天然气掺氢时部分预混燃烧器的燃烧特性试验研究.docx

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1、摘要：原本为管网天然气设计制造的热具在不同掺辄比的天然气下运行时的性能优劣，是天然气掺氢技术能否在家用燃具领域持续发展的关键。本文以常见于热水器的一种大气式燃烧器为对象，搭建石英玻璃燃烧室，采用受控的燃气与次空气、二次空气混合方式，系统地考察单片燃烧器在0%、40%的掺氢比下、不同一次空气系数和热负荷下的火焰形态、离焰极限、燃烧器温度以及CO、NOx等烟气排放情况。结论表明：掺氢比的升高使得燃烧器的离焰极限升高，燃烧制最高温度先下降后上升，CO排放改善，NOX排放没有可预测的规律。本文的研究对于更具适应性燃具的设计和合理确定掺氢比，有一定借鉴作用.关提词：部分预混燃烧落：受控混合：掺氢比：燃烧

2、特性1引百天然气掺氢能够有效改善城镇燃气燃烧质生和烟气排放。天然气掺气对管网内燃烧设备的影响是掺级天然气是否可行的前提之一。国内研究大多依据现有民用燃具的燃烧稳定性与互换性理论，分析掺氢天然气作为燃气气源的掺氢比。理论计算后发现，当氢气与12T天然气的基准气掺混时，为保证掺混后的气体仍处于12T天然气的华白数和热值的波动范围内，掺匆比不能大T23M现有一些实险研究了掺级比不大于20%时民用燃具的燃烧特性和烟气排放变化，但鲜有掺狙比20%以上的研尢报道。本文为探究掺氢比超过般范围后燃气具燃烧特性的变化情况，以常用于燃气热水器的部分预混式燃烧器为时象,考察r按天然气设计制造的第个燃烧器，在掺辄比0

3、%40%变化情况下的火焰稳定性、燃烧器温度和烟气排放问题。试验结果对于更具适应性的燃烧潺设计和掺氢天然气的基准气设计等工作，有一定的指导作用和借鉴意义。2试殴与测试2.1 试验装置研究对象为一个常用于燃气热水潺的燃烧器，天然气F的额定功率为2.3kW。燃烧常置户专门设计的燃烧室中，燃烧室正面为可拆卸石英玻璃，以便观察火焰形态,在燃烧器原有的引射器入口处加装预混室，燃气与一次空气分别通入预混室，二者混合后进入燃烧器，取代原有的引射过程。目的是在燃气和一次空气受控混合情况F.单纯考察组分变化对燃烧特性的影响。二次空气依次经过左侧卜.方的通气管、均流板进入燃烧室中。燃烧室上方设置换热水箱，通入定流星

4、的冷却水带走热S1.换热水箱下游连接排烟管，通过出口处的负压集烟罩将烟气排出室外。试验装置见图I,燃气与一次空气预混室结构见图2。菽中，燃气入口正对于燃烧器入口。图1试验装置图（八）试验装置(b)燃烧室模型图(C)预混室剖面图2.2 测试项目及仪表成验中需测试、记录的项目有：燃气与一次空气、二次空气的流量：燃烧器表面温度：排烟管出口处的CO、02、NoX等浓度。用相机记录不同燃烧工况下的火焰形态。试验所用的仪表及相关参数如表1所示。表1测试所用仪表及相关参数1JM试所用仪及相关依源M日快衰型号*ectU-NK-IO201AYaaNAc2:10.11.116TIOM/HOO1/mina-W二次2

5、气Itit浮千就IHfIIHKTI01.mnt-1.6Xw1.1.*4燃H惬存储k1求伐CIJUO-3nor-!J70:sm5弋6气分析仪MnhiiyaprSYi(hu1.%-21.w1.%iO2m49Cepm-1。OnOHm1.X5W(O1.1.5(gm)(Sw1.NOOHWn-1Sttft40pPn1.)、（占O1.MNnWfn*加,(OMmI(KNn5IHItff1.(热气流量用湿式流量计测量，一次空气、二次空气流量用浮子流量计测量.燃烧涔表面设置四个温度测点，分别位于燃烧涔四组条缝火孔卜.方表面的中心处,如图2所示。每个温度测点用铝箱纸固定一个K型热电偶，连接图技GRAPHTEC存储记

6、录仪G1.840,显示温度读数并记录.图2温度测点设置图在排烟管出口处插入烟气取样管，利用便携式烟气分析仪Mu1.ti1.yzerSYx进行烟气分析。按照国标GB6932-2015家用燃气快速热水器,将Co和NOX的测量值换算成过剩空气系数u-1时的值，如下所示：Co-CO(OJ20.9)c0-I-(i209)noNO1-NQ;jp2/20.9)3-1.-(,20.9)式中:CO、NQ过剩空气系数a=】时烟气中CO、NoX浓度,ppm：CONdt胭气样中CO、NOX浓度.ppm；CONoX一空内空气中的CO、NOX浓度.ppm：O2弱气样中加气的含忌,%2.3试验流程本次试验设置的变量有：(1

7、) 5个热负荷工况：2,3k*1.9kW.1.5kW、1.1.kUO.7kW：(2) 5种掺氢比：0%、10%,20%,30%、40:(3)一次空气系数a,从0.4开始丁匚二mW;,r-35一次空气系数溶部父QZkWtsrIiUKtrnr34rHuu4rWt4，1，,1f，U，O4CM*nVma*mua”&*M*XSHm)y1V1.41*f*1C1.C1.I1.(CB*V三-is三:三.三.jm81.B1*IOWCms军一、B*11111411f1*a-J4MIt1.1.121141ritT1三三s-三三s.OgirtfFt2图6不同掺氢比下NOX排放情况从图6可以看出:(I)NoX扣放量的一

8、次空气系数的增大整体呈现先懈后减的趋势。最大NOX排放值基木出现在:0.81区间内，对比图4的温度曲线图UJ知，NOx的最大排放值与燃烧器最高温度的极大值出现的区域仃所重叠。(2) MX排放员随着燃烧器热负荷的下降而下降，趋势与T一样.这是因为，燃气燃烧的NoX绝大部分为热力型N0,其生成量受燃烧温度、氧气浓度及烟气在高温区的停留时间的影响。NO大量生成在火焰面卜.游，尤其是焰面卜.游局部高温、局部氧浓度大和烟气停留时间长的地方。M)X最大排放值出现的区域相比Tmx出现的区域稍前一点，是因为越大，时应的二次空气也越大，二次空气虽提供了更多氧气，但是也带走了更多燃烧产生的热量，导致生成No的反应

9、区的温度有所卜降。(3)天然气掺氮比的提高对NOX排放值的影响规律不明显。总体来说，掺氢比的增加在大多时候能够改善XOx的排放，但也有一些情况下掺软比增多排放量增高，并且高于天然气燃烧时的情况，这种现象在掺氢比为20%表现得最为频繁，而掺氢比为40%时NOx排放的改善效果最明显。4结论本文以一个常用下热水器的单片燃烧器为对象，搭建r石英玻璃燃烧室，采用燃气-一次空气受控混合、保持一次空气与二次空气比例不变的方法，系统地考察了5种掺氢比(0%40Q、5个热负荷(2.3皿、1.9kk1.9kW、1.IkW、0.7kW),次空气04至离焰下的火焰形态、离焰极限、燃烧版温度以及CO、NOx排放等问题。主要结论如下：(1)天然气中掺氢可拓宽燃烧器的桎定燃烧范围，具体表现为燃烧器的离焰极限随掺氮比的增加而上升：(2)燃烧罂最高温度随掺气比的增加总体也现先降后增的趋势，最而湿度的峰值多出现在化学计量比附近；搜氢比40%、热负荷23kW时，燃烧器垠高温度的峰值已超过实验所用热水器燃烧器材料的耐受极限：掺里可改善燃烧器的Co排放情况,掺氢比越高,烟气中CO排放量越小，热负荷越大这种改善趋势表现得更加明显：(5)掺氢对NOX排放值的影响规律不明显，掺氢比增至40%时出现明显改善现象，NoX排放量峰值H1.现在略低于化学计量比处,热负荷的减小会降低NOX排放量.