采用低氮燃烧器是降低燃气（油）锅炉氮氧化物排放质量浓度的有效措施，目前传统的低氮燃烧器采用的技术主要包括空气分级燃烧、燃料分级燃烧、浓淡偏差燃烧、无焰燃烧、烟气再循环等^[1-2]，通过减少燃料周围的氧气质量浓度、控制燃料在高温区的驻留时间或降低燃烧温度峰值以减少氮氧化物的生成. Ballester等^[3]研究空气分级燃烧对燃烧器火焰稳定性和污染物生成特性的影响，发现采用空气分级燃烧时，燃烧器的氮氧化物排放质量浓度为22~76 mg/m³，是未采用分级燃烧时的1/3；宋少鹏等^[4]设计开发燃料分级低氮燃烧器，研究负荷、燃料分级对燃烧稳定性、燃尽率及NO_x生成特性的影响，发现二次燃料比例为0~80%时，NO_x排放质量浓度为40~135 mg/m³；Cozzi等^[5]通过试验研究添加H₂的天然气对旋流燃烧器燃烧稳定性及污染物生成的影响，发现H₂质量分数为0时，NO_x和CO的排放质量浓度最低，分别为43 mg/m³和63 mg/m³；Galletti等^[6]采用试验与数值计算方法，对MILD燃烧器的NO生成规律进行研究，发现最低的NO排放质量浓度为40 mg/m³. 但是单独采用上述任何一项技术都难以满足氮氧化物排放限值为30 mg/m³的要求.

多孔介质燃烧技术是可燃气体在辐射、导热性能良好、耐高温的多孔材料内进行燃烧的技术^[7-8]，具有燃烧效率高、燃料适应性强、火焰稳定性强、燃烧负荷比宽、污染物特别是氮氧化物排放质量浓度低^[9-10]的优点. 多孔介质降低了火焰区的最高温度，减少了氮氧化物的生成；多孔介质中孔隙强化气体的弥散效应使燃烧更完全，减少了一氧化碳的生成. 国内外很多学者致力于研发具有低氮排放特性的多孔介质燃烧器. 张俊春^[10]对甲烷在多孔介质燃烧器中的燃烧特性进行试验研究，发现CO排放质量浓度低于33 mg/m³，NO_x排放质量浓度低于17 mg/m³；黄冉思思等^[11]研究中、低热值气体在多孔介质燃烧器中的贫燃特性，发现研究的低热值气体的NO_x排放质量浓度低于1 mg/m³；Keramiotis等^[12]研究功率范围为5~20 kW的多孔介质燃烧器，发现当过量空气系数为1.6时，NO_x排放质量浓度低于10 mg/m³，CO排放质量浓度低于40 mg/m³；Gao等^[9]检测的多孔介质燃烧装置的燃烧产物中，NO_x排放质量浓度低于4 mg/m³；Dehaj等^[13]将多孔介质燃烧器与热交换器结合起来，燃烧器的热效率高于95%，功率为5 kW时燃烧器的NO_x排放质量浓度低于40 mg/m³，CO排放质量浓度的最低值为50 mg/m³；段毅^[7]研究内嵌换热面时多孔介质燃烧特性和传热特性，发现在试验工况下NO_x的排放质量浓度低于35 mg/m³，CO的排放质量浓度低于70 mg/m³.

低氮排放特性是工业级多孔介质燃烧器应用的重要基础. 研究表明，实验室级别的小型多孔介质燃烧器的氮氧化物排放低，但是多孔介质燃烧器大型化后是否具有同样的低氮排放特性还有待验证. 与实验室级别的多孔介质燃烧器相比，工业级多孔介质燃烧器燃烧功率更高、结构更复杂，并且对控制系统和保护系统的要求更高.

研究功率为50~100 kW的多孔介质燃烧器的燃烧特性，包括燃烧器在不同当量比下的稳燃范围，在不同功率和当量比下燃烧时的燃烧产物生成特性，以及多孔介质直径对燃烧器燃烧特性的影响.

基于多孔介质机理研究结果^{[7, 10-11, 14]}设计功率为50~100 kW的大功率多孔介质燃烧器，结构如图1所示. 燃烧器由程控器、燃气阀组、燃气蝶阀、风机、预混室、燃烧头、点火电极与火焰检测电极等部分组成. 为了研究多孔介质直径对燃烧器燃烧特性的影响，根据在小型试验台上对多孔介质燃烧器稳燃范围的影响因素的研究^[10]，采用直径分别为d和1.3d的多孔介质材料填充到燃烧头中. 燃烧器采用全电子比例调节式控制系统. 在试验过程中，通过调节燃气蝶阀的开度调节燃气量，通过改变风机风门挡板的开度改变助燃空气量. 燃烧器具有吹扫、点火、火焰检测、负荷调节、故障报警等功能. 50~100 kW的大功率多孔介质燃烧器的燃烧特性试验在如图2所示的燃烧器试验系统中进行. 系统由供气系统、燃气流量测量系统、多孔介质燃烧器、卧式炉膛、烟气分析仪、数据采集仪等部分组成. 燃气通过燃气阀组进入燃烧器，与风机引入的空气在预混室内充分混合后进入多孔介质燃烧器燃烧.

图 1

图 1 多孔介质燃烧器结构示意图 Fig. 1 Structure of porous media burner

图 2

图 2 多孔介质燃烧器试验系统图 Fig. 2 System of porous media burner

试验燃气为天然气，低位发热量为34.95 MJ/m³，由高压燃气瓶组供给，使用涡街流量计测量流量. 卧式炉膛长度为2 000 mm，内径为850 mm. 为了减少散热，在炉膛外敷设厚度为120 mm的硅酸棉保温材料. 卧式炉膛沿炉膛中轴线布置有4支K型热电偶测量炉内温度分布，T1~T4热电偶与燃烧器出口的距离分别为200、500、1 000、1 500 mm. 热电偶信号通过Agilent34970a数据采集仪与电脑连接，温度数据每隔10 s自动采集并且实时显示和储存. 为了测量燃烧产物成分，在卧式炉膛出口烟道上布置有烟气测点. 试验采用MRU MGA5红外气体分析仪检测烟气中的CO、NO_x、O₂、CO₂等主要成分. 燃烧器在不同功率和当量比下的燃烧特性如表1所示. 其中，P为燃烧器功率，q_A为面积热流量，Q为燃气体积流量，φ为当量比. 其中，燃烧化学当量比通过尾部烟道烟气含氧量反算得出.

表 1

表 1 不同功率和当量比下的燃烧器试验工况 Table 1 Experimental conditions of burner under different powers and equivalence ratios P/kW qA/（kW·m−2） Q/（m3·h−1） φ 50 2 152 5.15 0.6 50 2 152 5.15 0.7 50 2 152 5.15 0.8 50 2 152 5.15 0.9 60 2 582 6.18 0.6 60 2 582 6.18 0.7 60 2 582 6.18 0.8 60 2 582 6.18 0.9 70 3 013 7.21 0.6 70 3 013 7.21 0.7 70 3 013 7.21 0.8 70 3 013 7.21 0.9 70 3 013 7.21 1.0 80 3 443 8.24 0.8 90 3 873 9.27 0.8 100 4 304 10.30 0.8

表 1 不同功率和当量比下的燃烧器试验工况 Table 1 Experimental conditions of burner under different powers and equivalence ratios

在某一当量比下，存在使燃烧稳定在多孔介质内部进行的最小入口气流速度（稳燃下限）和最大入口气流速度（稳燃上限），稳燃下限与稳燃上限之间的速度范围称作多孔介质燃烧器的稳燃范围^[15]. 文献中^{[10-11, 16-17]}一般通过火焰面所在位置判定回火或者吹熄. 本试验将在一定当量比下燃烧器能稳定运行的入口气流速度范围作为燃烧器的稳燃范围.

试验得到的多孔介质燃烧器的稳燃范围如图3所示. 图中，V_in为入口气流速度，V_min为稳燃下限，V_max为稳燃上限. 随着当量比增大，燃烧器稳燃上限和稳燃下限均升高，稳燃上限上升的幅度大于稳燃下限，稳燃范围随当量比的增大而变大，与其他文献中得到的规律一致^{[10-11, 18]}.

图 3

图 3 多孔介质燃烧器稳燃范围 Fig. 3 Flame stability ranges of porous media burner

多孔介质燃烧器的稳燃范围与多孔介质的结构、材料^{[9, 19]}以及燃气的热值^[12]有关. 如图4所示，对比本试验与文献[10, 18, 20]在不同当量比下测得的多孔介质燃烧器的稳燃范围. 可以看出，在当量比相同时本试验的工业级燃烧器的稳燃上限高于文献结果. 本试验将燃烧器吹熄时的入口气流速度作为稳燃上限，其他文献中将火焰面移动到多孔介质表面时的入口气流速度作为稳燃上限. 本试验的燃烧器多孔介质材料为SiC泡沫陶瓷，与小球堆积床相比，导热系数更高，回热效果更好，稳燃范围更宽.

图 4

图 4 不同当量比下本试验与其他文献中的稳燃范围对比 Fig. 4 Comparison of flame stability ranges at different equivalence ratios in literatures

燃烧器的燃烧产物生成特性是评价燃烧器性能的重要指标. 主要在尾部烟道处测取燃烧产物氮氧化物及一氧化碳. 如图5所示为不同工况下测得的燃烧器的氮氧化物排放质量浓度. 可以看出，在各个工况下，燃气燃烧产生的氮氧化物基本低于30 mg/m³，NO为主要的氮氧化物产物，质量分数高于85%. 天然气在多孔介质中燃烧产生的氮氧化物主要是由空气中的N₂经高温氧化而成，氮氧化物的排放质量浓度与燃气的驻留时间和火焰温度有关^[19]. 如图5（b）所示为燃烧器稳定运行时，氮氧化物排放质量浓度与炉膛中心第1个测点温度T₁的关系. 随着T₁不断升高，氮氧化物排放质量浓度明显增加，这是因为燃烧温度会明显影响热力型NO_x的生成.

目前文献中对于多孔介质燃烧器功率对氮氧化物生成的影响的研究没有统一的结论. 在当量比一定时，随着燃烧器功率增大，入口气流速度增加，气体驻留时间缩短，对氮氧化物的生成具有抑制作用，但是同时火焰温度升高，促进氮氧化物的生成. 如图5（c）所示，在当量比一定时，燃烧器的氮氧化物排放质量浓度随着燃烧器功率的增大逐渐升高，说明火焰温度升高对氮氧化物生成的影响大于驻留时间缩短带来的影响，这与段毅^[7]、Keramiotis等^[12]、Gao等^{[18, 21]}得到的试验结果一致.

当量比同样对燃烧器NO_x的生成具有重要的影响，如图5（d）所示，将本试验燃烧器的试验结果与Mathis等^[22]、Keramiotis等^[23-24]的结果进行对比，发现试验结果趋势相同，随着当量比的增大，氮氧化物排放质量浓度明显升高. 这是因为当量比的增大使火焰温度明显升高，促进了热力型NO_x的生成. 如图6所示为燃烧器的CO生成特性. 当量比对燃烧器的燃尽率具有较明显的影响，由图6（a）可以看出，CO排放质量浓度随当量比的增大有先降低后升高的趋势，试验结果与文献[23，25，26]得到的试验结果一致. 燃烧功率一定时，随着当量比的增大，入口气流速度减小，气体的驻留时间延长，同时火焰温度升高，有利于燃气完全燃烧. 但是由于混合效果的限制，在当量比大于0.9时，可能会存在局部缺氧区，燃烧不完全，CO排放质量浓度升高. 当功率为70 kW、当量比为1。0时测得的CO排放质量浓度最高，为366 mg/m³.

图 5

图 5 多孔介质燃烧器的氮氧化物生成特性 Fig. 5 Nitrogen oxide emissions of porous media burner

预混气体入口气流速度的增加一方面会减少气体的驻留时间，使火焰面位置向下游移动，不利于CO的进一步氧化，另一方面会使燃烧温度升高，促进CO转化为CO₂^[9]. 文献中关于气体入口流速对多孔介质燃烧器CO排放的影响得到的结论不同. Gao等^[9]发现当入口气流速度较低时（V_in< 0.4 m/s），CO的排放质量浓度随入口气流速度的增大而降低，当V_in> 0.4 m/s时，CO排放质量浓度基本不变；Bubnovich等^[27]发现CO排放质量浓度随入口气流速度的增大线性增加. 本试验中燃烧器的CO排放质量浓度与入口气流速度的关系如图6（b）所示. 在当量比相同的情况下，当V_in <1.4 m/s时，CO排放质量浓度随入口气流速度的增加略有降低. 这是因为流速的增大使燃烧温度明显升高，由于燃烧区较长，气体驻留时间缩短带来的影响较小. 当入口气流速度大于1.4 m/s时，CO排放质量浓度略有上升，可能是因为火焰面位置向下游移动，气体驻留时间产生的影响更显著. 在当量比为0.6~0.8时，燃烧器的CO排放质量浓度最高为20 mg/m ³. 为同时实现燃烧器较低的氮氧化物和一氧化碳排放，当量比应控制在0.7~0.8.

图 6

图 6 多孔介质燃烧器的CO生成特性 Fig. 6 CO emissions of porous media burner

多孔介质燃烧器稳燃范围的研究结果表明，为了提高燃烧器功率，需要增大多孔介质直径^{[9-10, 20]}. 如图7所示为在多孔介质直径分别为d和1.3d，当量比为0.7的情况下，燃烧器在3种预混气体入口流速下的污染物生成特性. 可以看出，在当量比和入口气流速度相同时，2种不同的多孔介质直径对燃烧器的NO_x和CO排放质量浓度没有明显影响.

图 7

图 7 当量比为0.7时多孔介质直径对污染物生成的影响 Fig. 7 Effect of different porous media diameters on pollutant emissions with equivalence ratio of 0.7

研究了功率范围为50~100 kW的工业级多孔介质低氮燃烧器的稳燃范围，以及当量比、燃烧器功率和多孔介质直径对燃烧器燃烧产物生成特性的影响，得到以下结论.

（1）50~100 kW的工业级多孔介质燃烧器稳燃范围随当量比的增大而增大；生成的氮氧化物主要为NO，排放质量浓度随当量比和燃烧器功率的增大而增大，试验范围内NO_x排放质量浓度低于30 mg/m³，具有低氮燃烧特性；CO排放质量浓度随当量比的增大先降低后升高，在当量比小于0.9时，CO排放质量浓度低于56 mg/m³；

（2）建议的工业级多孔介质燃烧器运行当量比范围为0.7~0.8.

（3）验证了工业级多孔介质燃烧器的稳燃性和燃烧产物特性，接下来将验证燃烧器能否长时间工业运行并致力于研发功率更大的燃烧器.