引言气体燃料易实现燃烧过程的精确控制，清洁燃烧技术的实质是燃烧过程诸要素的科学协同控制，以实现针对燃烧过程复杂反应的反应动力学的精确控制。但是绝大部分气体燃料为工业副产燃气的燃烧产物，尚需通过烟气治理才能实现超低排放，所以气体燃料的洁净燃烧理论及技术有待进一步深化研究及实践。刁望栋[1]等基于数值模拟的方法研究高炉煤气的燃烧特性；高勇[2]等研究燃料流速对焦炉煤气燃烧特性的影响；秦凤华[3]运用数值方法研究高炉煤气-空气层流预混燃烧的火焰特性；刘再刚[4]探究详细化学反应机理的加速算法，进而实现高精度高时效性的湍流燃烧数值模拟，从而达到高效清洁燃烧。不同气体燃料燃烧过程所呈现的燃烧特性以及热特性是不同的。本研究以理论计算为基础，对6种常见气体燃料的燃烧特性及热特性进行理论计算，并通过改变燃烧条件对燃烧特性及热特性进行对比和分析，希望为气体燃料高效清洁燃烧技术的深层次研究提供有益参考。1不同气体燃料及成分特点国内常见的气体燃料主要包括天然气、焦炉煤气、转炉煤气、高炉煤气等，也有一些地区应用发生炉煤气及沼气。气体燃料含有可燃组分和不可燃组分两部分，其中高炉煤气和沼气中含有少量H2S；除天然气外，其他燃料中均含有少量O2。常见气体燃料的主要干基化学成分以及低位发热量如表1所示（每种气体燃料选取某一生产厂生产的具体气体燃料化学成分作为代表）。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T001表1燃料干基化学成分及低位发热量燃料可燃成分含量/%不可燃成分含量/%低位发热量/（kJ/m3）H2COCH4N2CO2天然气——94.03.30.235 743.33焦炉煤气58.46.224.16.62.216 916.15高炉煤气2.425.60.256.215.43 571.48发生炉煤气12.826.63.353.14.05 919.45转炉煤气1.658.1—20.419.77 518.76沼气0.5—65.02.530.023 695.202常见气体燃料燃烧特性参数对比分析2.1理论空气量、理论烟气量单位燃料理论空气量、烟气量，计算如下[5]：Ln=nL0+0.001 24g×nL0 (1)Vn=V0+VO2+0.001 24g×nL0 (2)式中：L0——理论空气量，m3；V0——理论烟气量，m3；Ln——实际空气量，m3；Vn——实际烟气量，m3；g——空气中水分含量，g；VO2——过剩氧气量，m3。通过上述计算（过量空气系数n取1.1），结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T002表2单位燃料理论空气量及单位燃料理论烟气量燃料理论空气量理论烟气量天然气10.7211.74焦炉煤气4.635.31高炉煤气0.761.62发生炉煤气1.402.20转炉煤气1.592.30沼气7.128.11m3燃料燃烧所需要的理论空气量直接取决于燃料成分中可燃组分的含量。可燃成分占比大，需要的空气量就多，生成的理论烟气量也变大；反之燃料中惰性气体含量多，不参与燃烧反应，与前者相比理论空气量和烟气量相应较少。由表2可以看出，天然气需要的理论空气量和生成的理论烟气量最多，高炉煤气最少。2.2理论燃烧温度根据工程燃烧学理论[6]，理论燃烧温度计算公式如下：tad=Qar,net+Qph+Qex- QljVn×cpy (3)式中：Qar，net——燃料的收到基低位发热量，kJ；Qph——燃料物理热，kJ；Qex——空气物理热，kJ；Qlj——高温条件下燃烧产物裂解吸收的热量，kJ；Vn——燃烧生成烟气量，m3；cpy——烟气平均比热容，kJ/(m3·℃)。燃料理论燃烧温度如表3所示。发热量较高的燃料与发热量较低的燃料相比，理论燃烧温度也较高。但这种认识也有局限性，例如天然气的发热量是焦炉煤气的2倍，但焦炉煤气的理论燃烧温度比天然气高大约60 ℃。因为理论燃烧温度并不只与燃料发热量有关，还与燃烧产物有关。理论燃烧温度主要取决于单位体积燃烧产物的热含量，而tad主要看Qar，net/Vn的大小。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T003表3燃料理论燃烧温度燃料理论燃烧温度天然气1 819焦炉煤气1 880高炉煤气1 338发生炉煤气1 628转炉煤气1 772沼气1 741℃3不同气体燃料热特性参数对比分析3.1火焰黑度、火焰辐射力根据锅炉设计手册[7]，火焰黑度计算如下：ah=mafg+1- maq (4)式中：afg——火焰发光部分的黑度；aq——火焰不发光部分的黑度；m——与炉膛容积热负荷有关的平均系数。炉膛结构尺寸直径800 mm、长度3 m，炉膛出口温度1 000 ℃，燃烧器功率600 kW。黑体辐射力Eb与热力学温度T的关系遵循斯忒藩-玻尔兹曼定律[8]，但在实际的燃烧过程中，应该将火焰视为实际物体而非黑体，实际物体的辐射力E总是小于同温度下黑体的辐射力Eb。Eb=σT4=C0T1004 (5)E=εEb=εσT4=εC0T1004 (6)式中：σ——黑体辐射常数，取值为5.67×10-8 W/(m2⋅K4)；C0——为黑体辐射系数，取值为5.67 W/(m2⋅K4)；ε——实际物体发射率（黑度）。计算得出燃料火焰黑度及火焰辐射力，结果分别如表4和图1所示。其中炉温系数为0.75，高炉煤气相应参数均假定为1。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T004表4气体燃料火焰辐射特性参数燃料火焰温度/℃火焰黑度天然气1 3640.43焦炉煤气1 4100.45高炉煤气1 0040.35发生炉煤气1 2210.69转炉煤气1 3290.35沼气1 3060.4310.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F001图1燃料火焰辐射相对量火焰温度和火焰黑度是影响火焰辐射力的主要因素，综合考虑二者对火焰辐射力的影响。根据图1可知，焦炉煤气的火焰辐射力最大，高炉煤气最小。3.2辐射热与对流热分配比根据传热原理，气体温度高于900~1 000 ℃时，以辐射传热为主，低于该温度以对流传热为主，计算所得辐射热与对流热分配比如图2所示。理论燃烧温度降至排烟温度所放出的热量，绝大部分通过在炉膛内进行的辐射换热，且单位面积上火焰辐射力越强，辐射换热量越多。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F002图2辐射热和对流热分配比3.3排烟损失率排烟损失率计算如下：q2=cpy×Vn×θQr×100% (7)式中：Qr——锅炉输入热量，kJ；θ——排烟温度，℃。设定排烟温度为150 ℃，计算得出燃料的排烟损失率如表5所示。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度和烟气体积。理论上讲，排烟温度一定时，排烟体积越大，热损失越大。但由表5可知，在排烟温度一定的条件下，高炉煤气的排烟损失率最大，焦炉煤气的排烟损失率最小，排烟损失率主要比较Vn/Qr的大小。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T005表5燃料排烟损失率燃料排烟损失率天然气6.75焦炉煤气6.45高炉煤气9.57发生炉煤气7.70转炉煤气6.63沼气7.08%3.4水露点温度烟气中水蒸气含量与水露点温度的关系如表6所示。在烟气为一个大气压时，烟气中水蒸气含量越多，烟气的水露点温度越高。表6中水蒸气体积分数中间值可用插值法求得。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.T006表6水露点温度与水蒸气含量的关系烟气水蒸气含量/%烟气水露点温度/℃16.7532.31045.61553.72059.73068.75080.94燃烧条件变化对燃烧过程的影响燃烧条件变化对气体燃料燃烧特性及热特性均有重要影响，现代燃烧技术主要通过优化或改变燃烧条件实现多元化的燃烧目标。4.1空气过量系数改变过量空气系数对燃料理论燃烧温度和排烟损失率的影响，分别如图3、图4所示。由图3可知，各种燃料的理论燃烧温度随着空气消耗系数的增大而降低。因为在保证燃料完全燃烧的前提下，未参加燃烧空气或如高温烟气中，使得理论燃烧温度下降[9]。过量空气系数越大，剩余空气量越多，温度下降得越多。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F003图3过量空气系数对理论燃烧温度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F004图4过量空气系数对排烟损失率的影响由图4可知，过量空气系数越大，烟气量增多，排烟损失率也就越高。排烟温度一定，对于天然气、焦炉煤气和沼气来说，过量空气系数每增加0.1，排烟损失率增加0.5%左右。根据烟气露点温度定义，水蒸气凝结量的多少直接决定烟气释放的热量。由于过量空气系数的大小与烟气中水蒸气的体积分数和烟气露点温度均有关系，所以过量空气系数对排烟损失影响较大。经计算发现，烟气中水蒸气的体积分数随着过量空气系数的增大而不断减少，如果仅考虑尽可能地利用烟气中水蒸气所含的余热，应最大限度减小空气过量系数。但由表6可知，烟气的露点温度与烟气中的水蒸气含量成正比。综上所述，既要增加烟气中水蒸气的占比释放出更多的热量，又要尽可能地降低烟气露点温度，以减少排烟热损失。因此合理地选取过量空气系数至关重要。4.2空气预热温度改变空气预热温度对燃料理论燃烧温度的影响如图5所示。空气的预热温度越高，燃料的理论燃烧温度就越高。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F005图5空气预热温度对理论燃烧温度的影响对于发热量高的燃料，预热空气比预热煤气的效果更好，因为发热量越高，燃烧所需的空气量越多，空气带入的物理热更多。通常空气是利用炉子废气的热量，采用换热装置预热的。从经济观点来看，用预热的办法比用提高发热量等其他办法提高理论燃烧温度更合理。改变空气预热温度对排烟损失率的影响如图6所示。在排烟温度不变的条件下，排烟带走的那部分热量不变，逐步提高空气预热温度导致入炉热量增加，排烟损失率下降，同时锅炉的整体热效率相应地提高。空气预热温度每提高200 ℃，天然气、焦炉煤气、沼气的排烟损失率下降0.5%左右，高炉煤气、发生炉煤气和转炉煤气排烟损失率下降0.4%左右。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F006图6空气预热温度对排烟损失率的影响4.3烟气循环对理论燃烧温度和氧浓度的影响煤气燃烧产生的NOx主要是热力型NOx。热力型NOx是由于空气中的氮是在高温下分解、氧化后生成的，燃烧区的温度、氧浓度、滞留时间是热力型NOx生成的关键因素[10]。在燃料与空气的化学计量比小于1的火焰中（燃料稀薄的火焰），NOx的生成过程是在火焰带的后端进行[11]。通过低氮燃烧技术可降低NOx排放以及对周围环境造成的不良影响[12]。国内燃气工业锅炉主要采用烟气再循环和全预混表面燃烧[13]技术，大部分都采用烟气再循环技术，低NOx技术原理示意图如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F007图7低NOx技术原理锅炉尾部的部分低温烟气经循环再次进入炉膛，使炉膛内的理论燃烧温度降低，且烟气流速增加。影响热力型NOx生成的主要因素是温度，温度对NOx生成速率的影响呈指数关系。经研究表明，当炉内的燃烧温度低于1 500 ℃时，NOx生成较少；在燃烧温度超过1 500 ℃时，温度每增加100 ℃，NOx的反应速率将增大6~7倍[14]。因此调整锅炉燃烧中心区域温度对降低NOx的生成至关重要。烟气中氧浓度也是影响热力型NOx的另一主要因素，生成速率与氧浓度的0.5次方成正比，而且烟气高温持续的时间越长，越有利于氮氧化物的生成[15]，烟气循环降低O2浓度，由此控制氧浓度并同时降低火焰温度以及缩短在高温区的停留时间等方法抑制热力型NOx效果显著。4.4富氧度改变空气预热温度对燃料理论燃烧温度和排烟损失率的影响，分别如图8、图9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F008图8富氧度对理论燃烧温度的影响10.3969/j.issn.1004-7948.2022.02.004.F009图9富氧度对排烟损失率的影响由图8可知，发热量高的燃料比发热量较低的燃料受富氧度的影响大，而且在氧浓度低于40%时，富氧度对理论燃烧温度的影响效果显著，之后效果越来越不明显。说明不能一味靠提高富氧度达到提高理论燃烧温度的目的，需要综合考虑增加富氧系统的成本与获取利益之间的平衡关系[16]。由图9可知，排烟温度一定时，随着空气中氧含量的增多，燃烧所需要的理论空气量减少，烟气量减小，烟气比热增大，但烟气比热增加幅度没有烟气量降低幅度大，致使排烟热损失随着氧气体积分数的增加而降低。当富氧度低于40%时，排烟损失率随着富氧度的增加急剧降低，富氧度超过40%时，降低幅度减缓。排烟热损失降低，说明炉膛内烟气与受热面之间的传热得到加强，有更多的烟气热量传递给工质。5结语对6种不同常见气体燃料完全燃烧条件下的燃烧特性及热特性参数进行计算，主要结论如下：（1）不同气体燃料燃烧特性参数有较大差异，理论燃烧温度及实际燃烧温度的差异是导致烟气中NOx原始排放浓度存在差异的重要原因。（2）烟气再循环可实现对燃烧温度以及氧浓度的控制，从而改善燃烧室的温度场、流场等。烟气回流量的控制是烟气再循环的难点，采用何种方式回流烟气及强化回流是烟气再循环燃烧技术的重要研究内容。（3）富氧燃烧不仅能够提升燃烧温度增强换热，让燃料燃烧得更充分，还可以减少烟气中的氮气含量，降低排烟热损失，使火焰温度大幅提高。近年来，氧燃料燃烧技术烧逐渐受到人们的重视，该技术不仅综合了富氧燃烧优势，更因为在燃烧前排除氮气，极大地减少NOx的生成。