基于直接火焰冲击加热的蒸汽发生器实验研究.pdf

节能基础科学32节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023基于直接火焰冲击加热的蒸汽发生器实验研究高峰 崔永章 任义梁（山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250100）摘要：基于直接火焰冲击加热技术，对全预混火焰射流加热不锈钢蒸汽发生器进行实验研究，探究不同初始水量、加热高度、火焰负荷以及空气系数对蒸汽发生器加热效率和污染物浓度的影响。结果显示：加热效率随着初始水量和火焰负荷的增加而增大，随着空气系数的增大而减小，随着加热高度的增大先增加后减小，存在最佳加热高度；产蒸汽效率比加热水效率高，最大产蒸汽效率是加热水效率的2.1倍。CO浓度随着初始水量、火焰负荷和空气系数的增加而增加，随着加热高度的增加而减少；NOx浓度随着初始水量和空气系数的增加而降低，随着火焰负荷的增加而增加，随着加热高度的增加先降低后增加。关键词：蒸汽发生器；直接火焰冲击加热；全预混燃烧；热效率中图分类号：TK16 文献标志码：A 文章编号：1004-7948（2023）12-0032-04 doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.009Experimental study on steam generator based on direct flame impact heatingGAO Feng CUI Yong-zhang REN Yi-liangAbstract：Based on direct flame impingement heating technology,an experimental research was conducted on a fully premixed flame jet heating stainless steel steam generator.The impact of different initial water quantities,heating height,flame load,and air coefficient on the heating efficiency and pollutant concentration of the steam generator were studied.The results show that the heating efficiency increases with the increase in initial water volume and flame load,and decreases with the increase in air coefficient.As the heating height increases,the heating efficiency first increases and then decreases,and the optimal heating height exists.The thermal efficiency of steam production is higher than that of heating water,with the maximum thermal efficiency of steam production being 2.1 times that of heating water.CO content varies with initial water quantities,flame load,and air coefficient,and decreases with the increase in heating height.NOx content decreases with the increase in initial water quantities and air coefficient,and increases with the increase in flame load,and first decreases and then increases with the increase in heating height.Key words:steam generator;direct flame impact heating;full premixed combustion;thermal efficiency引言直接火焰冲击加热技术利用高温、高速的火焰直接加热工件的表面，通过火焰燃烧产物的强制对流和火焰辐射等换热机制加热工件，具有加热速率快、热效率高等优点，被广泛应用于金属棒材加热、玻璃加工等领域1。与传统加热炉相比，直接火焰冲击加热的传热速率更高，污染物(CO、NOx)排放更低2。直接火焰冲击加热与全预混燃烧技术结合可以显著提高燃烧火焰温度和燃料利用率，使燃烧速率加快，燃烧更加充分，污染物排放更低3。在火焰冲击加热过程，操作条件对传热和火焰稳定性的影响较大，包括火焰类型、空气系数、火焰负荷、火孔与加热物体距离和雷诺数等1。Hou4等通过实验和数值模拟研究火孔与被加热物体距离对燃气灶传热特性的影响，发现传热效果随着距离的增加先变好后变差，火孔与被加热物体距离略低于预混火焰的尖端时，传热效果最佳。Baukal5等对管式燃气-空气火焰垂直射流板进行传热研究，结果表明，在火焰功率增大的过程中，板面的热流密度随之增大，而热效率降低。与传统的燃烧技术相比，火焰冲击加热的污染物排放更低，但烟气流失仍会携带大量污染物，如CO和NOx等，造成空气污染。Popp6等研究丁烷反扩散撞壁火焰中燃烧产物和传热特性，揭示了传热特性和污染物排放之间的联系。孙德坤7研究不同燃烧器运行条件和结构参数下加热铝棒对铝棒升温速率、CO和NOx排放量的影响，提出一种高效低排放的加热方式。火焰冲击加热技术中热效率以及污染物的排放是两大重要问题。目前，将火焰冲击加热技术与全预混燃烧技术结合用于蒸汽发生的研究不多。文中研究初始水量、作者简介：高峰（1999），男，硕士在读，研究方向为燃烧与节能。收稿日期：2023-05-21引用本文：高峰，崔永章，任义梁.基于直接火焰冲击加热的蒸汽发生器实验研究 J.节能，2023，42（12）：32-35.节能基础科学33NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION加热高度、空气系数、火焰负荷等对蒸汽发生器热效率和污染物排放的影响。1实验方法与数据处理1.1实验方法蒸汽发生系统由燃烧器和蒸汽发生器组成，物理模型与实验系统如图1所示。系统使用的燃烧器为12个直径6 mm的主火孔和156个直径2 mm的辅火孔组成的平面燃烧器，辅火孔用来稳定主火孔的燃烧。市政管道天然气作为燃料，流量由针形阀调节，超声波流量计计量，压缩空气由转子流量计计量，并在缓冲罐中进行预混合，经阻火器进入燃烧器。蒸汽发生设备为直径108 mm的不锈钢圆管，壁厚4 mm，管长630 mm，并在周围加装保温装置。发生器内水的温度由热电偶测得，并通过数据采集仪记录，利用手持式烟气分析仪测得排烟口处的CO和NOx浓度。通过改变初始水量、加热高度、火焰负荷和空气系数，研究完全预混火焰加热蒸汽发生器对加热效率和CO、NOx排放的影响。1.2数据处理蒸汽发生器加热水时的热效率1为：1=mc(t2-t1)V1Q273+tg288101.3pamb+pm100(1)式中：1加热水的热效率，%；m加入水的初始质量，kg；c水的比热容，取4.1910-3 MJ/(kg )；t1水的初温；t2水的终温，；V1加热水时实测燃气消耗量，m3；Q15、101.3 kPa状态下天然气低位热值，MJ/m3；tg测定时燃气流量计内的燃气温度，；pamb实验时的大气压力，kPa；pm实测燃气流量计内的燃气相对静压力，kPa。蒸汽发生器产蒸汽时的热效率2为：2=m1qV2(2)式中：2产蒸汽的热效率，%；m1产蒸汽质量，kg；q水的蒸发比热，kg。2结果与分析2.1不同初始水量对发生器热效率和烟气排放的影响m对热效率和污染物排放的影响如图2所示。由图2(a)可知，在相同的初始水量下，蒸汽发生器产生蒸汽的热效率远大于加热水时的热效率，初始水量为2.5 kg时，两者的差距最小，产生蒸汽的热效率为48%，大于加热水时的34%，产蒸汽时的热效率比加热水的热效率高出41%。随着初始水量的增加，加热水的热效率与产蒸汽的热效率之间的差距有减小的趋势。加热水和产蒸汽的热效率均随初始水量的增加而增加，初始水量从1 kg增加到3 kg，加热水的热效率提高了137%，产蒸汽的热效率提高了17%。原因是初始水量增大，水与不锈钢壁面的接触面积增多。由传热学知识可知，固体与液体的传热系数比固体与气体的大。因此，随着水量增加，水吸收热量更快，消耗相同的燃料，吸收的热量更多，故热效率增大。由图2(b)可知，烟气中CO浓度随着初始水量的增加而增加，NOx浓度随着初始水量的增加而减少。与火焰相比，不锈钢表面相当于冷壁，与火焰的温差很大，火焰向不锈钢管壁面传热使火焰温度降低，（a）m对发生器热效率的影响（b）m对污染物排放的影响图2m对发生器热效率和污染物排放的影响（a）物理模型（b）实验系统图1物理模型与实验系统节能基础科学34节能 ENERGY CONSERVATIONNO.12 2023化学反应速率减慢，壁面附近出现不完全燃烧现象，导致不完全燃烧产物CO的排放量增加。水量增加导致更快吸收管体的热量，降低管壁温度，从而吸收更多火焰的热量使壁面附近火焰温度降低，故生成CO量增加；燃烧过程中热力型NOx占总生成量的90%左右，水量增加导致火焰温度降低，抑制了热力型NOx的生成，故NOx含量降低。2.2不同加热高度对发生器热效率和烟气排放的影响H对发生器热效率和污染物排放的影响如图3所示。由图3(a)可知，在相同的加热高度下，发生器产生蒸汽的热效率亦远大于加热水的热效率，在加热水的热效率最高为33%时，产蒸汽的热效率为47%，热效率相差42%。加热水和产蒸汽的热效率随着加热高度的增加先增大后减小，存在一个最佳加热高度；加热水的热效率的变化较大，当火孔与发生器管壁底部距离为45 mm时，加热水的热效率达到最大值，为33%，最小值仅为26%；产蒸气的热效率变化不大，变化不超过5%，最佳高度与加热水时略有不同，为40 mm。这是因为在加热高度由大减小的过程中，火孔与发生器管壁距离减小，火焰与管壁包裹的面积逐渐增大，火焰与钢管的换热效果更好，使热量通过棒体更快地传递给水，热效率不断提高。加热高度进一步减小，热效率不增反降，实验观察到相邻火焰射流发生交互，并在交汇处向下偏转，两股射流之间的干扰逐渐增强，影响火焰与发生器棒体表面的传热，使热效率降低。由3(b)图可知，随着加热高度的增大，CO的排放量不断降低，加热高度较小时，火焰与管壁的接触面积变大，管壁与火焰的温差较大，与火焰相比，管壁表面相当于冷壁，壁面附近的火焰温度降低，燃烧不完全，导致不完全燃烧产物CO的排放量增加；当加热高度较高时，火孔与钢管底部的空间变大，自由火焰的长度增加，有更多外界的空气被卷吸，且CO有更多的时间反应生成CO2，导致CO排放量减少。另外，NOx排放量随着加热高度的增加先减小后增大，加热高度较小时，相邻火焰发生交汇向下偏转，影响火焰与管壁的传热，此时的热效率低也可证明，干扰导致火焰温度升高，进而导致NOx排放量增加；加热高度较大时，燃料在空气中停留的时间越长，燃烧更充分，另外距离的增加导致火焰包裹面积减少，火焰向管壁的传热减少，两者均导致火焰温度升高，生成更多热力型NOx，NOx排放量增加。2.3不同火焰负荷对发生器热效率和烟气排放的影响Q对发生器热效率和污染物排放的影响如图4所示。由图4(a)可知，随着火焰负荷的增加，产蒸汽的热效率略有增大，加热水的热效率随火焰负荷的增加而增大，火焰负荷为5 kW时热效率为22%，火焰负荷为7 kW时热效率为33%，火焰负荷从5 kW增加到7 kW，热效率提高了50%。随着火焰负荷的增大，燃烧器火孔出口处混合物的雷诺数也增大，火焰与钢管壁面的对流换热增加，因而热效率增大。由图4(b)可知，烟气中CO和NOx浓度随着火焰负荷的增加而增加，火焰负荷增大时，火孔处混合物流速和雷诺数增加，中间燃烧产物浓度增加；随着火焰负荷的增加，火焰长度变长，火焰与钢管的相互作用增强，在管壁表面对火焰的淬熄作用增强，CO产量增多；随着火焰负荷的增加，雷诺数增大，湍流强度变强，火焰温度更高，导致更多的热力型NOx生成。Li8等研究发现，火焰在较高雷诺数下变得更长，内部反应区（a）H对发生器热效率的影响（b）H对污染物排放的影响图3H对发生器热效率和污染物排放的影响（a）Q对发生器热效率的影响（b）Q对污染物排放的影响图4Q对发生器热效率和污染物排放的影响节能基础科学35NO.12 2023节能 ENERGY CONSERVATION的尖端会更靠近被加热物体，火焰和被加热物体的相互作用也增强，综合效应导致CO和NOx浓度升高。2.4不同空气系数对发生器热效率和烟气排放的影响对发生器热效率和污染物排放的影响如图5所示。由图5(a)可知，加热水和产蒸汽的热效率随着空气系数的增加而降低。1时火焰为全预混火焰，越高，火焰温度越低，火焰与钢管的温差减小，传热速率减慢，随着的增加，火焰的长度也变长，较大时，相邻火焰会发生交汇并向下偏转，射流之间的干扰会增强，从而降低了火焰与管壁的传热，故的增加导致两者热效率都降低。由图5(b)可知，CO排放量随着的增加而增加，从1.0增加到1.3时CO浓度缓慢增加，但从1.3增加到1.4时CO含量剧增，由=1.3的61 mg/m3增加到=1.4的356 mg/m3。这是由于较小（接近1）时，火焰燃烧温度最高，此时燃烧更加充分，促进了CO的转化。随着不断增大，了合物中燃气的浓度降低，使得火焰温度降低，导致CO的氧化反应被中断9。随着继续增加，火焰长度变长，管壁对火焰的淬熄效应和相邻火焰的干扰加强，进一步导致CO浓度增加；另外NOx随着的增加有所下降，增加导致火焰温度降低，热力型NOx生成减少，使得NOx浓度降低。由于实验的燃烧室不完全封闭，有部分外界空气进入燃烧室与反应生成的NO发生复杂反应，生成其他类型的NOx，故NOx浓度降低缓慢。3结语基于直接火焰冲击加热技术，对全预混火焰加热蒸汽发生器的热效率进行实验研究，得出以下结论：初始水量对燃气蒸汽发生器的热效率影响最大，初始水量从1 kg增加到3 kg，加热水的热效率提高了137%，产蒸汽的热效率提高了17%，加热高度、火焰负荷、空气系数对其也有一定影响。加热效率随初始水量和火焰负荷的增加而增大，随空气系数的增大而减小，随加热高度的增大先增加后减小，存在最佳加热高度，产蒸汽最佳加热高度为40 mm，加热水最佳加热高度为45 mm。所有实验条件下，产蒸汽的热效率均比加热水时高，最大时产蒸汽的热效率是加热水热效率的2.1倍。CO浓度随初始水量、火焰负荷和空气系数的增加而增加，随加热高度的增加而减少。其中，CO浓度随空气系数的变化最为明显，空气系数从1.0提高到1.4，CO浓度增加1 300%；NOx浓度随初始水量和空气系数的增加而降低，随火焰负荷的增加而增加，随加热高度的增加先降低后增加。参考文献1 Chander S，Ray A.Flame impingement heat transfer：A reviewJ.Energy Conversion and Management，2005，46（18）：2803-2837.2 董芳尧，王道安.快速对流加热技术及其在锻造炉中的应用 J.工业炉，2011，33（2）：19-20，25.3 同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等.燃气燃烧与应用 M.北京：中国建筑工业出版社，2011.4 Hou S S，Ko Y C.Effects of heating height on flame appearance，temperature field and efficiency of an impinging laminar jet flame used in domestic gas stovesJ.Fuel and Energy Abstracts，2004，45（6）：418-418.5 Baukal C E，Gebhart B.Heat transfer from oxygen-enhanced/natural gas flames impinging normal to a plane surfaceJ.Experimental Thermal and Fluid Science，1998，16（3）：247-259.6 Popp P，Baum M.Analysis of wall heat fluxes，reaction mechanisms，and unburnt hydrocarbons during the head-on quenching of a laminar methane flame J.Combustion and Flame，1997，108（3）：327-348.7 孙德坤.预混火焰射流加热铝棒的传热与火焰排放特性研究 D.济南：山东建筑大学，2022.8 Li H B，Zhen H S，Leung C W，et al.Effects of plate temperature on heat transfer and emissions of impinging flames J.International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53（19）：4176-4184.9 Roesler J F，Yetier R A，Dryer F L.On the dependence of the rate of moist CO oxidation on O2 concentration at atmospheric pressureJ.Combustion Science and Technology，1994，95（1/6）：161-171.（a）对发生器热效率的影响（b）对污染物排放的影响图5对发生器热效率和污染物排放的影响