过量空气系数对弛放气基本燃烧特性影响的研究*

张 锐，赵筱赫

（河南机电高等专科学校电气工程系，河南 新乡 453000）

1 引言

能源的贫乏和环境的恶化现在已成为全球性的问题，化石能源的大量应用，带来了严重的环境恶化，而且还面临更严重的挑战。因而，各个国家、各个工业部门都在寻求资源消耗少、能源转化效率高、总体排放少的系统。近来以煤气化为核心的多联产能源系统成为能源行业的热点话题［1］。

我国是煤炭生产第二大国，煤炭消费第一大国，也是当今世界上大气环境污染最严重的国家。大气污染属煤烟型污染，煤炭的使用是大气污染的主要来源，所以能源问题面临资源与环境的双重压力［2］。在这种情况下，多联产系统将会在我国未来的发展中发挥重要作用。在多联产系统中，电力不是唯一的产品，原料气需要用于制备其他化工产品，而用于发电的是化工生产过程中产生的弛放气和剩余粗煤气［3］。

2 弛放气

用于发电的弛放气，它的成分会随着化工生产方式的不同而出现不同的物理、化学特性，而且温度、压力、流量等参数也会随之发生变化。因此为了保证燃气轮机的稳定正常运行，需要对弛放气的基本燃烧特性进行研究［4］。

弛放气目前并没有明确的定义，一般是指化工过程中未被充分利用而放空的多组分气体(如生产合成氨、甲醇的过程中排出的气体)。它因工艺过程及系统的运行状况的差异而呈现出了多变性与复杂性。其主要成分有:H2、CH4、CO、CO2、N2。另外因工艺不同还可能含有 NH3、CmHn或一些醇类、醚类、酯类［5，6］。

由于受到一些条件的限制，经过查找一系列资料，最终把实验工质定为由三种成分H2、CH4、CO混合来模拟弛放气。

3 实验系统

实验系统主要由燃烧系统、空气供给系统、燃料供给系统、温度测量和烟气取样与分析系统组成。燃烧室的容积较小，提高了燃烧室内的温度。在燃烧室外部围上保温层，防止燃烧室对外散热太快，布置了6个温度测点、3个烟气测点和一个点火孔。采用了配气装置。

燃烧系统主要包括:燃烧室、保温层、支架、燃烧器等部分组成。燃烧室由刚玉管加工制成，刚玉管的直径为70mm，长为800mm，燃烧室按轴向竖直安装在支架上，燃烧器为扩散燃烧器，安装在燃烧室底部中央，燃烧器中心轴与燃烧室中心轴重合。燃烧室为一圆柱体，底部中心轴布置燃烧器，燃烧器出口平面与燃烧室底面在同一水平面上，燃烧产生的烟气从燃烧室顶部排入大气。在距燃烧器出口平面距离为100mm、140mm、180mm、220mm、300mm、380mm 的六个平面上，以燃烧室轴线为对称轴，在燃烧室轴线上及燃烧室轴线两侧分别以距中心轴距离为5mm、15mm、25mm的半径方向上，测量在不同过量空气系数下燃烧室内的温度分布规律;在距燃烧器出口平面距离为380mm、460mm、540mm的三个平面上测O2、CO2、NOx的浓度分布规律。

空气供给系统由空气压缩机、减压阀、玻璃转子流量计、调节气阀、空气导管等组成。燃料供给系统的组成为:氢气气瓶、一氧化碳气瓶、甲烷气瓶、减压阀、质量流量计、质量流量显示仪和导管等组成。温度测量和烟气取样分析系统主要由取样探针、烟气分析仪、热电偶、温度补偿导线和温度记录仪等组成。

弛放气燃烧特性实验研究的系统图如图1所示:燃气和空气进入燃烧器在燃烧室内燃烧，燃气的流量由质量流量计控制，燃烧后的烟气经燃烧室顶部排入大气。燃烧室的温度分布由热电偶和温度记录仪获得，燃气燃烧后燃烧室内燃烧产物的浓度分布由烟气分析仪测量。

图1 弛放气燃烧实验系统图

4 实验条件

根据查阅资料和文献等一些途径，经过不断的比较，总结出来大部分驰放气的组成中H2含量一般在60%以上。本实验把燃气中的H2、CO和CH4按体积百分比为70%、10%和20%来进行配置，用此混合气模拟弛放气，流量由流量计控制。燃气流量为5m3/min，其中 H2的流量是 3.5L/min，CH4的流量是 1L/min，CO 的流量是0.5L/min，过量空气系数 α 取0.8、0.9、1.0、1.1、1.2。当燃烧室内的温度场达到稳定后［7］，开始测量并记录数据。

5 实验结果及分析

本次实验，在上述过量空气系数下，测试在燃烧室内距燃烧器不同平面上的温度分布，并且分析过量空气系数对燃烧室内燃烧温度的影响。具体的实验工况见表1，当燃烧室内的温度场达到稳定后，开始测量并记录数据。实验结果见图2～7。

?

5.1 过量空气系数对弛放气燃烧温度的影响

从以上的实验数据分布图2～4可以得出以下的结论:

1)在不同过量空气系数下，燃烧室温度在其轴向距离100mm处的中心轴附近下降尤为显著，靠近燃烧室壁面附近下降变缓。轴向距离100mm处径向－15mm到15mm的范围内是高温区。燃烧室出口处的温度一般在500℃以上，出口温度沿径向变化不大。

2)在过量空气系数α=0.8时，轴向距离100mm处中心轴线左右20mm范围内有两个火焰峰值。过量空气系数α=1.0时，燃烧室温度峰值出现在偏离中心轴线5mm处。这两种情况下温度最高点并不是出现在中心轴线上，而是偏离了轴线，经分析和观察是燃烧不稳定以及外界的干扰使火焰向该方向发生了偏转。过量空气系数α=1.2时，燃烧室温度峰值出现在中心轴线左右的位置上，说明气体在燃烧过程中受到外界干扰很小。

3)温度随燃烧室高度的升高而逐渐降低，在轴向距离100mm和300mm之间温度变化较大，而且300mm到380mm之间温度下降较大，这说明火焰长度大约在100mm至300mm之间。见图2～4。

4)在燃烧室内距燃烧器不同的高度上，燃烧室中心轴线上的最高温度并不是出现在过量空气系数α=1.0的工况下，而是在α=0.8时燃烧室内中心轴线上温度达到了最高值，这说明易于燃烧的H2在α=0.8的时刻先燃烧，释放出了大量的热量，同时由于受到外界因素的影响火焰发生了晃动。α=1.2时炉膛内的温度基本比其他两种过量空气系数的值低，这是由于过量空气系数较大，进入了大量不参与燃烧反应的冷空气的缘故。

5.2 过量空气系数对弛放气燃烧产物的影响

从以上的实验数据分布图5～7总结出如下规律:

1)由图5可得出以下结论，在不同过量空气系数下，O2浓度随着轴向距离的增加而增加，随着过量空气系数的增加而增加。在过量空气系数α=0.8～0.95之间，O2浓度增加较快，在过量空气系数α=0.95～1.05之间，O2浓度的增加速度变缓。O2浓度的增长趋于零，这是由于氧气在这个范围内基本上完全参与燃烧反应了。过量空气系数相同时，O2浓度随着轴向距离的增加而增大。这是由于在燃烧室底部，燃烧室温度高，燃烧强烈，O2消耗量大，而随着轴向距离的增加，渐渐远离火焰中心，燃烧强度减弱，燃烧室的温度逐渐降低，同时射流中的燃气的量随着轴向距离的增加而渐渐降低，对应的O2消耗量也渐渐降低，同时由于燃烧室顶部密封不严，所以随着轴向距离的增加O2浓度逐渐增大。

2)由图6可得出以下结论，CO2浓度在α=0.95～1.05之间出现峰值，峰值之前其浓度随着过量空气系数的增加而较快的增加，峰值之后其浓度随着 的增大而逐渐降低。对应图5中O2浓度随过量空气系数的变化规律，可看出峰值之前CO2浓度比较低是由于空气量不足，燃烧不充分，这个时候CO的浓度较高而CO2浓度较低，CO2浓度在 α =0.95～1.05之间出现峰值，说明燃气在α=0.95～1.05时完全燃烧，峰值之后，燃气基本上燃烧完全，但是同时由于过量空气的稀释，使得其浓度下降。

3)由图7可得出以下结论，NOx的浓度在α=1.05左右出现谷值，在谷值之前其浓度随着过量空气系数的增加下降较快，这主要是因为燃气中含有CH4，在低过量空气系数时甲烷过浓燃烧生成了快速型NO所致(主要反应机理为CH4分解成CH、CH2和C4等基团，它们破坏了空气中N2分子键而在火焰锋面上形成了快速型NO)。在谷值之后其浓度随着过量空气系数的增加而增加，在α=1.1时出现峰值，这是由于生成温度型NO的结果。在峰值之后由于温度降低和空气的稀释使得NOx浓度随着过量空气系数的增加降低。

炉膛出口处的NOx浓度在α=1.1时出现峰值，在α=1.05时出现一个谷值。在α=1.0之前，属于过浓燃烧，由于燃气里含有CH4，燃烧生成了P－NO，随着α的增加，P－NO的生成量减少，这时燃烧室温度还不太高，在谷值附近还没有生成T－NO，所以NOx浓度下降。在α=1.05时，即从谷值开始，燃烧室温度较高，这时开始生成T－NO，使得NOx浓度升高，并且在α=1.1时浓度出现一峰值，在峰值之后，由于空气和其他燃烧产物的稀释作用，其浓度又逐渐降低。

6 结论

本文通过实验研究，得到了关于过量空气系数对弛放气燃烧温度和燃烧产物影响的一些结论。

1)通过实验的方法，得到了各个实验工况时燃烧室内弛放气的燃烧温度场。在燃烧室内，燃烧温度沿径向逐渐下降，除了燃烧室壁面附近，燃烧室内其他地方沿轴向逐渐下降。在过量空气系数α=0.8～1.2的范围内，燃烧室内的温度总体上沿径向和轴向逐渐下降，燃烧温度在距燃烧器出口300mm之间的范围内比较高，在靠近燃烧室出口处温度下降明显，一般在550℃左右，说明弛放气燃烧温度的高温区主要集中在火焰附近的区域内。

2)在过量空气系数 α=0.8～1.2的范围内，O2浓度沿轴向逐渐增加，在α=0.95～1.05的范围内，O2浓度沿轴向增加变缓，在α＞1.05后，O2浓度沿轴向增加速度又变快，O2浓度随过量空气系数的增加而增加。CO2浓度先升高后降低，在α=1.0附近其浓度出现峰值。NOx浓度在α=1.05时出现谷值，在谷值前其浓度下降显著，谷值后其浓度降低速度变稍缓。在燃烧室出口处，O2浓度先降低后上升，在α=0.95时O2浓度出现谷值，CO2浓度先上升后降低，在α=0.9时出现峰值。NOx浓度在出口处最低，在α=1.05附近时出现谷值。

［1］赵黛青，余颖琳，万英.我国能源的现状与发展［J］.科学对社会的影响，2006，(02):25－29.

［2］吴贵辉.中国能源现状及发展趋势［J］.农电管理，2007，(11):10－11.

［3］倪维斗，李政.以煤气化为核心的多联产能源系统——资源能源环境整体优化与可持续发展［J］.煤化工，2003，(1):3－10.

［4］谢克昌.气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究［R］.国家973课题，2005，21－22.

［5］曹艳霞，杨洪文.哈尔滨气化厂14万甲醇装置弛放气处理方案比较［J］.天然气化工，2003，(4):19－21.

［6］吴潜.氮肥厂弛放气的合理利用［J］.广西化工，1989，(1):10－13.

［7］钱申贤.燃气燃烧原理［M］.北京:中国建筑工业出版社，1989.