張楊竣 秦朝葵

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

部分預(yù)混燃燒的火焰離焰特性研究是燃?xì)饣鹧嫣匦匝芯康闹匾n題。一方面，離焰火焰廣泛應(yīng)用于燃燒領(lǐng)域，如商用大鍋灶利用離焰噴射火焰增大火焰與火孔間的距離，從而降低高溫火焰對(duì)火孔面的損傷［1－3］。另一方面，民用大氣式燃燒器中的火焰離焰則屬于一種必須避免的火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致吹熄、不完全燃燒、燃燒溫度過低等，嚴(yán)重影響其正常使用。近年來(lái)，隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的城市開始供應(yīng)天然氣。然而，當(dāng)用天然氣置換人工煤氣時(shí)，會(huì)使得末端用戶（如民用大氣式燃燒器）出現(xiàn)嚴(yán)重的天然氣互換性問題，出現(xiàn)火焰離焰和不完全燃燒情況。研究部分預(yù)混燃燒器的火焰離焰特性，對(duì)于應(yīng)對(duì)我國(guó)各大城市天然氣互換性問題，特別是針對(duì)數(shù)量龐大的民用燃具，意義非同尋常［4－7］。

離焰火焰會(huì)影響焰面內(nèi)部的紊流化學(xué)反應(yīng)、熱傳遞和火焰結(jié)構(gòu)形態(tài)變化等因素，一直是研究的重點(diǎn)，大量的科學(xué)文獻(xiàn)對(duì)各種燃燒方式的火焰離焰特性及其穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行了研究，探討了火焰離焰及其穩(wěn)定受到多方面因素的影響，包括燃燒器邊界條件、火孔氣流出口速度、同流空氣速度、氣流混合物溫度、一次空氣系數(shù)、燃?xì)庀♂寶馓匦院腿細(xì)夥N類等［8－32］。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)所關(guān)注的重點(diǎn)來(lái)看，較少的研究涉及大氣式燃燒器在不同天然氣氣質(zhì)組分下的火焰離焰特性及其影響因素討論。本文對(duì)天然氣組分變化導(dǎo)致的部分預(yù)混燃燒器之火焰離焰特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析影響燃燒器出現(xiàn)火焰離焰情況的不同因素，重點(diǎn)討論了離焰火焰發(fā)生與燃燒器頭部溫度的關(guān)系和天然氣組分對(duì)火焰離焰特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

為研究采用預(yù)混燃燒方式（即大氣式）民用燃?xì)庠畹幕鹧骐x焰特性，設(shè)計(jì)了一種典型的部分預(yù)混燃燒裝置——基準(zhǔn)燃燒器（precision test burner，PTB）。首先，對(duì)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較常見的65臺(tái)大氣式燃?xì)庠钸M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，歸納了包括火孔大小、火孔深度、火孔傾角、火孔間距和火孔熱強(qiáng)度等參數(shù)，以此為依據(jù)設(shè)計(jì)PTB。PTB包括3部分（圖1）：燃燒器頭部、低壓引射段和空燃混合腔。其中燃燒器頭部參數(shù)為：36個(gè)圓形火孔，額定火孔熱強(qiáng)度為8W／mm2，火孔直徑為2．5 mm，火孔深度為5mm，火孔傾角為15°，火孔間距為5 mm。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PTB頭部溫度，在其頭部分別布置了3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，使用K分度熱電偶分別監(jiān)測(cè)頭部?jī)?nèi)預(yù)混氣流溫度、頭部表面溫度和火焰根部溫度；3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示，頭部?jī)?nèi)預(yù)混氣流溫度測(cè)點(diǎn)位于PTB內(nèi)壁距火孔進(jìn)口3mm處，頭部表面溫度測(cè)點(diǎn)位于PTB火蓋表面中心圓處，火焰根部溫度測(cè)點(diǎn)位于PTB兩火孔中間處。

圖1 基準(zhǔn)燃燒器設(shè)計(jì)和頭部溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖

PTB測(cè)試系統(tǒng)見圖2，包括PTB、空氣流量監(jiān)測(cè)和燃?xì)饬髁勘O(jiān)測(cè)3部分。實(shí)驗(yàn)所用空氣為壓縮空氣，經(jīng)減壓閥減壓后，流經(jīng)一個(gè)滿量程為6m3／h、精度為±0．1%的濕式流量計(jì)，進(jìn)入PTB混合腔；實(shí)驗(yàn)用樣本氣由各單一氣體和管道天然氣（PNG）摻混，自5m3濕式儲(chǔ)罐供入PTB。使用量程為0．001～30L／min、精度為±0．1%的皂膜流量計(jì)監(jiān)測(cè)樣本氣流量。實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)空氣側(cè)和燃?xì)鈧?cè)的流量來(lái)控制一次空氣系數(shù)，并在PTB頭部設(shè)置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量來(lái)控制頭部燃燒溫度維持在某一特定溫度，測(cè)試PTB在不同樣本氣下的火焰離焰極限值，考察其與頭部溫度的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2．1 火焰離焰與頭部溫度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)選用管道天然氣（定義為PNG0）和摻混20%氮?dú)獾墓艿捞烊粴猓ǘx為PNG20）為樣本氣源，對(duì)PTB進(jìn)行火焰離焰極限值與頭部溫度關(guān)系的測(cè)試。氣源組分特性如表1所示，兩者的華白數(shù)值相差12．4 MJ／m3。

表1 基準(zhǔn)燃燒器測(cè)試樣本氣組分特性表

測(cè)試方法如下：在不離焰、不回火、無(wú)黃焰的情況下，點(diǎn)燃PTB，預(yù)熱10～15min后，將燃?xì)饬髁空{(diào)至某一流量值，空氣流量調(diào)至相應(yīng)不出現(xiàn)火焰離焰情況下的最大流量值，當(dāng)燃燒至頭部溫度維持在某一恒定溫度（T0）、且溫度波動(dòng)范圍在±5℃內(nèi)維持1min時(shí)，開啟冷卻水開始測(cè)試，利用相機(jī)記錄頭部火焰形態(tài)，并同步采集溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)頭部各溫度波動(dòng)范圍在±5℃維持1min、且火焰形態(tài)不再出現(xiàn)嚴(yán)重變化時(shí)，測(cè)試結(jié)束。

兩種氣源情況下，PTB頭部不同測(cè)點(diǎn)的溫度隨著離焰變化情況如圖3所示。在預(yù)混燃燒火焰發(fā)生離焰的前后，頭部溫度與火焰離焰程度互為因果關(guān)系。隨著頭部溫度的降低，火焰離焰程度加?。环粗鹧骐x焰的加劇同樣會(huì)導(dǎo)致燃燒器頭部溫度降低。但最終燃燒器頭部會(huì)達(dá)到熱平衡，火焰離焰不再加劇，頭部溫度維持穩(wěn)定（圖4）。如圖4所示，較之于PNG0，華白數(shù)和熱值較小的PNG20作為氣源時(shí)，PTB出現(xiàn)火焰離焰時(shí)的頭部溫度更低；且隨著頭部溫度降低，在相同頭部溫度情況下，PNG20導(dǎo)致PTB頭部出現(xiàn)火焰離焰的火孔比例更大，火焰離焰程度更劇烈。

圖3 基準(zhǔn)燃燒器頭部不同測(cè)點(diǎn)溫度隨離焰變化情況圖

圖4 基準(zhǔn)燃燒器離焰與溫度關(guān)系圖

2．2 PTB火焰離焰極限值曲線

實(shí)驗(yàn)對(duì)PTB在不同頭部溫度情況下的火焰離焰極限值曲線進(jìn)行測(cè)試，方法如下：點(diǎn)燃燃燒器，在不離焰、不回火、無(wú)黃焰的情況下，預(yù)熱10～15min；完全預(yù)熱后，將燃?xì)饬髁空{(diào)至某一流量值下，逐漸增大一次空氣系數(shù)，直到火焰出現(xiàn)離焰，并保證頭部溫度穩(wěn)定在某一恒定溫度時(shí)，記錄此時(shí)的一次空氣值和燃?xì)饬髁?；在不同的燃?xì)饬髁壳闆r下重復(fù)這一步驟，實(shí)驗(yàn)過程中始終保持頭部溫度在某一特定溫度下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的PTB上進(jìn)行，選用PNG作為實(shí)驗(yàn)氣源，以火孔根部溫度為參照溫度，測(cè)試了火焰根部溫度分別為350℃和150℃情況下的基準(zhǔn)燃燒器頭部火焰離焰極限值曲線，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，兩條火焰離焰極限值曲線基本重合。故同一燃燒器在同一氣源情況下的火焰離焰極限值曲線存在且僅有一條，燃燒器火焰離焰極限值曲線只由燃燒器結(jié)構(gòu)和氣源特性決定。當(dāng)氣源特性給定時(shí)，其在燃燒器上的火焰離焰極限值曲線即已確定，不存在同一燃燒器上同一氣源的不同溫度火焰離焰極限值曲線。因此，通過上述討論可以總結(jié)測(cè)試預(yù)混燃燒器火焰離焰極限值曲線時(shí)，必須保證頭部溫度恒定，但不須保證每次測(cè)試都在同一溫度情況下進(jìn)行。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果與戴萬(wàn)能測(cè)試的沼氣摻混石油液化氣（LPG）測(cè)試得到的燃燒器頭部火焰離焰極限值曲線結(jié)果不同。

圖5 基準(zhǔn)燃燒器不同頭部溫度情況下的火焰離焰極限值曲線圖

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，對(duì)PTB在不同氣源情況下的火焰離焰極限值曲線進(jìn)行測(cè)試。在不離焰、不回火、無(wú)黃焰等情況下，預(yù)熱10～15min后，測(cè)試PTB在不同燃?xì)夂涂諝饬髁肯碌幕鹧骐x焰情況，當(dāng)燃燒器頭部1／3及以上火孔發(fā)生火焰離焰時(shí)即認(rèn)定為頭部火焰離焰，但必須保證測(cè)試時(shí)頭部溫度為常值而無(wú)需是定值。兩種氣源測(cè)試結(jié)果如圖6所示，PNG20作為氣源的火焰離焰極限值曲線位于PNG0作為氣源的火焰離焰極限值曲線下方，PNG20作為氣源不出現(xiàn)火焰離焰的工況區(qū)域相比PNG0要窄，顯然華白數(shù)和熱值較低的氣源更易使得燃燒器出現(xiàn)火焰離焰；且當(dāng)以華白數(shù)和熱值較大的氣源作為燃燒器初狀態(tài)調(diào)節(jié)氣時(shí)，氣源置換成華白數(shù)和熱值較低的氣源，則會(huì)使得燃燒器出現(xiàn)火焰離焰，反之則不會(huì)。

圖6 基準(zhǔn)燃燒器在PNG0和PNG20兩種氣源情況下的離焰極限值曲線圖

將測(cè)試得到的不同火焰離焰極限值數(shù)據(jù)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作圖，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保持測(cè)試火焰離焰極限時(shí)頭部溫度為常值時(shí)，可得相互平行的直線，并可整理成以下公式：

式中q為燃燒器火孔熱強(qiáng)度，W／mm2；m為火焰離焰曲線斜率常數(shù)（與燃燒器結(jié)構(gòu)相關(guān)，當(dāng)燃燒器結(jié)構(gòu)一定時(shí)，m值即為定值）；α為一次空氣系數(shù)；k為火焰離焰極限常數(shù)（與氣源特性相關(guān)，給定氣源組分后，k值即為定值）。

根據(jù)AGA提出的各單一氣源火焰離焰常數(shù)值，可以計(jì)算出PNG0和PNG20兩種氣源各自的火焰離焰常數(shù)（K）分別為1．2和1．1，而根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的火焰離焰曲線方程，PNG0和PNG20作為氣源的火焰離焰常數(shù)分別為1．6和1．5。因此，有必要對(duì)AGA指數(shù)推導(dǎo)得出的火焰離焰互換預(yù)測(cè)指數(shù)對(duì)我國(guó)部分預(yù)混燃燒器的互換性預(yù)測(cè)適用性進(jìn)行研究。

3 結(jié)論

1）預(yù)混燃燒火焰出現(xiàn)離焰時(shí)，頭部溫度與火焰離焰程度互為因果；隨著頭部溫度的降低，離焰程度加??；離焰程度加劇則使得燃燒器頭部溫度降低，最終達(dá)到熱平衡，離焰程度不再加劇且頭部溫度維持穩(wěn)定。

2）同一燃燒器在同一氣源下的離焰極限值曲線有且僅有一條，燃燒器離焰極限值曲線只由燃燒器結(jié)構(gòu)和氣源特性決定，當(dāng)氣源特性給定時(shí)，其在燃燒器上的離焰極限值曲線即已確定，不存在同一燃燒器上同一氣源的不同溫度離焰極限值曲線；測(cè)試預(yù)混燃燒器離焰極限值曲線時(shí)，必須保證頭部溫度恒定，但不須保證每次測(cè)試都在同一溫度情況下進(jìn)行。

3）貧組分氣源較之于富組分氣源更易導(dǎo)致火焰離焰，出現(xiàn)作為氣源的離焰時(shí)頭部溫度較之于富組分情況要低，且隨著頭部溫度降低，火焰離焰程度較富組分情況更劇烈；用貧組分氣源置換富組分氣源時(shí)，極易出現(xiàn)作為氣源的離焰，反之則不會(huì)。

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