人工煤氣脈沖燃燒特性的研究

1、人工煤氣脈沖燃燒特性的研究摘要 介紹了三種體積的燃燒室、兩種管徑的尾管以及煤氣壓力對(duì)脈沖燃燒裝置的熱負(fù)荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣成分、燃燒室平均壓力的影響規(guī)律；對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析；提出了脈沖燃燒裝置在不同熱負(fù)荷條件下，燃燒室與尾管的匹配關(guān)系。關(guān)鍵詞 人工煤氣燃燒；脈沖燃燒裝置；燃燒室；尾管 1 前言  隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源危機(jī)、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，為了提高有限能源的利用率，減輕環(huán)境污染，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)技術(shù)的研究已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。而脈沖燃燒作為一種適應(yīng)這一發(fā)展的燃燒方式，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能、燃燒強(qiáng)度大、傳熱系數(shù)高、NOX排放量低等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的關(guān)注。針對(duì)我國(guó)人工煤氣的情況，研制開(kāi)發(fā)

2、以人工煤氣為氣源的脈沖燃燒裝置已提到議事日程，本文將探討煤氣壓力、脈沖燃燒裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如燃燒室、尾管)對(duì)燃燒特性的影響，為今后脈沖燃燒裝置的開(kāi)發(fā)研制，提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和借鑒，為進(jìn)一步拓寬脈沖燃燒系列產(chǎn)品的應(yīng)用范圍服務(wù)。2 煤氣壓力對(duì)燃燒特性的影響  2號(hào)燃燒室在煤氣噴嘴直徑D0=5.3mm、空氣閥閥間隙S=1.3mm、尾管直徑D=2.67cm 時(shí)的運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)處理后的曲線如圖1所示。  下面為擬合曲線方程，Pg的單位為kPa,其中Pm、Q是尾管長(zhǎng)度為L(zhǎng)188cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，CO2、CO、 為尾管長(zhǎng)度L115cm時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。CO2=4.52+1.24Pg-0.26

3、Pg2=2.38-0.11Pg-0.11Pg2Q=-2.2+7.6Pg-1.3Pg2CO=4142-4643Pg+1761Pg2Pm=-153+601Pg+63.4Pg2圖1 煤氣壓力對(duì)燃燒特性的影響1-CO2Pg曲線;2-COPg曲線;3-Pg曲線;4-PmPg曲線;5-QPg曲線通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可得出以下結(jié)論：(1) 隨著煤氣壓力Pg的升高，燃燒室平均壓力Pm也隨之增加。分析Pm=f(Pg)的擬合曲線方程Pm=a0+a1Pg+a2Pg2，可以看出：a2相對(duì)于a0、a1來(lái)說(shuō)較小，且實(shí)驗(yàn)中煤氣壓力的變化范圍在0.571.48kPa之間，故a2Pg2在Pm中所占的比例相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較小，從

4、曲線圖上也可看出，Pm=f(Pg)幾乎是呈準(zhǔn)線性的，這是因?yàn)槊簹鈮毫g上升，裝置的熱負(fù)荷也隨之上升，燃燒室中煤氣的進(jìn)氣量增加，燃燒后所產(chǎn)生的燃燒室峰壓力Pk也隨之升高(如圖2所示)，根據(jù)資料和實(shí)驗(yàn)表明，燃燒室得的最小P'k可以認(rèn)為是一個(gè)定值，從而導(dǎo)致燃燒室平均壓力Pm值的增大。(2) 隨著燃?xì)鈮毫g的升高，裝置的熱負(fù)荷Q也隨之增加。根據(jù)Q=a0+a1Pg+a2Pg2可以看出：第一，a2相對(duì)于a0、a1 來(lái)說(shuō)較小，由于煤氣壓力的變化范圍在0.571.48kPa之間，故a2Pg2在Q中所占的比例也較小，所以Q值的大小主要取決于a0+a1Pg的值。第二，在脈沖燃燒時(shí),煤氣平均流量的計(jì)算公

5、式為：  因(1000a1)/1000>0，這就是為什么隨著煤氣壓力Pg的升高，裝置的熱負(fù)荷隨之增加的原因所在。圖2 燃燒室壓力波動(dòng)曲線3) 隨著煤氣壓力Pg的升高，煙氣中的CO含量降低，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明：當(dāng)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，CO含量又隨著煤氣壓力Pg的升高而急劇上升，煙氣中CO的含量與煤氣壓力Pg呈U型曲線變化(見(jiàn)圖3)。圖3 煙氣中CO的含量與煤氣壓力的關(guān)系從前面的燃燒室壓力波動(dòng)曲線可知,空氣壓力低于煤氣壓力，在一個(gè)燃燒周期中，當(dāng)燃燒室的壓力范圍為P0Pg時(shí)，煤氣便在自身壓力的作用下進(jìn)入燃燒室，而空氣瓣閥的有效流通面積比煤氣瓣閥的有效流通面積大的多，最終導(dǎo)致空氣的

6、吸入量比煤氣的吸入量大，這時(shí)就出現(xiàn)了空氣過(guò)剩；在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)燃燒室的壓力大于P0而小于Pg時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)煤氣的吸入量比空氣大的現(xiàn)象。即在一個(gè)燃燒周期中，煤氣被吸入燃燒室的時(shí)間長(zhǎng)，空氣被吸入的時(shí)間短，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)比煤氣量大(過(guò)剩空氣系數(shù) 1)，這就造成了煤氣在一個(gè)燃燒周期中出現(xiàn)"富貧富"的現(xiàn)象。在煤氣壓力較低的情況下，煤氣、空氣的吸入量小，煤氣的"貧富"差距不大(見(jiàn)圖4)。當(dāng)煤氣壓力Pg增加時(shí)，燃燒室內(nèi)平均壓力Pm也隨之升高。Pm的升高增加了煤氣、空氣的擾動(dòng)，使它們混合更均勻、更充分。從而使CO的燃燒比較徹底，使煙氣中的CO排放量降低。當(dāng)煤氣壓力超過(guò)某

7、一值時(shí)，煤氣、空氣的吸入量都比較大，煤氣的"貧富"差距增大。盡管燃燒室平均壓力增加，也無(wú)法使它們充分混合，從而導(dǎo)致CO沒(méi)有完全燃燒就排出，使煙氣中的CO含量急劇上升。因此也存在著高負(fù)荷時(shí)，燃燒室平均壓力對(duì)煤氣、空氣的擾動(dòng)和煤氣、空氣的大量吸入而導(dǎo)致的在一個(gè)燃燒周期中煤氣的"貧富"差距加大之間的矛盾。圖4 煤氣“貧富”的變化曲線同時(shí)，從上述曲線圖還可以看出，隨著煤氣壓力Pg的升高，過(guò)?？諝庀禂?shù)、煙氣中CO2的排放量升高。這是因?yàn)殡S著煤氣供應(yīng)壓力Pg的升高，裝置的熱負(fù)荷增大，煤氣吸入量也隨之增大，由于空氣閥結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化，空氣閥的有效流通面積、空氣的進(jìn)氣壓力都

8、保持不變，因此空氣吸入量的變化比煤氣吸入量的變化小，使過(guò)?？諝庀禂?shù)降低。煙氣中CO2的排放量增大。3 燃燒室體積對(duì)燃燒工況的影響(1) 對(duì)于2號(hào)燃燒室(體積V=729cm3)、3號(hào)燃燒室(體積V=1135cm3)在煤氣噴嘴直徑(d0=5.3mm)、空氣閥閥間隙(S=1.3mm)、尾管長(zhǎng)度(L=188cm)以及尾管直徑(d=2.67cm)相同的條件下，煤氣壓力Pg=7001480Pa 時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表1 燃燒室體積對(duì)燃燒工況的影響煤氣壓力2號(hào)燃燒室3號(hào)燃燒室Pg /PaPm/PaQ/kJ*h-1CO/ppmPm/PaQ/kJ*h-1CO/ppm148087025.768746026.344

9、5135078023.870540024.2464122068021.577436021.8475109057018.595032018.260996048016.5113129015.974683039013.21277250 13.493570030010.3137621011.11074從表1我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著燃燒室體積的增大，裝置的熱負(fù)荷Q增加，平均壓力Pm下降，CO含量下降，CO2含量升高。由于脈沖燃燒裝置在一個(gè)燃燒周期中反應(yīng)速度極快，在很短的時(shí)間內(nèi)就能迅速釋放出燃燒熱量。因此可以把這個(gè)過(guò)程假設(shè)為絕熱過(guò)程。由絕熱方程PV=const 知，在相同條件下，體積大的燃燒室，其平均壓力Pm相

10、對(duì)來(lái)說(shuō)就小，這就是3號(hào)燃燒室比2號(hào)燃燒室的平均壓力低的原因。根據(jù)流量計(jì)算公式，在Pg一定的條件下，Pm越低，則Vg越大，裝置的熱負(fù)荷也就越大。因此3號(hào)燃燒室的熱負(fù)荷要比2號(hào)燃燒室的大。另外，體積大的燃燒室有利于煤氣、空氣的混合，從而促使CO的完全燃燒。但是對(duì)于體積大的燃燒室，其較低的燃燒室平均壓力Pm對(duì)煤氣、空氣的混合以及CO的完全燃燒十分不利。因此存在著燃燒室的體積大小與其平均壓力Pm之間的矛盾。如燃燒室體積對(duì)煤氣、空氣混合的促進(jìn)作用大于低燃燒室平均壓力Pm對(duì)煤氣、空氣混合的不利影響，則CO的燃燒就比較完全，CO的排放量也就比較低；反之，CO燃燒不完全，CO的排放量就比較高。顯然，本實(shí)驗(yàn)所列

11、的數(shù)據(jù)屬于前者。(2) 對(duì)于3號(hào)燃燒室，在空氣閥閥間隙、尾管直徑及長(zhǎng)度相同的條件下，噴嘴的大小對(duì)裝置的運(yùn)行參數(shù)的影響也很大(見(jiàn)表2)。隨著噴嘴直徑的增加，熱負(fù)荷Q隨之大幅度的提高。由于噴嘴直徑的增大，煤氣的吸入量相應(yīng)增加，燃燒所產(chǎn)生的煙氣體積增大，從而導(dǎo)致燃燒室的平均壓力Pm增大。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)節(jié)裝置熱負(fù)荷的途徑有兩種：第一、改變煤氣供氣壓力Pg；第二、調(diào)節(jié)煤氣噴嘴的面積A。由于噴嘴直徑的增大而引起負(fù)荷增大的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于煤氣壓力Pg的變化所引起的熱負(fù)荷的增加。煤氣壓力Pg通常是穩(wěn)定的，要提高煤氣壓力，則必須使用增壓泵，這比更換噴嘴麻煩的多。另外，煤氣壓力的提高對(duì)裝置的密封性的要求便會(huì)增加，同時(shí)危

12、險(xiǎn)性也隨之增加。因此實(shí)際使用中，改變裝置熱負(fù)荷最有效的方法就是更換噴嘴。噴嘴直徑的變化對(duì)CO、CO2排放量的影響類似前面所述。表2 噴嘴大小對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響噴嘴直徑d0=5.3mm 噴嘴直徑d0=7.2mmPg/PaPm/PaQ/kJ*h-1Pg/PaPm/PaQ/kJ*h-1148043025.9148067032.3122037021.0122052027.3109034016.8109046024.196030014.796040021.370022010.070027014.24 尾管直徑對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響選擇管徑分別為d=2.67cm、d=2.07cm的尾管，分析尾管直徑對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影

13、響。大量的實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)尾管直徑為d=2.67cm時(shí)，裝置能夠在煤氣供氣壓力為3201480Pa的范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)于直徑d=2.07cm尾管的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。從表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)尾管直徑d=2.07cm時(shí)，裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行的煤氣供氣壓力范圍明顯的減小了。一般來(lái)說(shuō)，保持裝置穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)煤氣壓力的最低限為700Pa。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因如下：由于尾管的阻抗S與d1-4 成正比。因此，d=2.07cm的尾管與d=2.67尾管的阻抗比S2.07/S2.67=d2.07-4/d2.67-4=2.8，這說(shuō)明了在相同條件下，d=2.07cm的尾管阻力損失是d=2.67cm尾管的2.8倍。為了保證煙氣能夠排出尾管，

14、則要求有較高的燃燒室平均壓力。根據(jù)流體流量計(jì)算公式，隨著煤氣壓力Pg的降低，負(fù)荷Q降低，從而導(dǎo)致燃燒室平均壓力Pm的減小，當(dāng)Pm減小到不能克服排煙阻力時(shí)，燃燒工況就極易受到外界環(huán)境的影響，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象，從而導(dǎo)致燃燒中止。因此較高的Pm則把裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行的煤氣壓力Pg的最低限提高了。所以，對(duì)于直徑d=2.67cm的尾管，其排煙阻力相對(duì)于d=2.07cm尾管的排煙阻力小，那么它所要求的燃燒室平均壓力就比d=2.07cm的尾管小，則要求煤氣壓力Pg的最低限比d=2.07cm的尾管低，所以d=2.67cm尾管的煤氣供氣壓力Pg的調(diào)節(jié)范圍比d=2.07的尾管大。表3 尾管直徑對(duì)運(yùn)行參數(shù)的影響裝置

15、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)煤氣壓力的最低限/Pa尾管長(zhǎng)度/cm1號(hào)燃燒室(噴嘴直徑4.5mm、閥間隙0.9mm)2號(hào)燃燒室(噴嘴直徑5.3mm、閥間隙1.3mm)3號(hào)燃燒室(噴嘴直徑5.3mm、閥間隙1.3mm)928308307001189608308301399609608305 尾管長(zhǎng)度對(duì)運(yùn)行工況的影響3號(hào)燃燒室，噴嘴直徑D0=7.2mm，空氣閥間隙S=1.3mm，尾管直徑D=2.67cm。運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。擬合曲線方程為：CO2=1.6+10.3L-2.7L2=7.6-9.8L+3.6L2Pm=376+16L-52L2Pg=1207-62L+17L2Q=5.14+0.9L-0.3L2通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的

16、分析，可得以下結(jié)論：(1) 隨著尾管長(zhǎng)度的增加，裝置的熱負(fù)荷Q、燃燒室平均壓力Pm基本上保持不變；過(guò)?？諝庀禂?shù) 、CO2的濃度也基本上保持不變。根據(jù)上面的討論可知，負(fù)荷Q與Pg成準(zhǔn)線性關(guān)系，因此在煤氣壓力Pm穩(wěn)定的條件下，負(fù)荷也基本上保持不變，負(fù)荷的穩(wěn)定也就決定了燃燒室平均壓力Pm的穩(wěn)定性。分析Pg、Pm、Q的擬合曲線方程可以看出，a1L和a2L2相對(duì)于a0都比較小。所以我們說(shuō)L的變化對(duì)Pg、Pm、Q的影響不大。由于熱負(fù)荷Q、燃燒室平均壓力Pm不變，決定了過(guò)?？諝庀禂?shù)、CO2的濃度在裝置穩(wěn)定運(yùn)行的條件下是不變的。另外，隨著尾管長(zhǎng)度的增加，CO排放量降低，這是因?yàn)殡S著尾管長(zhǎng)度的增加，增大了煙氣中

17、的CO、O2的接觸面積和混合時(shí)間，這樣有利于煤氣的完全燃燒，使煙氣中CO的排放量降低；但是當(dāng)尾管增加到一定長(zhǎng)度時(shí)，CO排放量又顯著的升高，工況迅速惡化，因此對(duì)于脈沖燃燒裝置，在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，存在著一個(gè)最佳尾管長(zhǎng)度。(2) 三種燃燒室在尾管長(zhǎng)度L=92cm時(shí),尾管直徑對(duì)燃燒工況的影響見(jiàn)表4。從表4可以看出，當(dāng)尾管直徑減小時(shí)，燃燒室平均壓力升高，裝置的熱負(fù)荷降低，同時(shí)排放量也隨著降低。這主要是因?yàn)橹睆絛=2.07cm的尾管阻力是d=2.67cm的三倍左右，為了克服由于尾管直徑變小而增加的排煙阻力，勢(shì)必引起燃燒室平均壓力的升高。由流體流量計(jì)算公式可知，在Pg基本上保持穩(wěn)定的情況下，燃燒室

18、平均壓力Pm的增大，使P=Pg-Pm 減小，從而使裝置的熱負(fù)荷降低，由于燃燒室平均壓力Pm的增大，從而增加了燃燒室中煤氣、空氣的擾動(dòng)，促使CO、O2的充分混合和燃燒。因此，隨著尾管直徑的減小，CO的排放量降低。(3) 從以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，體積小的燃燒室一般選用直徑較小的尾管。這是因?yàn)轶w積較小的燃燒室能夠產(chǎn)生較大的燃燒室平均壓力,從而能夠克服尾管由于直徑較小而引起的較大的流動(dòng)阻力，同時(shí)也增加和延長(zhǎng)了燃燒室中的煤氣、空氣的擾動(dòng)和混合時(shí)間，促使煤氣的完全燃燒。但是由于其較高的燃燒室平均壓力，使裝置的熱負(fù)荷不高。反之，體積較大的燃燒室則選用直徑較大的尾管。同時(shí)，其他參數(shù)如噴嘴直徑、空氣閥閥間隙以及混合室體積的大小與形狀等都應(yīng)與此匹配。圖5 尾管長(zhǎng)度對(duì)燃燒特性的影響1-CO2L曲線;2-COL曲線;3-L曲線;4-PmL曲線;5-QL曲線表4 尾管直徑對(duì)燃燒工況的影響比較內(nèi)容1號(hào)燃燒室噴嘴 直徑d0=4.5mm空氣閥間隙S=0.