不同燃氣流量對甲烷火焰NOx排放的影響

上海電氣電站集團 宋在樂

上海交通大學機械與動力工程學院 范衛東

0 引言

天然氣是城市燃氣的理想氣源，我國城市燃氣氣源正在從煤制氣為主向天然氣為主、液化氣為輔過渡，而隨著“西氣東輸”工程的進展，天然氣的比重必定不斷增加，由此帶來的污染物排放問題已經引起了各方面的普遍關注。

與固體和液體燃料不同，碳氫類氣體燃料中的硫含量很低，燃燒生成的污染物主要是氮氧化物(NOx)，而且生成機制也不同于固體和液體燃料。民用燃氣燃燒器是在常溫下運行的，而CH4是天然氣的最主要組成部分，因此研究不同預混度和不同燃氣流量條件下CH4火焰的NOx排放特性，為民用領域的天然氣低NOx燃燒技術提供參考，是一項很有意義的工作。

本文著重于考察不同的預混度和燃氣流量對常溫CH4火焰NOx排放特性的影響。

1 試驗裝置和試驗工況

試驗系統如圖1所示，試驗模擬的是民用大氣式燃氣燃燒器的燃燒條件，用以考察常溫下預混度和燃氣流量對CH4火焰NOx排放特性的影響。試驗系統大致由燃燒系統和測量系統兩個部分組成，燃氣和空氣壓縮機供應的一、二次風混合后從燃燒器噴口噴入石英管內燃燒，燃燒后產生的一部分煙氣經由過濾裝置進入測量設備，過濾裝置的主要作用是濾去煙氣中的炭黑和水分，以防止損壞測量設備。

圖1 試驗系統示意

在試驗工況的選擇上，選取了 70、80、90和100 ml/min四個不同流量工況，分別對它們在不同預混度條件下的NOx排放特性進行了考察，選取不同流量工況的目的是為了把一次風(包括燃氣)和二次風出口流速的影響考慮在內。

2 試驗結果及分析

當一次空氣系數變化時，許多研究結果表明燃氣火焰的NOx排放存在峰值，但是不同學者給出的NOx峰值及其所對應的一次空氣系數各不相同，而且曲線形式也有差異，傅忠誠等撰寫的《本生燃燒一次空氣系數與NOx的關系》文章中給出了不同學者的研究結果(如表1所示)，并通過進一步的試驗研究表明，一次空氣系數對燃氣在封閉空間內燃燒的NOx產生和在大氣中燃燒的NOx產生有不同的影響，通過封閉空間內的天然氣燃燒試驗得出當一次空氣系數為0.8時，NOx出現極大值；且當一次空氣系數在0.55～0.7之間時，NOx出現極小值。

表1 NOxMAX對應的一次空氣系數

劉效洲等撰寫的《壁掛燃氣爐污染物排放特性的實驗研究》文中認為，對壁掛燃氣爐，綜合考慮熱效率、CO的體積分數、NOx的體積分數3個影響因素，推薦空氣系數為1.8～2.0，此時熱效率約為91%，CO的體積分數約為30×10-6，NOx的體積分數約為40×10-6。

圖2 不同甲烷流量時預混度對NOx排放的影響

宋洪鵬等撰寫的《過量空氣系數對燃氣燃燒中NOx生成的影響》中認為，對于液化氣火焰(成分為C3H8和C4H10，體積分數均為50%)，過量空氣系數在1.0～1.2之間存在一個最佳值，使得產生的NOx量很少。

本試驗的設計思想和上述都有所區別，在相對封閉的空間內，CH4在比較穩定的過量空氣供應條件下燃燒，通過改變預混度考察其對NOx排放產生的影響。

在試驗工況的選取上，整個試驗測量了4個工況共計48個工況點，得出的試驗結果如圖2所示。

在用統一形式的五次曲線：

其中：y—NOx排放濃度，10-6；

x—預混度，%；

a、b1、b2、b3、b4、b5—系數。

擬合以后，相對誤差在0～5%之間的點有38個，占79.2%；在5～10%之間的點有7個，占14.6%；在10%以上的點有 3個，僅占6.2%，且最大絕對誤差小于7×10-6。因此，用擬合以后的NOx排放曲線對試驗結果進行分析是可信的。

通過分析擬合后的NOx排放曲線可知，隨著的增加，NOx排放曲線的峰值右移，即向預混度高的方向移動，依次為39.7%、49.4%、53.1%、61.3%，二者之間的關系如圖3所示。

可用一次曲線擬合：

其中：y—預混度，%；

x—CH4流量，ml/min；

a、b—系數。

圖3 NOx排放峰值時CH4流量與預混度關系示意

最大相對誤差小于4%，可以看出，在本試驗的工況范圍以內，二者之間基本上是比例增長的關系。NOx排放曲線的峰值隨CH4流量的變化關系如圖4所示。

在本試驗的工況范圍以內，隨CH4流量增加，NOx排放曲線的峰值先增加，然后趨于穩定，略有下降，依次為 62.4×10-6、70.2×10-6、79.5×10-6、77.4×10-6，二者之間的關系可用二次曲線擬合。

其中：y—NOx排放曲線的峰值，10-6；

x—CH4流量，ml/min；

a、b1、b2—系數。

圖4 NOx排放峰值隨CH4流量的變化示意

最大相對誤差小于 3%，可以推斷，隨著 CH4流量的增加，NOx排放曲線的峰值可能會出現回落，但是由于受到本試驗所采用的燃燒器的限制，流量增加以后氣流出口速度增加，容易發生脫火現象，當CH4流量達到90 ml/min以后，已經做不到全預混的工況。

3 結論

通過研究不同燃氣流量條件下 CH4火焰 NOx排放隨預混度的變化規律發現：

(1)對于常溫CH4火焰，隨著燃氣流量的增加，NOx極值對應的預混度增大，NOx極值先增加然后趨于穩定；

(2)對于常溫CH4火焰，在給定燃氣流量的條件下，NOx排放隨預混度的變化規律可以用五次多項式來表示。