃燒主流區(qū)，火焰移動趨勢就會停止或重新回到燃燒管中區(qū)o在保持總當量比和總空氣量不變情況下，二次空氣的引入，使進入上游段的主混合氣中的燃料成分相對變濃。上游段出口處的燃燒反應(yīng)速率相對提高，火焰勢必有向上游段移動的趨勢：而剛進入的二次空氣溫度較低。會使燃燒主流區(qū)火焰溫度有所降低，反應(yīng)速率變慢兩種作用綜合的結(jié)果 3結(jié)論 (1) CO的排放隨當量比增大或流速增大而降低，同時二次空氣與流速的適當組配能夠很好調(diào)節(jié)和控制燃燒火焰的穩(wěn)定和燃氣的排放濃度在較高當量比情況下，較小的流速和少量二次空氣可使CO排放降到接近于零。在較低當量匕匕J隋況下，二次空氣不僅可使燃燒正常進行。而且能使流速的可調(diào)范圍和燃燒穩(wěn)定的極限區(qū)域顯著擴大。 ( 2) NO排放隨流速和當量比的增加而增加。二次空氣對它影響不明顯。本實驗范圍NO排放濃度極低，且變化量不大，在（卜10~ lOI 'yd囝內(nèi)，很大部分為(卜7~ 10。，達到較理想的低排放水平。 (3)中間段結(jié)構(gòu)結(jié)合二次空氣的適當應(yīng)用，有利于將火焰控制在穩(wěn)定性、排放較低的燃燒中區(qū)，使多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機獲得良好的綜合效果o 實踐證明，通過改變結(jié)構(gòu)和進氣方式可獲得性能更為優(yōu)良的多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機。 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com |
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