谢斌

摘 要：无焰燃烧是高效率低污染燃烧领域近些年最重要的发现之一，可以达到节能降耗的目的，从源头上强化节能减排，在工业过程中有广泛的应用前景。本文搭建了液化石油气燃烧测试实验台，通过调整空气、燃料的参数获得了液化石油气在不预热条件下的无焰燃烧状态，测得燃烧器内平均在970℃左右，整体温度分布均匀，CO与NOx在达到无焰燃烧状态后的浓度较低，整体符合无焰燃烧低污染的特性。

关键词：液化石油气无焰燃烧温度场污染物

Experimental Study on Flameless Combustion of LPG

XIE Bin

（Shanghai Baosight Software Co.， Ltd.， Shanghai， 201900 China）

Abstract： Flameless combustion is one of the most important discoveries in the field of high efficiency and low pollution combustion in recent years. It can achieve the goal of energy conservation and consumption reduction， strengthen energy conservation and emission reduction from the source， and has a wide application prospect in industrial processes. In this paper， a LPG combustion test-bed is built. The flameless combustion state of LPG without preheating is obtained by adjusting the parameters of air and fuel. It is measured that the average temperature in the burner is about 970 ℃， the overall temperature distribution is uniform， and the concentration of CO and NOx after reaching the flameless combustion state is low， which is in line with the characteristics of flameless combustion and low pollution.

Key Words： LPG; Flameless combustion; Temperature field; Pollutants

传统有焰燃烧化学反应集中在比较狭小火焰面上进行，容易造成炉膛内部温度分布不均匀，燃烧火焰面温度高，导致了热力型NOx的大量生成。无焰燃烧特点是炉膛透亮，反应发生在一个宽广的区域，反应充满整个炉膛，火焰体积成倍增加，拥有更均匀的温度场以及没有明显火焰锋面，燃烧发生在低氧环境中[1-3]。在无焰燃烧过程中，燃烧生成的烟气不会立刻排出炉膛，相反的，大部分烟气借助炉膛内部的流动结构设计，重新与射入炉膛的空气和燃料混合，起到加热和降低氧气浓度的作用。

无焰燃烧最初发展的目的是为了抑制燃烧器燃烧时NOx形成的热机理，通过无焰燃烧技术，可以保持NOx排放在规定水平以内。该技术现已应用于多个行业，例如钢铁行业。无焰燃烧是最有前途的技术之一，它可以滿足严格的规范，未来它甚至可以降低燃气轮机污染和提高燃气轮机效率。无焰燃烧现象早在数十年前就发现了，但目前的认识仍然有限，因此，对无焰燃烧的研究是对燃烧领域的重要知识贡献[4-5]。无焰燃烧反应速率低、局部热量释放少、热流分布均匀、燃烧峰值温度低、NOX和CO等污染物的生成少、辐射传热强。因此，无焰燃烧是高效率低污染燃烧领域近些年最重要的发现之一[6-8]。

气体无焰燃烧研究者认为要实现无焰燃烧需要2个条件[9-11]：第一是需要将燃料或者助燃空气预热到高温，第二是燃料在燃烧前要被烟气稀释。因此，在燃烧器设计中，要将燃料和助燃空气的喷嘴布置的较远，导致无焰燃烧系统复杂，且燃烧过程不稳定。在后来的研究中，研究者发现常温空气也可以实现无焰燃烧，但这距离工业上大规模使用还有一些距离。目前，工业现场及实验室一般使用高速射流来达到稀释与卷吸燃料，即气体的入射速度较高。同时，在实际应用过程中，还需要对整个炉膛有较好的保温，保证燃烧条件。[12-13]。

本文采搭建燃烧试验台，针对特定燃烧器，开展液化石油气无焰燃烧实验，研究无焰燃烧的燃烧状态以及污染物排放，为后续气体无焰燃烧器的开发提供参考。

1 实验设计

本项目设计及搭建的实验平台如图1所示。液化石油气从储气瓶中由管道先经过油水分离器，气体减压阀，热式质量流量计，再经过压力变送器，然后经过回火防止器，最后通过喷嘴进入到炉膛。空气由风机提供，经过压缩空气精密过滤器、气体减压阀、热式质量流量计、压力变送器、回火防止器，最后通过喷嘴进入到炉膛。燃料与空气在炉膛中混合后燃烧，燃烧后的烟气经过套筒出口直接排放到大气中。

无焰燃烧燃烧炉长度为46cm，半径为15cm，其被38mm厚的玻璃纤维体包围保温，使更多的能量可以保持在炉内以加强炉膛的保温效果，在燃烧过程中保持炉膛内烟气温度高于自燃点。

实验通过热式质量流量计与压力变送器记录下不同燃烧状态下的燃料体积流量以及空气流量，压力流速。测温点分布如图2所示，中轴线上每隔5cm测量一个点，燃烧时炉内温度脉动较低且温度不高，所以时间平均温度使用K型热电偶记录无焰燃烧状态下的温度分布，当每分钟温度的变化小于1.5K时，开始采集温度，采集至少3min，并依此时间平均值作为平均温度的测量值。

烟气组分以TESTO350XL型便携式烟气分析仪测量。该烟气分析仪可测量O2、CO2、NO、NO2、和CO2的组分体积分数。燃烧产物在到达测量感测元件前需经过冷却处理。

2 实验结果及讨论

液化石油气无焰燃烧实验操作步骤：先通空气，点火器在炉膛前壁处持续点火，打开燃气阀，直到点火成功。观察火焰，增大空气量，保持仅存在少量蓝色火焰，进行升温操作。调节燃气量与空气量。每次调节后观察火焰，保持通透橙黄的火焰，使壁面温度快速升温。当流量与压力为表1所示工况1时，实验图像如图3（a）所示。继续调整实验工况，当空气量提升到10m³/h时，炉膛进入无焰燃烧状态，提升到12m³/h时彻底达到无焰燃烧状态，燃烧图像如图3（b）所示。

图4为液化石油气与甲烷达到无焰燃烧状态后的轴向温度分布，液化石油气无焰燃烧中心温度峰值位置在距离前壁位置140mm处，峰值温度1146℃，边壁温度峰值位置在距离前壁200mm处，峰值温度1123℃，最低温度747℃。总体炉膛内温度分布较为均匀，轴向温度波动较低，最高温度低于1200℃。较低的炉膛温度对控制氮氧化物较为有利。

表2 液化石油气无焰燃烧状态下烟气浓度

表2为液化石油气无焰燃烧状态下的烟气分析表，可以看出，当燃烧达到无焰燃烧后，氧气浓度在15% 以内，CO含量较低，燃烧完全，NOx的含量为16.4mg/m3，处于较低污染物排放水平，这符合无焰燃烧低污染的特点。

在实验过程中判断燃烧是否处于无焰燃烧状态，在本研究采用了前人无焰燃烧判断方法[14-16]，判断方法如下：（1）燃烧火焰呈淡蓝色或无明显火焰;（2）炉膛内温度分布均匀，即判断温度均匀性的温度波动比值小于15%;（3）烟气CO与NOx 的质量分数低于100×10-6。

对比有焰燃烧技术与无焰燃烧技术，有焰燃烧技术的液化石油气燃烧温度最高能达到1800℃以上，实验使用无焰燃烧技术后液化石油气燃烧温度平均在970℃左右，并且温度分布均匀，这有利于抑制热力型NOx的产生，减少污染物的排放。

炉膛中线温度呈现两头低，中间高的趋势，这是因为气体刚从喷嘴喷射出来时，燃料还未开始燃烧，所以温度入口处比较低;随着轴向距离的逐渐增大，燃料与空气进行反应，气体开始燃烧并变得越来越剧烈，所以温度逐渐升高;而后由于达到了无焰燃烧状态，随着烟气排出炉膛，温度峰值降低，所以呈现逐渐降低的趋势。实验中的无焰燃烧状态，尾部CO含量在为1.3mg/m3，NOx 在16.4mg/m3，污染物含量均低于30mg/m3。经过上述特征判定，本文实现了液化石油气无预热条件的无焰燃烧状态。

3 结语

（1）本文搭建了液化石油气测试平台，通过调整燃料及空气参数，获得了液化石油气无焰燃烧状态。

（2）通过温度测量可以看出，炉膛中轴线温度呈现先升高后降低趋势，出口处温度下降较大，这是因为燃烧器是整体开放式，热平衡较为不稳定。实验使用无焰燃烧技术后液化石油气燃烧温度平均在970℃左右，整体温度分布均匀，这有利于抑制热力型NOx的产生，减少污染物的排放。

（3）从反应物看，CO与NOx在达到无焰燃烧状态后的浓度较低，整体符合无焰燃烧低污染的特性。

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