煤粉无焰燃烧的实验研究

贾磊

摘要：无焰燃烧是一种高效清洁的燃烧方式。本文研究了煤粉的常温空气无焰燃烧，并对炉内的温度场和尾部烟气中CO和NO浓度进行测量。研究结果发现：无焰燃烧下炉内的温度场分布均匀，CO和NO排放都很低。本文对于煤粉的清洁高效利用有一定的借鉴意义。

1 概述

能源是人类活动的基础，能源在经济发展中扮演着重要的角色。目前我们国家能源的消费量日益增加。在我国的能源结构中，煤炭占有相当大的比例。习主席在2020年指出，中国二氧化碳排放量要在2030年达到峰值，争取在2060年实现碳中和。在将来较长的一段时间内煤炭为主要能源来源，因此煤粉的高效清洁利用就显得十分重要。

在高效清洁的燃烧技术中无焰燃烧是一种可以提高燃料燃烧效率和降低污染物排放的新型燃烧技术。无焰燃烧具有如下特点：燃烧反应在整个燃烧室内进行，在燃烧室内观察不到明显的火焰峰面，炉内温度场分布均匀，温度的峰值降低抑制了NOx的生成，高度混合使得燃料燃烧完全，从而减少了CO的排放，并扩展了燃料的燃烧范围。

无焰燃烧国内外都进行了较多的研究，清华大学祁海鹰等人[1]研究了高温低氧燃烧下NOx的生成特性。中国科技大学的俞瑜等[2]采用CFD软件对引射式MILD燃烧进行了数值研究。邢献军等[3]等通过对采用煤粉作为燃料下无焰燃烧的研究。他们采用特殊燃烧器结构实现高温烟气回流，利用回流的烟气对煤粉气流进行预热，满足实现无焰燃烧空气需要预热的温度。但是对于常温空气的无焰燃烧研究还较少。本研究在实验台架上开展对煤粉无焰燃烧特性的研究。

2 台架介绍

本文设计的台架如图1，该实验台架可以实现多种实验工况。

实验时功率为15kw，煤粉的工业分析和元素分析如下表所示。

3实验结果分析

从图3可以看出，过剩空气系数从1.17增加1.8过程中，燃烧炉顶部和中上部的温度下降较明显，下降约50～70℃，而燃烧炉中下部及底部的温度变化不大。炉内中心线几个特征点的温度差不大，并且随着过剩空气系数的增大，温度差也逐渐减小，说明过剩空气系数对炉内的最高温度和炉内的温度均匀性都有影响。

图4可以看出在不同过剩空气系数与尾部烟气中CO的关系，在过剩空气系数逐渐增加时，尾部烟气中CO降低的非常明显，从最高的1700ppm降低到120ppm，在这阶段，过剩空气系数加大，炉膛内部的氧浓度更高，有助于CO的氧化反应。在过剩空气系数从1.37增加到1.795的整个范围内，尾部烟气中CO的浓度变化不大。当过剩空气系数α=1.37时，炉内已经形成了较稳定的煤粉无焰燃烧工况，炉内的氧浓度和风粉射流的进口动量达到了理想水平，炉内温度分布均匀，燃烧反应稳定。

4 结论

本文通过实验研究了常温煤粉无焰燃烧的特性，对炉内的温度场和出口烟气中的CO浓度和NO浓度进行了测量。研究不同过量空气系数下炉内的温度分布和烟气中污染物的排放浓度。得到如下结论：

1）无焰燃烧是一种高效清洁的燃燒方式，炉内的温度分布十分均匀，随着过量空气系数加大，温度的均匀性会进一步增加。

2）无焰燃烧下尾部烟气中的CO的浓度随着过量空气系数增加会逐渐减小。NO的排放浓度会先升高再减小最后趋于稳定。

参考文献：

[1]祁海鹰，李宇红. 高温低氧燃烧条件下氮氧化物的生成特性. 燃烧科学与技术. 2002，8（1）：17-22.

[2]俞瑜. 气体引射式无焰燃烧的数值模拟和实验研究：[博士论文]. 中国科学技术大学，2010.

[3]邢献军，林其钊. 常温空气无焰燃烧中 CO 生成的研究. 热能动力工程. 2007，21（6）：612-617

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