工业级多孔介质低氮燃烧器开发研究

摘要

与传统低氮燃烧器相比，多孔介质燃烧器具有结构简单、燃烧效率高、负荷调节范围宽、污染物排放特别是氮氧化物排放低的优点。目前针对多孔介质燃烧器的研究主要集中于实验室水平的小型燃烧试验装置，尚未有对工业级别多孔介质燃烧器的研究。 本文在前期多孔介质燃烧机理研究的基础上，设计功率范围为50~100kW的工业级多孔介质燃烧器，通过试验与理论模拟手段对其进行研究，为工业级多孔介质燃烧器的设计和应用提供指导。主要研究内容如下： （1）基于文献中小型多孔介质燃烧机理研究结果和工业燃烧器的设计要求，提出工业级多孔介质燃烧器的设计导则，设计功率范围为50~100kW的双层多孔介质燃烧器；搭建多孔介质燃烧试验系统，试验研究工业级多孔介质燃烧器预混室前扰流件类型和多孔介质直径对燃烧器污染物排放特性的影响。结果表明，与预混室前布置蜂窝陶瓷相比，布置泡沫陶瓷能够明显改善燃气与空气的混合效果，降低CO排放浓度，燃烧器功率为50kW，当量比为0.8工况下，通过布置蜂窝陶瓷，能够将燃烧器CO排放量从136.3mg/m3降为17.5mg/m3。 （2）试验研究天然气在工业级双层多孔介质燃烧器内燃烧时的稳燃范围和污染物排放特性。结果表明，随着燃烧当量比的增大，燃烧器稳燃上限和稳燃下限均会升高，且稳燃上限的增幅大于稳燃下限；天然气在多孔介质内燃烧时生成的氮氧化物主要为NO，其排放量随燃烧器负荷和燃烧当量比增大而增大，试验工况范围内，氮氧化物排放量低于30mg/m3，工业级多孔介质燃烧器仍具有低氮排放特性；燃烧器CO排放量随当量比和预混气体入口流速的增大先降低后升高，当量比小于等于0.9时，CO排放值不高于56mg/m3；为将燃烧器污染物排放量控制在较低水平，燃烧器运行当量比范围建议在0.6~0.8之间。 （3）数值模拟天然气在双层多孔介质中的燃烧特性。基于CFD商业软件FLUENT6.3，以本文设计的工业级多孔介质燃烧器燃烧头为原型，建立双层多孔介质燃烧二维双温模型，采用详细化学反应机理，模拟典型工况下天然气/空气预混气体在多孔介质中燃烧时的出口辐射效率、气固温度分布、组分分布和污染物排放浓度，并针对多孔介质厚度进行变参数分析。结果表明，模型能够较好的反映天然气在多孔介质内的燃烧情况。燃烧器出口辐射效率随燃烧器负荷增大显著下降，研究工况范围内辐射效率处于15.6%~28%之间；火焰面稳定在双层多孔介质交界面附近，气固温差在300K以内；CO和NO排放浓度均随当量比和燃烧器功率增大而升高，其值与试验结果基本吻合；综合考虑燃烧器污染物排放浓度和燃烧器成本，建议上游多孔介质厚度为40mm，下游多孔介质厚度为80mm。

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