旋流對富氧擴(kuò)散燃燒no

旋流對富氧擴(kuò)散燃燒no

近年來，氧氣燃燒在冶金、玻璃、垃圾焚燒等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用和開發(fā)。然而，氧氣燃燒的高溫也導(dǎo)致一些污染物的排放增加，尤其是nox排放顯著增加。這是氧氣推廣應(yīng)用中必須解決的問題之一。燃?xì)馊紵腘Ox生成主要有熱力型NO和快速型NO兩種,哪一種生成機(jī)理占主導(dǎo)與火焰溫度和燃燒方式有很大關(guān)系.富氧燃燒與普通空氣燃燒的最大區(qū)別之一就是火焰溫度急劇升高.Beltrame等發(fā)現(xiàn)富氧燃燒總的NOx生成量大量增加的主要原因在于火焰的高溫區(qū)變寬,熱力型NO生成大量增加.因此,控制熱力型NO的生成是減少富氧燃燒NOx排放的關(guān)鍵.分段燃燒、增加旋流、部分預(yù)混等都是降低燃燒中氮氧化物生成的常用方法.其中旋流是穩(wěn)定擴(kuò)散燃燒火焰的有效方法之一,在工業(yè)燃燒器中應(yīng)用廣泛.足夠強(qiáng)的旋流能產(chǎn)生內(nèi)部回流區(qū),提供連續(xù)且穩(wěn)定的點(diǎn)火源,同時(shí)還能增強(qiáng)流體混和燃燒強(qiáng)度.旋流燃燒的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠降低NOx的排放,其原因在于增加了燃料和空氣的混和,減少了局部高溫的形成.這些研究主要局限于普通空氣燃燒,關(guān)于富氧燃燒的氮氧化物生成,相關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)很少.本文的目的是研究旋流對甲烷/富氧空氣同軸擴(kuò)散燃燒特性和NOx排放的影響,通過對不同氧濃度下火焰形態(tài)、燃燒場的諸物理量分布、NOx排放濃度的測量,分析旋流對富氧擴(kuò)散燃燒NOx排放的影響,力圖研發(fā)適用于富氧燃燒的低NOx技術(shù).1實(shí)驗(yàn)2.2旋流參數(shù)圖1為甲烷/富氧空氣旋流擴(kuò)散燃燒噴嘴截面圖,其中氧化劑由2個(gè)軸向(Ra=4mm)和4個(gè)切向(Rθ=1.5mm,與水平面基本平行)入口噴入,分別產(chǎn)生軸向流動(dòng)和切向流動(dòng),燃料由中心的燃料管(RF=0.75mm)噴入,氧化劑噴嘴出口半徑R=10mm.擴(kuò)散火焰在邊長為250mm的密閉燃燒室內(nèi)形成,相比燃燒噴嘴直徑,可以忽略燃燒室壁對火焰的影響;燃燒室高800mm,上部為漸縮結(jié)構(gòu),利用混和板促進(jìn)煙氣混和,保證在采樣點(diǎn)處尾氣濃度均勻.實(shí)驗(yàn)中氧化劑由O2、N2按照體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行配氣,具體實(shí)驗(yàn)條件見表1.作為參考,選擇了一組空氣燃燒作為對比.實(shí)驗(yàn)中保持O2流量不變,通過改變N2流量來調(diào)節(jié)氧濃度,供給的燃料與氧化劑的總的當(dāng)量比用α表示.本研究考察旋流對降低NOx影響的方法是在保持氧化劑總流量不變的條件下,通過調(diào)節(jié)切向與軸向的氧化劑流量的比例來改變旋流數(shù),實(shí)驗(yàn)中采用的旋流數(shù)Sg分別為0、0.067、0.27、0.60、1.07和1.67.旋流數(shù)定義為切向動(dòng)量矩和軸向動(dòng)量與特征尺寸乘積之比,即Sg=Rθ×R×πAθ(mθmt)(1)Sg=Rθ×R×πAθ(mθmt)(1)此式由Claypole和Syred定義,用來計(jì)算采用切向進(jìn)風(fēng)方式形成的旋流強(qiáng)度,為幾何旋流數(shù),其中Rθ為切向空氣進(jìn)口半徑,R為噴嘴出口半徑,Aθ為切向空氣進(jìn)口總面積,mθ和mt分別為切向和總的空氣質(zhì)量流量.尾氣中O2、CO、CO2、NOx含量利用煙氣分析儀(HORIBAPG-250)進(jìn)行測量,測得的組分為干基體積分?jǐn)?shù).煙氣分析儀所測主要?dú)怏w的測量范圍和誤差如下:O2測量范圍為0～25%,誤差為0.01%;CO測量范圍為0～5000×10-6,誤差為1×10-6;CO2測量范圍為0～20%,誤差為0.01%;NOx測量范圍為0～500×10-6,誤差為0.1×10-6.由于煙氣分析儀所測NOx體積分?jǐn)?shù)為NO和NO2兩者總和,為了計(jì)算和討論的方便,文中NOx排放指數(shù)INOx值由NO排放指數(shù)INO值代替.INOx表征單位燃料消耗時(shí)NOx的生成量,假設(shè)CH4完全燃燒生成CO2,INOx(單位:g/kg)利用下式來計(jì)算:ΙΝΟx=ΙΝΟ=1000XΝΟxXCΟ2×WΝΟWCΗ4(2)INOx=INO=1000XNOxXCO2×WNOWCH4(2)式中:XNOx和XCO2分別為尾氣中NOx和CO2體積分?jǐn)?shù);WCH4和WNO分別為CH4和NO的分子量.火焰溫度的測量采用直徑0.3mm裸露探頭的BB型熱電偶,利用數(shù)據(jù)采集儀(Agilent34870A)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,火焰形態(tài)利用310萬像素的CCD相機(jī)拍照來觀察.火焰流場通過非接觸式的二維粒子成像速度儀(PIV)進(jìn)行測量,其中CCD鏡頭前安裝了一塊平均通過頻率為5322.5nm的濾光鏡,以降低火焰發(fā)光對拍攝圖像的影響.為了獲得較好的測量精度,本實(shí)驗(yàn)示蹤粒子采用直徑約為2μm的SiC粉末.CCD拍攝區(qū)域大小為45mm×34mm的矩形區(qū)域,下邊位置距噴嘴出口20mm.2結(jié)果與分析2.1旋流數(shù)對火焰形態(tài)的影響圖2為氧體積分?jǐn)?shù)為30%,在不同氧化劑噴出速度條件下改變旋流強(qiáng)度時(shí)的火焰照片.由于各幅照片的曝光時(shí)間保持恒定,因此當(dāng)旋流數(shù)較大時(shí),火焰發(fā)生抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致畫面有些模糊.氧化劑速度為0.18m/s時(shí),當(dāng)Sg<1.07時(shí),火焰基本保持無旋時(shí)的狀態(tài)并發(fā)出明亮的白光,當(dāng)Sg>1.07以后,隨著旋流數(shù)的增大,可見火焰高度略有增加,火焰逐漸變寬,火焰下游呈刷狀,且逐漸發(fā)出明亮的橙色光?說明旋流促進(jìn)了燃料與氣體混合,火焰膨脹所致.當(dāng)氧化劑速度提高后,旋流強(qiáng)度的影響更為顯著,火焰逐漸變寬直到火焰中心出現(xiàn)橢圓形的暗區(qū),火焰發(fā)光逐漸變?yōu)槌赛S色.對于氧體積分?jǐn)?shù)為40%的火焰,如圖3所示,旋流對火焰形態(tài)的影響與條件A和B火焰類似,但由于火焰溫度分別較前兩者高,氣體黏度較大,因此旋流數(shù)對火焰形態(tài)的影響減弱.2.2旋轉(zhuǎn)時(shí),nox排放指數(shù)下降,nox生成富氧火焰圖4和圖5分別表示了在氧體積分?jǐn)?shù)為30%和40%條件下,旋流數(shù)對富氧火焰NOx排放指數(shù)的影響,圖中也給出了空氣燃燒的數(shù)據(jù).如圖4所示,沒有旋轉(zhuǎn)時(shí),空氣燃燒的NOx排放指數(shù)為0.64g/kg,空氣中氧體積分?jǐn)?shù)增加到30%時(shí),NOx排放指數(shù)增加到了3.5g/kg,隨著旋流數(shù)的增加,NOx排放指數(shù)逐漸下降,旋流的加入顯著降低了NOx生成.值得關(guān)注的是,氧化劑的噴出速度為0.18m/s的富氧火焰,當(dāng)旋流強(qiáng)度增大到1.07,NOx排放指數(shù)的降低率達(dá)到40%,當(dāng)氧化劑的噴出速度增加為0.28m/s時(shí),富氧火焰的NOx排放降低更為迅速,在旋流數(shù)達(dá)到1.07以后,基本可以達(dá)到空氣燃燒的排放水平.如圖5所示,沒有旋轉(zhuǎn)時(shí),氧體積分?jǐn)?shù)為40%的條件下,NOx排放指數(shù)增加到9g/kg,NOx排放指數(shù)隨旋流強(qiáng)度降低的趨勢和氧體積分?jǐn)?shù)為30%時(shí)完全一致,氧化劑速度為0.14m/s時(shí),NOx排放指數(shù)的降低率達(dá)到50%,當(dāng)氧化劑速度增加為0.22m/s時(shí),NOx排放指數(shù)降低率接近70%,絕對降低量遠(yuǎn)超過30%時(shí)的富氧燃燒.以上結(jié)果表明,在燃料和氧化劑的供給量保持不變的情況下,通過增加氧化劑的旋流強(qiáng)度,可以非常有效地降低富氧火焰的NOx生成.2.3旋轉(zhuǎn)速度和旋流強(qiáng)度對火焰溫度分布的影響圖6為氧化劑的氧體積分?jǐn)?shù)為30%條件下,距噴嘴出口40mm處的火焰徑向溫度分布.最高火焰溫度隨著旋流數(shù)的增大而降低,由1800K降低到了約1400K,火焰溫度分布也逐漸趨于平坦.氧化劑噴出速度增加后,火焰的整體溫度降低,火焰的最高溫度也是隨著旋流強(qiáng)度增強(qiáng)而降低,雙峰形的火焰溫度分布逐漸變?yōu)閽佄镄?作為射流擴(kuò)散火焰,火焰溫度主要取決于燃料與氧化劑的物化性質(zhì),以及火焰面近旁的混合情況,在本實(shí)驗(yàn)中,前者沒有變化,溫度分布的變化應(yīng)該是因?yàn)樾鞔龠M(jìn)了火焰面附近的混合.首先旋流斜向拉伸了火焰面,同時(shí)在離心力作用下火焰出現(xiàn)一定的徑向膨脹,外層氧化劑與周圍氣流的混合被促進(jìn),導(dǎo)致氧體積分?jǐn)?shù)下降,因而隨著旋流強(qiáng)度的增大,火焰顏色逐漸由明亮轉(zhuǎn)為橙黃,火焰高度逐漸增加.2.4旋轉(zhuǎn)流場實(shí)驗(yàn)了解火焰的速度分布,可以更加清晰地了解燃料流和氧化劑流的混合情形.本文采用PIV測量了不同條件時(shí)的速度分布,圖7是30%富氧火焰在3種旋流強(qiáng)度下z-r面的速度矢量圖,如圖所示,由于中心管噴出的燃料射流沒有切向動(dòng)量,且氧化劑速度與燃料速度相比很小,因此即使氧化劑的旋流數(shù)增大至1.67,火焰中心部分流場受到的影響很小,沒有出現(xiàn)卷吸火焰下游已燃組分而形成的回流區(qū).當(dāng)旋流數(shù)為0時(shí),流場具有典型射流擴(kuò)散特征,中心射流逐漸衰減,速度分布逐漸變?yōu)槠教?隨著旋流數(shù)的增大,中心射流周圍氣流的速度增加而且出現(xiàn)不規(guī)則擾動(dòng),中心射流衰減加快,這種流場特性與火焰溫度分布變寬且最高火焰溫度下降的特性是完全對應(yīng)的.其他條件下的流場分布具有同樣的特性.2.5不同預(yù)聚氧聚合酶系統(tǒng)的熱壓分布旋流對氮氧化物排放指數(shù)的影響程度與火焰中NOx的主導(dǎo)生成機(jī)理有關(guān)增加,在CH4/空氣擴(kuò)散火焰中,快速型NO是NOx生成的主要途徑,當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)增加到30%時(shí),熱力型NO的生成大量增加,與快速型NO機(jī)理的貢獻(xiàn)相當(dāng),而當(dāng)氧濃度增加到40%時(shí),熱力型NO成為NOx生成的主要途徑.快速型NO主要起因于HCN和N參與的快速基元反應(yīng),受溫度影響較小,而熱力型NO的生成則與溫度密切相關(guān).由溫度分布圖6可見,隨著旋流增加,火焰的最高溫度逐步降低,火焰分布逐步變得平坦,導(dǎo)致了熱力型NO生成的減少.對于熱力型NO為NOx主要生成機(jī)理的40%富氧燃燒,旋流降低NOx生成的效果就更為顯著,表明對于富氧擴(kuò)散燃燒火焰,給予噴出的氧化劑一定的切向速度可以降低熱力型NO的生成,氧體積分?jǐn)?shù)越高的富氧燃燒,旋流對NOx抑制的效果越好.3不同旋流關(guān)型nox排放指數(shù)變化(1)甲烷/富氧空氣同軸層流擴(kuò)散火焰中,隨著氧化劑旋流數(shù)的增大,射流的衰減加快,燃料與氧化劑之間的混合增強(qiáng),使火焰