三次空氣分級天然氣燃燒穩(wěn)壘器最佳工況點(diǎn)的確定

1穩(wěn)燃器的燃燒及線性關(guān)系轉(zhuǎn)換天然氣由低分子碳?xì)浠衔?、硫酸鈉（p2s）和少量氮、b2、b2、水溶液和礦物雜質(zhì)組成。主要成分為ch4，其次為chh6和其他飽和碳?xì)浠衔铩１?顯示了它們的成分和熱值。試驗(yàn)設(shè)計的燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示。天然氣管與一次風(fēng)管、二次風(fēng)管和三次風(fēng)管的流通面積之比為1∶5.51∶1.92∶3.97。天然氣管與一次風(fēng)管、二次風(fēng)管的插深之比為1∶0.75∶0.2083。圖2所示為穩(wěn)燃器。帶穩(wěn)焰器的燃燒器增加一個穩(wěn)焰器安裝位置的無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)Ψ,其定義為:Ψ=H0Hg(1)Ψ=Η0Ηg(1)式中:H0為穩(wěn)焰器上端面至三次風(fēng)管端面的插深,mm;Hg為天然氣管出口端面至三次風(fēng)管端面的距離,mm。燃燒產(chǎn)物中NOx既有NO也有NO2,而兩者的比例并非文獻(xiàn)認(rèn)為的NO占90%以上。在這種情況下,就有必要把NO和NO2轉(zhuǎn)換為NOx。NO和NO2轉(zhuǎn)換為NOx的原則是質(zhì)量守恒準(zhǔn)則:[NOx]=3022.4[NO]+4622.4[NO2](2)[ΝΟx]=3022.4[ΝΟ]+4622.4[ΝΟ2](2)式中:[NOx]為煙氣NOx的質(zhì)量濃度,mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài));[NO]、[NO2]分別為實(shí)測煙氣中NO、NO2的體積濃度,mg/m3。2試驗(yàn)方法和設(shè)計試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示,主要由燃燒系統(tǒng)、空氣供給和計量系統(tǒng)、天然氣加熱系統(tǒng)、天然氣供給和計量系統(tǒng)、煙氣取樣與分析系統(tǒng)等組成。(1)燃燒系統(tǒng)主要包括燃燒室、支架、燃燒器等,其中燃燒室設(shè)計為一直徑為159mm×6mm、長為964mm的圓柱形燃燒筒。燃燒室按軸向豎直安裝,燃燒器安裝在燃燒室底部中央,燃燒器中心軸與燃燒室中心軸重合。在地面上選擇合適的位置安裝支架,將燃燒室底板焊接在支架上,最后用螺栓將燃燒器與燃燒筒底板緊固在一起,其間隙用石棉繩密封。試驗(yàn)采用兩種結(jié)構(gòu)的燃燒器,一種為空氣分級供給的擴(kuò)散式燃燒器,另一種為帶穩(wěn)焰器的擴(kuò)散式燃燒器。兩種燃燒器的結(jié)構(gòu)基本相同,但后一種在燃燒器軸心上燃?xì)鈬娍谔幇惭b了一個圓盤型穩(wěn)焰器,穩(wěn)焰器張角為75°。天然氣經(jīng)流量計和流量調(diào)節(jié)閥后由位于燃燒器軸心的天然氣口5送入,壓縮機(jī)提供的空氣經(jīng)流量計和調(diào)節(jié)閥后分別由一次風(fēng)口4、二次風(fēng)口3和三次風(fēng)口2送入一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的環(huán)形通道。燃燒室外壁依靠空氣自然冷卻。煙氣通過燃燒室出口直接排入大氣。(2)空氣供給和計量系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、流量計、壓力計、溫度計、空氣導(dǎo)管及調(diào)節(jié)閥組成。燃燒所需的空氣是由壓力為0～2.5MPa、流量為0.81m3/min的空氣壓縮機(jī)提供。根據(jù)試驗(yàn)的要求,試驗(yàn)時將空氣壓縮機(jī)工作壓力調(diào)節(jié)在0.12MPa,同時保持壓縮機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。(3)天然氣加熱系統(tǒng)主要由電熱恒溫水浴鍋、磁力驅(qū)動循環(huán)泵和進(jìn)回水熱水管組成。設(shè)定電熱恒溫水浴鍋中水的溫度為83℃,熱水在磁力驅(qū)動循環(huán)泵的作用下經(jīng)管路流入燃?xì)庀到y(tǒng)中的西恩基燃?xì)鉁p壓裝置的燃?xì)獬隹诓考?用于提高燃?xì)獬隹跍囟?然后回流于電熱恒溫水浴鍋。由于高壓天然氣在減壓過程中存在制冷現(xiàn)象,出口氣體容易凝結(jié)堵塞,通過加熱可以避免出口氣流工況不穩(wěn)定,保證試驗(yàn)在穩(wěn)定的設(shè)計燃?xì)夤r下進(jìn)行。(4)試驗(yàn)使用罐裝天然氣,天然氣罐內(nèi)的初始工作壓力為20MPa。從罐內(nèi)釋放的天然氣經(jīng)西恩基燃?xì)鉁p壓裝置及其加熱裝置加熱后,依次經(jīng)過流量調(diào)節(jié)閥和玻璃轉(zhuǎn)子流量計,再沿燃?xì)鈱?dǎo)管進(jìn)入燃燒器。在流量計出口以后的導(dǎo)管上安裝壓力表和熱電偶,測量燃?xì)膺M(jìn)入燃燒器前的壓力和溫度。試驗(yàn)時天然氣的計量和調(diào)整根據(jù)過量空氣系數(shù)來調(diào)節(jié)。具體方法是計算實(shí)際燃燒的過量空氣系數(shù),根據(jù)計算所得的過量空氣系數(shù)再調(diào)節(jié)天然氣的流量,直至測試的實(shí)際過量空氣系數(shù)與設(shè)計工況的過量空氣系數(shù)一致。(5)煙氣取樣與分析系統(tǒng)主要由煙氣取樣裝置、氣體分析儀構(gòu)成。燃燒產(chǎn)生煙氣由煙氣取樣裝置探頭進(jìn)入煙氣分析儀,對煙氣進(jìn)行實(shí)時成分分析。試驗(yàn)使用芬蘭產(chǎn)Gasmet便攜式FTIR氣體分析儀,中紅外全光譜分析范圍900～4200cm-1,分辨率8cm-1,典型檢出線1μL/L,測量精度滿量程為±2%。儀器響應(yīng)時間T90<120s,全程加熱,恒溫控制,采樣單元前無需對樣氣進(jìn)行稀釋和脫水,所有部分都加熱到180℃。3標(biāo)準(zhǔn)1:燃燒徑向長圖4為燃燒器無穩(wěn)焰器和帶穩(wěn)焰器火焰結(jié)構(gòu)的比較。圖5為煙氣溫度場云圖,其橫坐標(biāo)X為燃燒室徑向長度;縱坐標(biāo)Y為燃燒室軸向高度;qv為氣體體積流量,m3/h;α為總過量空氣系數(shù);α1為第一級過量空氣系數(shù);α2為第二級過量空氣系數(shù);ψ為穩(wěn)焰器安裝位置的無量綱結(jié)構(gòu)參數(shù)。3.1穩(wěn)理解器的影響天然氣從燃燒器燃料管中噴出,由于穩(wěn)焰器的存在,加速了燃?xì)夂鸵淮物L(fēng)擴(kuò)散混合的程度,在圓錐形穩(wěn)焰器后形成回流區(qū),燃?xì)夂涂諝饣旌衔镌诨亓鲄^(qū)后卷吸高溫?zé)煔?回流區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的燃燒反應(yīng)提高了回流區(qū)的溫度,有利于燃?xì)獾闹鸷腿紵?同時可以防止氣流過大脫火。圖6為穩(wěn)焰器對氣體未完全燃燒熱損失q3的影響,帶穩(wěn)焰器的q3幾乎全部重疊,且都接近于零,平均值分別為0.0042%、0.0046%和0.0079%。穩(wěn)焰器的安裝位置對q3影響不大。無穩(wěn)焰器的工況q3平均值為3.34%。q3隨一次風(fēng)和二次風(fēng)過量空氣系數(shù)的改變而改變,且變化的幅度很大。q3較低的點(diǎn)出現(xiàn)在工況點(diǎn)2、工況點(diǎn)6和工況點(diǎn)7,其值分別為0.62%、0.41%和0.67%。以上數(shù)據(jù)表明,穩(wěn)焰器對q3的影響很大。在允許低NOx排放的條件下,使用穩(wěn)焰器可以降低不完全燃燒損失。3.2穩(wěn)理解器安裝位置和排放工況nox的含量圖7為燃燒室中NOx分布云圖。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),爐膛煙氣中既出現(xiàn)了NO,也出現(xiàn)了NO2,其最高濃度基本為同一個數(shù)量級。圖8為穩(wěn)焰器對NOx的影響。圖8中工況編號為改變一次過量空氣系數(shù)、二次過量空氣系數(shù)而形成的系列工況。從圖8可以看出,在大多數(shù)情況下,帶穩(wěn)焰器時NOx的排放高于不帶穩(wěn)焰器時的工況,這與前面所測結(jié)果和爐內(nèi)溫度分布特性較吻合。穩(wěn)焰器的安裝位置對NOx的排放有影響,這是由于不同的安裝位置改變了天然氣和空氣的混合情況,從而改變了燃燒室的燃燒狀況。有穩(wěn)焰器時最低排放工況出現(xiàn)在工況1,NOx排放量為24.26mg/m3。在工況4和工況5處的排放量也比較低,分別為26.43mg/m3、26.47mg/m3。無穩(wěn)焰器時,最低排放量出現(xiàn)在工況7,NOx排放量為2.08mg/m3。除了工況1、工況3和工況12,其余11個工況的平均排放量為10.07mg/m3。從圖8中可以看出,絕大部分工況下,無穩(wěn)焰器工況NOx排放量最低。在有穩(wěn)焰器的工況下,隨著插深的增大,NOx排放量降低。4提高燃燒效率(1)天然氣燃燒產(chǎn)生的NOx包括NO和NO2兩部分。(2)燃燒器穩(wěn)焰器可以降低天然氣不