[doc格式] 平焰加热炉内过剩空气系数对NOx生成特性影响的试验研究

[doc格式] 平焰加热炉内过剩空气系数对NOx生成特性影响的试验研究 平焰加热炉内过剩空气系数对NOx生成特 性影响的试验研究 2008年6月 第27卷2期 内蒙古科技大学 JournalofInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology Jnne.2008 Vol27.No2 文章编号:1004—9762(2008)02—0127—06 平焰加热炉内过剩空气系数对NO 生成特性影响的试验研究 石磊,武文斐,陈伟鹏,邢守正 (内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古包头014010) 关键词:平焰;过剩空气系数;NO;试验 中图分类号:TF066.13文献标识码:A 摘要:在自行 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的液化石油气单烧嘴平焰加热炉试验平台上,通过改变过剩空气系数,进行了四组对照燃烧试验.利用热 电偶测得了每组试验中的炉膛的温度及其分布,利用烟气分析仪测得了烟气中氮氧化物的浓度;分析了过剩空气系数对炉膛 的温度分布及氮氧化物生成特性的影响规律.研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,在其它参数 不变的情况下,适当地增加过剩空气系数可以有效地降 低烟气中氮氧化物的含量. ExperimentalstudyofeffectofsurplusaircoefficientonNOx formationcharacteristicsinflatflameheatingstove SHILei,WUWeng—fei,CHENWei-peng,XINGShou-zheng (EnergySourcesandEnvironmentSchool,InnerMognofiaUniversityofScienceandTechnology,BaotouO140iG,China) Keywords:flatflame;surplusaircoefficient;NO;experiment Abstract:Fourgroupsofmatchedcombustionexpefimen~weredoneontheexperimentalplatformofLPGsingleburnerflatflameheating stove.ThedistributionoftemperatureinhearthWaSmeasIlr~bythermocouple;theconcentrationofNOingas懈measuredbygasanalyzer. TheeffectofsurplusaircoefficientonthedistributionoftemperatureinhearthandtheformationcharacteristicsofNOwereanalyzed.Itiscon— cludedthattheproperlyincreasedsurplusaircoefficientcallreducethecontentofNOingaseffectively. 平焰燃烧技术自20世纪60年代问世以来,以 其在节约能源,提高热效率,减少污染物排放等方面 相对于圆锥型直流火焰的优势,在工业部门尤其是 冶金工业中得到广泛的应用.平焰燃烧技术是指利 用平焰烧嘴使火焰紧贴烧嘴所在的壁面向炉膛四周 喷射出去,从而形成张角为180.且厚度较薄的圆盘 型火焰.我们称之为平展流火焰,简称平焰_1,2J. 在工业实践中,燃料在化学平衡中所需空气量即 理论空气量下是不可能完全燃烧的,因此需要多供应 一 些空气即过剩空气,以保证燃料的完全燃烧.实际 供给的空气量与理论空气量之比叫做过剩空气系数, 一 般用a表示.在加热炉的设计和操作中,过剩空气 系数是一个非常重要的参数.在实际操作中过剩空 气系数对加热炉的影响是多方面的,主要体现在以下 几个方面:它直接影响加炉的热效率,过剩空气系数 太小会造成不完全燃烧,增加不完全燃烧热损失,降 低热效率;过剩空气系数太大,多余的空气在排烟温 度下排人大气将带走大量热量直接增加排烟热损失 而使热效率降低;其次过剩空气系数的大小直接影响 烟气阻力的大小;再者烟气含氧量增加会增加炉内构 件的氧化,并且,烟气中过多的氧还会增加S02向S03 转化,加重低温烟气露点腐蚀L3,4J. ?收稿日期:2008—03—21 基金项目:国家自然科学基金资助项目(00250117);内蒙古自然科学基金资助项目(200508010701);国家重大基础研究前期研究专项基金 资助项目(2005CCA00600) 作者简介:石磊(1981一),男,内蒙古乌海人,内蒙古科技大学硕士研究 生,主要从事燃料燃烧特性及有害排放物治理研究. 128内蒙古科技大学2008年6月第27卷第2期 目前国内对于燃气平焰加热炉内的温度分布规 律及NO生成特性的研究,大多采用数值模拟的方 法,采用热态试验的方法还比较少[,;而关于过剩 空气系数对燃气平焰加热炉内的温度分布规律及 NO生成特性的试验研究还未见报道. 1试验模型及装置 试验模型主要由燃烧试验系统及数据采集系统 组成,如图1所示.燃烧试验系统包括加热炉本体 及其管道,阀门系统和鼓风机,液化石油气瓶等;数 据采集系统包括温度采集系统——热电偶,巡检仪, MCGS组态软件,NO浓度采集系统——烟气分析 仪,空气流量测量设备——LuGB2125型涡街流量传 感器,流量100,800m3/h,工作压力68kPa,液化 气流量测量设备——LZ型液化石油气金属管浮子 流量计,量程为0,20m3/h,工作压力为5,8kPa. 本试验炉为内蒙古科技大学自行设计的燃气单平焰 烧嘴加热炉,炉膛为立方体结构,其有效尺寸为 1800x1000X800;平焰烧嘴(如图2所示)布置于 炉膛顶端中心,它主要由燃料枪,空气进风口,旋流 叶片组成,其最大燃烧能力为2090MJ/h;对于测量 炉膛温度热电偶(双铂铑)的布置,考虑到炉膛相对 于烧嘴的对称性,只从中心面处布置了半面的热电 偶,每根插入炉膛的深度为500mill(即炉膛宽度方 向的中心面处),图3为炉膛热电偶分布图. 2试验内容及方法 本次燃烧试验是在内蒙古科技大学自行设计的 燃气单烧嘴平焰加热炉上进行的,其流程如下:首 先,助燃空气通过鼓风机送入进风管道,然后由与烧 嘴直接相连的管道送入烧嘴,进入烧嘴后再通过旋 流叶片形成具有一定旋流强度(S=1.76)的旋转气 流;其次,打开液化气瓶后,液化气从燃气瓶进入到 燃气管道,然后由与烧嘴燃料枪直接相连的管道进 入燃料枪,从燃料枪喷出后,与旋转流动的空气流混 合,形成既强烈旋转又有一定向下喷射速度的混合 图1燃烧装置及检测系统示意图 Fig?1Schematicdiagramofcombustiondevicesandmeasuringsystem 1.旋流器;2.喷嘴;3.热电偶;4.XKLV型涡流量计;5.巡检仪;6.LZD一 50型金属浮子流量计;7.计算机 8.液化气钢瓶;9.烟气分析仪;10.2JWL一2B助燃风机;11.烟囱;12.空 气管道;13.烟气分析仪探针 图2平焰烧嘴结构图 Fig.2Diagramofflatflameburner 1.燃料枪;2.空气管;3.旋流叶片 石磊等:平焰加热炉内过剩空气系数对NO生成特性影响的试验研 究129 图3炉膛热电偶布置图 Fig.3Distributionofthermocoupleinhearth 气体;此混合气体经过喇叭形扩张口后,就形成充分 发展的平展气流而进入炉膛;最后,启动位于烧嘴出 口处的点火枪,进入炉膛的混合气体就开始燃烧,形 成火焰面,火焰面下游的一部分烟气将通过尾部烟 道排出,而另一部分由于烧嘴中心处的负压作用又 将回到烧嘴处.其流程具体见图1中的箭头指向. 本次燃烧试验是在一定条件(即燃料量p=l2 m3/h,旋流数S=1.76,燃料枪插入烧嘴的位置矗= 70IDATt,以喇叭形扩张口边缘所在的水平面为0位 置)下,只改变空气过剩系数,来改变燃烧的工况;从 而研究过剩空气系数对炉膛的温度分布及NO排 放浓度的影响规律.为了便于试验数据的分析,我 们定义了A10处的温度为炉膛特征温度.试验只测 量炉膛内平展流火焰所在的平面的温度,该平面以 下简称火焰面. 试验中,我们选取了4组空气过剩系数:0.92, 1.09,1.24,1.37.具体参数如表1. 表l试验工况表 Table1Experimentalcondition 3试验结果及分析 在试验过程中,按照过剩空气系数的不同,组织 了4组燃烧试验.其中,第一组试验的过剩空气系 数为1.09,试验是从室温开始加热的,出于对烧嘴 的保护,炉膛最终加热温度为1300?;而过剩空气 系数为0.92,1.24,1.37的3组试验依次是待上一组 试验停炉后,炉膛的温度降低到600?左右时,重新 开始点火加热,最终炉膛的温度也为1300?. 3.1过剩空气系数a对炉膛升温的影响 图4是空气过剩系数a分别为0.92,1.09, 1.24,1.37时,炉膛特征温度的升温曲线.从图4可 以看出,在第一组试验中,炉膛升温初始阶段,炉膛 升温较快,这主要与炉膛内的传热过程及其变化有 关,在初始阶段燃烧温度与炉膛温度(包括炉膛内混 合气体温度,炉壁温度,钢板温度)相差很大,高温的 火焰通过辐射换热将大量的热量传递给温度相对较 低的炉膛,因此炉膛升温很快;但随着燃烧的进行, 炉膛温度逐步升高,此时辐射传热量逐步减少,因此 炉膛升温变缓.在加热的初始阶段,燃料燃烧释放 的热量要大于炉膛吸收的热量及向外散失的热量 (包括炉墙散失的热量,烟气带走的热量等),所以炉 膛温度得以持续的上升;随着炉膛温度的增加,燃料 燃烧释放的热量就逐步接近于炉膛吸收的热量及炉 体向外散失的热量,因此炉膛温度增加的越来越小; 当炉膛温度与火焰温度趋于一致时,炉膛内达到热 平衡,炉膛温度基本保持恒定.后三组试验炉膛的 升温过程与第一组试验基本一致,区别只是由于炉 膛温度降低到600oC时开始点火加热,此时炉膛温 度已经很高,这样就缩短了炉膛达到热平衡的时间, 因此加热过程被大大地缩短了. 另外,从图4还可以得出,过剩空气系数= l30内蒙古科技大学2008年6月第27卷第2期 】.09时的第一组实验的升温曲线是在不断增加的, 而后三组实验的升温曲线最终将趋于水平.这主要 是由于第一组试验中参加燃烧的过剩空气量接近于 理论空气量,因此燃烧是按照化学当量比进行的,此 时火焰燃烧温度是最高的,因此当炉膛温度达到 1300?时,炉膛内还没有达到热平衡;而过剩空气 系数a分别为1.24及1.37的试验中,由于剩余空 气量过大,这样就增加了排烟量,也就增加烟气带走 的热量,所以降低了火焰的温度,因此当炉膛温度达 到1300?时,炉膛内基本趋于热平衡状态;而过剩 空气系数a为0.92的试验中,由于参加燃烧的空气 量不够,因此燃烧反应不能充分进行,所以也降低了 火焰的温度,当炉膛温度达到1300?时,炉膛内也 基本趋于热平衡状态. 1500 1200 900 600 300 () O 图4炉膛特征温度的升温曲线 Fig.4Heatingcurveofcharacteristictemperaturein hearth 图5直观地给出了炉膛特征温度为1180? 时,不同过剩空气系数下炉膛温度最大值的温度分 布曲线,从图5可以得出,过剩空气系数对炉膛温度 确实有较大的影响.当过剩空气系数a从0.92增 加到1.37的过程中,炉膛温度先是逐渐增加然后再 逐渐减少,中间存在一极大值.此结果与上述分析 是一致的. 1340 1320 13n0 1280 126U 1240 122tJ {201) 11121314 空气过黍《系数 图5炉膛温度随过剩空气系数的变化曲线 Fig.5Curveoftemperatureinhearthwithsurplusair coefficient 3.2过剩空气系数a对炉膛温度分布的影响 图6是过剩空气系数a分别为0.92,1.09, 1.24,1.37,炉膛特征温度为1180?时火焰面沿炉 膛长度方向的温度分布.从图6可以得出,4组过 剩空气系数工况下的火焰面的温度分布规律是基本 一 致的,从炉膛中心向炉墙方向我们划分了3个区 域,依次为:烟气回流区(0,0.2m),火焰区(0.2, 0.5m),炉墙区(0.5,0.9m).在这3个区域中,烟 气回流区的温度最低,并且沿炉膛中心向外逐渐升 高,这主要是由于燃烧产生的高温烟气经过辐射换 热及对流换热将大量的热量传递给周围的炉壁,钢 板及排出炉外的烟气,温度降低后又回到烧嘴中心 处,使得烧嘴中心处温度降低,这就是平展流火焰盘 中心存在”黑区”的原因,而其温度的升高是由于火 焰区的存在;火焰区的温度是最高的,燃料和空气在 此区域充分燃烧;炉墙区内的温度介于烟气回流区 和火焰区之间,且存在一个温度极小值点,这主要是 因为燃烧后阶段炉墙内壁的温度已经很高了(I260 ?),他将通过辐射换热把热量传递给此区域的气 体,而火焰区的高温气体也通过辐射换热和对流换 热把热量传递给此区域的气体. 135O 13O0 l25O 1200 ll50 09O705030lOlO3O50709 距炉瞠串心的水平距离”1】 图6炉膛温度分布曲线 Fig.6Curveofdistributionoftemperatureinhearth 3.3过剩空气系数a对NO排放浓度的影响 由于本次试验采用液化气作为燃料,其成分为 C4H1o占90%,C3H8和c5H12各占5%,因此燃料只产 生热力型NO.温度对热力型NO的影响是非常明 显的.当燃烧温度低于1500?时,热力型NO生 成量较小;当温度高于1500?时,反应逐渐明显, 而且随着温度的升高,热力型NO的生成量急剧升 高[7’8】. 图7,8分别给出了NO排放浓度随燃烧时间及 炉膛特征温度的变化曲线.在过剩空气系数为0.92 的试验中,在炉膛温度低于1000?时,NO排放浓 石磊等:平焰加热炉内过剩空气系数对NO生成特性影响的试验研 究l31 度很低,当炉膛温度高于1000?后,NO排放浓度 开始急剧增加,这说明温度对于NO的生成影响很 大;而在过剩空气系数为1.09及1.24的两组试验 中,在炉膛升温的整个过程中,NO的排放浓度始终 是持续增加的,而且炉膛温度越高,NO排放浓度的 增幅就越大,结合过剩空气系数为0.92的试验中当 炉膛温度在1000?以下时,NO的排放浓度较低, 这说明NO的排放浓度不仅受温度的影响,而其还 要受到()’浓度的影响;但是过剩空气为1.37的试 验中,NO排放浓度的增幅却是越来越小,到了最后 甚至出现了略微的下降,这是因为随着燃烧的进行, 虽然炉膛内的0,浓度很大,但是大量过剩的冷空气 进入炉膛,使炉膛温度降低了. l20 叉100 =土80 60 :蚤4O 三20 乏0 图7NO随燃烧时间的排放浓度曲线 Fig.7CurveofdischargingconcentrationofNOth combustiontime 12() 100 8O 6O 4() 荤2() 呈0 图8NO排放浓度随炉膛特征温度变化曲线 Fig.7CurveofdischargingconcentrationofN0witll characteristictemperatureinhearth 图9直观地给出了炉膛特征温度为1180? 时,不同空气过剩系数下NO排放浓度的变化曲 线.从图9可以得出,当过剩空气系数从0.92增加 到1.37的过程中,NO排放浓度先是逐渐增加,然 后再逐渐减少,中间存在一极大值.这与炉膛温度 的变化趋势是一致的.其原因就在于热力型NO 的生成主要受到炉膛温度及炉膛内O,浓度的影响, 而空气过剩系数的不同就是通过改变炉膛温度及炉 膛内0:浓度来影响炉膛温度的.另外,适当的增加 空气过剩系数,对于减少NO的生成及降低NO的 排放浓度是一种有效的措施. 0lOO , 8() 60 譬40 三2O 乏0 焉!气过剁系数 图9NO排放浓度随过剩空气系数的变化曲线 Fig.9Curveofdischargj’ngconcentrationofNOwith surplusaircoefficient 4结论 (1)随着燃烧的进行,炉膛温度逐渐升高,当火 焰面最高温度达到1300?时,过剩空气系数a= 0.92,1.24,1.37的3组试验中,炉膛温度都基本趋 于稳定,说明炉膛内已趋于热平衡状态:而a=1.09 的试验中,炉膛温度还在持续升高,说明炉膛内还未 达到热平衡状态.这说明过剩空气系数对于炉膛内 最终能够达到的温度有着较大的影响.由于加热炉 炉膛在实际运行中不可能保持0静压力,而是处于 微正压或微负压状态,因此难免有空气的泄露,所以 实际当中的过剩空气系数应该略大于1,这样才能 既满足燃烧需要又能避免过多地降低炉膛温度,从 而降低了热效率. (2)根据形成的原因及温度的不同,炉膛内火焰 面上从炉膛中心到炉墙内壁,可划分为3个温度区 域,依次是:烟气回流区,火焰区和炉墙区.其中火 焰区的平均温度最高,烟气回流区的平均温度最低, 而炉墙区的平均温度介于两者之间.这对于分析平 焰加热炉内的气体流动方式及优化燃烧过程具有很 好的指导意义. (3)热力型NO的生成主要受到燃烧温度及燃 烧区内0浓度的影响,其中燃烧温度起决定性的作 用.空气过剩系数对NO的影响,主要就是通过改 变燃烧温度,炉膛内的温度分布以及燃烧区内的0, 浓度来影响热力型NO的生成.从图中可以得到, 在本试验条件下,(下转第136页) 136内蒙古科技大学2008年6月第27卷第2期 4结论 (1)通过启发式规则确定委派和冶炼次序,将混 合整数规划问题转化为线性规划迭代求解问题,求 解所得的结果可以保证连铸机不断浇,机器之间不 冲突且时间间隔比较均匀. (2)模型算法程序在Intel3.06G主频,512MB内存 的台式机上,计算时间为1s,通讯程序的数据传输时 间也为1s,可以满足生产数据的实时显示与传输. 参考文献: [1]唐立新,杨自厚,王梦光.基于准时制的炼钢一连铸调 (上接第131页) 过剩空气系数a=1.09的试验中,NO排放浓度最 大,为95ppm;过剩空气系数d=0.92,1.24,1.37的 试验中,NO排放浓度依次为75,80,70ppm.由此 可见,在其它因素不变的情况下,适当地增大过剩空 气系数,对于降低NO的生成是有益的. (4)实际加热炉的过剩空气系数的选择受到诸 多因素的影响,有些因素的影响还是矛盾的.比如 为了提高加热炉的热效率,就要减小过剩空气系数; 而为了降低NO的生成又要增大过剩空气系数. 因此,只通过调节空气过剩系数同时实现加热炉的 高热效率和低NO排放是不现实的,必须结合其它 方法才能较好地实现这一目的. 度问题研究[J].自动化,1998,24(1):9-14. [2]方宇炜,韩曾晋.炼钢连铸过程的Pe缸i网实时调度模 型[J].清华大学,1999,(1):79—82. [3]刘光航,李铁克.炼钢一连铸生产调度模型及启发式算 法[J].系统 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,2002,(6):44.48. 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