高温空气燃烧特性的研究

文章编号:1000-4416(2001)03-0208-03

高温空气燃烧特性的研究X

艾元方1,蒋绍坚1,周孑民1,汪洋洋2

(1.中南大学应用物理与热能工程系,湖南长沙410083;

2.株州工业炉制造公司,湖南株州412005)

摘要:研究了高温低氧条件下丙烷燃烧的火焰特性。结果表明:在空气温度高于800e、含氧体积分数低于15%的条件下燃烧,火焰体积明显增大,火焰无稳定边界,火焰亮度减

弱,火焰颜色明显改变;含氧体积分数越低,稳定燃烧所需助燃气流预热温度越高;该种燃

烧具有高效节能、低NOx污染、装置尺寸小等优点。

关键词:燃烧特性;低氧燃烧;高温空气燃烧;低NO x燃烧

中图分类号:TQ038.1文献标识码:A

1引言

在助燃气流温度高于800e,且其含氧体积分数低于15%的条件下燃烧,即高温空气燃烧(简称HTAC),又称高风温无焰燃烧[1],与在空气、富氧、甚至纯氧条件的传统燃烧相比,火焰具有完全不同的特征。在日本、西欧等国家,HTAC被认为是节能降污的重要技术[2]。在国内也正对此项技术进行研究[1,3]。高风温无焰燃烧可应用于热工窑炉、锅炉、加热器、垃圾处理、低热值燃料再处理与能量转化等。本文在小型热态实验炉上,采用电加热法调节助燃气流温度,采用掺混氮气法调节含氧体积分数,对丙烷在高温低氧条件下燃烧的火焰特性进行实验研究,并对高温低氧空气燃烧技术工业应用所具有的优越性进行定性分析,为开展新型燃烧的基础研究,开发应用新型燃烧装置奠定基础。

2实验炉结构及实验方案

图1为热态实验炉炉膛垂直剖面图,内腔尺寸200mm@80mm@260m m,烟道内腔尺寸90m m@80 mm,助燃气流入口布置在炉膛底面上。预热段内腔横截面尺寸为90mm@40mm,长3m,最大功率为20kW、«5mm的电阻丝布置在其通道内。纯度为99.99%的丙烷通过«1.5m m的喷口与助燃气流成90b交角进入炉膛。助燃气流测温点位于炉膛底面略偏下的位置处。炉膛的一个200mm@80m m侧面的正中心开有一个«6mm的测温孔,热电偶测温点位于炉膛正中心。炉膛和助燃气流温度均由铂铑10-铂热电偶测定。炉膛的一个200mm@260mm 侧面由石英玻璃组成,便于对火焰进行观察和用数码相机照相。为防止助燃气流进入炉膛因散热而发生温度急剧下降的现象,炉膛四周布置4根保温电阻丝(总功率8kW)。炉膛正中心温度和助燃气流预热温度基本相同时,通入丙烷进行实验。

图1炉膛垂直剖面图

#

208

#煤气与热力第21卷第3期

X收稿日期:2000-03-30

作者简介:艾元方(1968-),男,湖南邵阳人,讲师,硕士,从事高效传热技术及高效低污染燃烧技术的研究工作。

助燃气体为空气或空气-氮气混合气体,总流量恒定为15m3/h。丙烷流量恒定为0.053m3/h。在助燃气流流量15m3/h、其含氧体积分数为2%,丙烷流量0.053m3/h的前提下,算得炉膛内空气过剩系数大于1,故始终保持了炉膛内发生完全燃烧。

3实验结果

实验过程中,助燃气流温度的变化范围为560 ~1000e,其含氧体积分数的变化范围21%~2 %。

3.1火焰体积

助燃气流含氧体积分数为21%(即普通空气)时,各预热温度下的火焰体积小,并不能使火焰体积明显增大;在助燃气流预热温度高于800e后,随着其含氧体积分数的降低,火焰逐渐变大;在助燃气流预热温度为1000e,其含氧体积分数降为15%时,火焰体积已成倍扩大;进一步降低助燃气流含氧体积分数,观察到火焰甚至进入了烟道。只有在助燃气流温度提高到800e以上的同时,降低其含氧体积分数到15%以下,才能使火焰体积明显增大。3.2火焰亮度与颜色

普通空气燃烧的各火焰亮度均很强,而且预热温度越高,火焰越刺眼,即火焰的发光强度越大。高温低氧条件燃烧的火焰亮度明显减弱,明显低于同温度下普通空气燃烧的火焰亮度,看上去比较柔和。

随着助燃气流预热温度的升高和其含氧体积分数的降低,火焰颜色由黄色变为蓝色、蓝绿色、绿色、甚至无色。普通空气燃烧的各火焰颜色以黄色为主,夹杂蓝色;助燃气流含氧体积分数降为15%,其预热温度为800e时,火焰颜色则以蓝绿为主;降低助燃气流含氧体积分数降至5%,其预热温度提高到1000e,火焰基本上呈绿色;助燃气流含氧体积分数降至2%时,火焰颜色十分浅,在炉壁的映衬下,几乎看不到火焰。只有在提高助燃气流预热温度的同时,降低其含氧体积分数,才能使火焰亮度明显减弱,色差减小。

3.3火焰界面

各火焰均由喷嘴出口处开始由小变大,但高温低氧条件燃烧的火焰主体在形状上明显不同,呈浓雾状,其边缘无稳定的形态,为动态火焰。普通空气燃烧的各火焰均有基本稳定的形状,为静态火焰。3.4燃烧稳定性

随着助燃气流含氧体积分数的降低,稳定燃烧所需的助燃气流预热温度逐渐提高。助燃气流含氧体积分数降为15%时,其预热温度最低值为600 e;助燃气流含氧体积分数降为8%时,其预热温度最低值提高到900e;而助燃气流含氧体积分数降为2%时,其预热温度最低值提高到1000e。这表明,在以助燃气流含氧体积分数为横轴,助燃气流预热温度为纵轴的坐标图上,存在一条曲线,以它为界,左上区域为稳定燃烧区,右下区域为非燃烧区。

4高温低氧燃烧的特性

4.1高效节能、装置尺寸小

对普通空气燃烧,燃料分子在喷嘴附近的较小空间内便与足够多的氧分子相遇,来不及扩散到炉膛较大空间就被全部氧化。对低氧体积分数条件燃烧,由于氧分子被大量惰性气体分子所分散,喷嘴附近的氧分子数量已明显少于普通空气燃烧时的氧分子数量,只有小量的燃料分子在喷嘴附近与氧分子相遇发生燃烧,而大量的燃料分子须扩散到炉膛大空间中才能与氧分子相遇发生燃烧。因此,使得高温低氧条件燃烧的各火焰体积明显增大。高温低氧燃烧,增大了火焰体积,使炉膛内温度分布更均匀,提高了炉膛平均温度,加大了火焰整体对受热面辐射换热能力,加大了单位面积传热强度,大大地促进了炉膛热效率的提高。

组织高温低氧燃烧,关键之一是稳定地产生温度800e以上的助燃气流。HTAC实验炉采用电加热法产生高温助燃气流。工业上可采用如下方法实现HTAC,即用具有炉膛温度的烟气经过一高效蓄热体,让蓄热体将烟气显热传递给室温空气,得到温度800e以上的接近炉膛温度的高温助燃气流。助燃气流预热温度与炉膛温度相差无几[4],最大程度地回收具有炉膛温度的烟气显热,也将促使整个装置热效率的提高。在相同的炉膛热负荷条件下,也就降低了炉膛结构尺寸。

传统炉窑有辐射换热区和对流换热区,在对流区安置空气预热器和省煤器回收烟气余热,热回收效率低,装置体积庞大。HTAC装置用高效蓄热体回收具有炉膛温度的烟气余热,完全取消了对流换热区,从而明显地减小了HTAC装置尺寸。

#

209

#

2001年6月艾元方等:高温空气燃烧特性的研究