天然气部分预混燃烧的火焰离焰特性实验

张杨竣 秦朝葵

同济大学机械与能源工程学院

部分预混燃烧的火焰离焰特性研究是燃气火焰特性研究的重要课题。一方面，离焰火焰广泛应用于燃烧领域，如商用大锅灶利用离焰喷射火焰增大火焰与火孔间的距离，从而降低高温火焰对火孔面的损伤［1－3］。另一方面，民用大气式燃烧器中的火焰离焰则属于一种必须避免的火焰不稳定现象，会导致吹熄、不完全燃烧、燃烧温度过低等，严重影响其正常使用。近年来，随着天然气工业的快速发展，越来越多的城市开始供应天然气。然而，当用天然气置换人工煤气时，会使得末端用户（如民用大气式燃烧器）出现严重的天然气互换性问题，出现火焰离焰和不完全燃烧情况。研究部分预混燃烧器的火焰离焰特性，对于应对我国各大城市天然气互换性问题，特别是针对数量庞大的民用燃具，意义非同寻常［4－7］。

离焰火焰会影响焰面内部的紊流化学反应、热传递和火焰结构形态变化等因素，一直是研究的重点，大量的科学文献对各种燃烧方式的火焰离焰特性及其稳定机理进行了研究，探讨了火焰离焰及其稳定受到多方面因素的影响，包括燃烧器边界条件、火孔气流出口速度、同流空气速度、气流混合物温度、一次空气系数、燃气稀释气特性和燃气种类等［8－32］。从国内外文献所关注的重点来看，较少的研究涉及大气式燃烧器在不同天然气气质组分下的火焰离焰特性及其影响因素讨论。本文对天然气组分变化导致的部分预混燃烧器之火焰离焰特性进行了实验研究，分析影响燃烧器出现火焰离焰情况的不同因素，重点讨论了离焰火焰发生与燃烧器头部温度的关系和天然气组分对火焰离焰特性的影响。

1 实验介绍

为研究采用预混燃烧方式（即大气式）民用燃气灶的火焰离焰特性，设计了一种典型的部分预混燃烧装置——基准燃烧器（precision test burner，PTB）。首先，对目前国内市场上较常见的65台大气式燃气灶进行统计分析，归纳了包括火孔大小、火孔深度、火孔倾角、火孔间距和火孔热强度等参数，以此为依据设计PTB。PTB包括3部分（图1）：燃烧器头部、低压引射段和空燃混合腔。其中燃烧器头部参数为：36个圆形火孔，额定火孔热强度为8W／mm2，火孔直径为2．5 mm，火孔深度为5mm，火孔倾角为15°，火孔间距为5 mm。为实时监测PTB头部温度，在其头部分别布置了3个温度测点，使用K分度热电偶分别监测头部内预混气流温度、头部表面温度和火焰根部温度；3个温度测点的布置如图1所示，头部内预混气流温度测点位于PTB内壁距火孔进口3mm处，头部表面温度测点位于PTB火盖表面中心圆处，火焰根部温度测点位于PTB两火孔中间处。

图1 基准燃烧器设计和头部温度测点布置示意图

PTB测试系统见图2，包括PTB、空气流量监测和燃气流量监测3部分。实验所用空气为压缩空气，经减压阀减压后，流经一个满量程为6m3／h、精度为±0．1%的湿式流量计，进入PTB混合腔；实验用样本气由各单一气体和管道天然气（PNG）掺混，自5m3湿式储罐供入PTB。使用量程为0．001～30L／min、精度为±0．1%的皂膜流量计监测样本气流量。实验过程中，调节空气侧和燃气侧的流量来控制一次空气系数，并在PTB头部设置冷却水循环系统，通过调节冷却水流量来控制头部燃烧温度维持在某一特定温度，测试PTB在不同样本气下的火焰离焰极限值，考察其与头部温度的关系。

2 结果与讨论

2．1 火焰离焰与头部温度的关系

实验选用管道天然气（定义为PNG0）和掺混20%氮气的管道天然气（定义为PNG20）为样本气源，对PTB进行火焰离焰极限值与头部温度关系的测试。气源组分特性如表1所示，两者的华白数值相差12．4 MJ／m3。

表1 基准燃烧器测试样本气组分特性表

测试方法如下：在不离焰、不回火、无黄焰的情况下，点燃PTB，预热10～15min后，将燃气流量调至某一流量值，空气流量调至相应不出现火焰离焰情况下的最大流量值，当燃烧至头部温度维持在某一恒定温度（T0）、且温度波动范围在±5℃内维持1min时，开启冷却水开始测试，利用相机记录头部火焰形态，并同步采集温度数据，当头部各温度波动范围在±5℃维持1min、且火焰形态不再出现严重变化时，测试结束。

两种气源情况下，PTB头部不同测点的温度随着离焰变化情况如图3所示。在预混燃烧火焰发生离焰的前后，头部温度与火焰离焰程度互为因果关系。随着头部温度的降低，火焰离焰程度加剧；反之火焰离焰的加剧同样会导致燃烧器头部温度降低。但最终燃烧器头部会达到热平衡，火焰离焰不再加剧，头部温度维持稳定（图4）。如图4所示，较之于PNG0，华白数和热值较小的PNG20作为气源时，PTB出现火焰离焰时的头部温度更低；且随着头部温度降低，在相同头部温度情况下，PNG20导致PTB头部出现火焰离焰的火孔比例更大，火焰离焰程度更剧烈。

图3 基准燃烧器头部不同测点温度随离焰变化情况图

图4 基准燃烧器离焰与温度关系图

2．2 PTB火焰离焰极限值曲线

实验对PTB在不同头部温度情况下的火焰离焰极限值曲线进行测试，方法如下：点燃燃烧器，在不离焰、不回火、无黄焰的情况下，预热10～15min；完全预热后，将燃气流量调至某一流量值下，逐渐增大一次空气系数，直到火焰出现离焰，并保证头部温度稳定在某一恒定温度时，记录此时的一次空气值和燃气流量；在不同的燃气流量情况下重复这一步骤，实验过程中始终保持头部温度在某一特定温度下进行。实验在自行设计的PTB上进行，选用PNG作为实验气源，以火孔根部温度为参照温度，测试了火焰根部温度分别为350℃和150℃情况下的基准燃烧器头部火焰离焰极限值曲线，测试结果如图5所示，两条火焰离焰极限值曲线基本重合。故同一燃烧器在同一气源情况下的火焰离焰极限值曲线存在且仅有一条，燃烧器火焰离焰极限值曲线只由燃烧器结构和气源特性决定。当气源特性给定时，其在燃烧器上的火焰离焰极限值曲线即已确定，不存在同一燃烧器上同一气源的不同温度火焰离焰极限值曲线。因此，通过上述讨论可以总结测试预混燃烧器火焰离焰极限值曲线时，必须保证头部温度恒定，但不须保证每次测试都在同一温度情况下进行。这一实验结果与戴万能测试的沼气掺混石油液化气（LPG）测试得到的燃烧器头部火焰离焰极限值曲线结果不同。

图5 基准燃烧器不同头部温度情况下的火焰离焰极限值曲线图

根据上述实验，对PTB在不同气源情况下的火焰离焰极限值曲线进行测试。在不离焰、不回火、无黄焰等情况下，预热10～15min后，测试PTB在不同燃气和空气流量下的火焰离焰情况，当燃烧器头部1／3及以上火孔发生火焰离焰时即认定为头部火焰离焰，但必须保证测试时头部温度为常值而无需是定值。两种气源测试结果如图6所示，PNG20作为气源的火焰离焰极限值曲线位于PNG0作为气源的火焰离焰极限值曲线下方，PNG20作为气源不出现火焰离焰的工况区域相比PNG0要窄，显然华白数和热值较低的气源更易使得燃烧器出现火焰离焰；且当以华白数和热值较大的气源作为燃烧器初状态调节气时，气源置换成华白数和热值较低的气源，则会使得燃烧器出现火焰离焰，反之则不会。

图6 基准燃烧器在PNG0和PNG20两种气源情况下的离焰极限值曲线图

将测试得到的不同火焰离焰极限值数据在半对数坐标上作图，可以发现，当保持测试火焰离焰极限时头部温度为常值时，可得相互平行的直线，并可整理成以下公式：

式中q为燃烧器火孔热强度，W／mm2；m为火焰离焰曲线斜率常数（与燃烧器结构相关，当燃烧器结构一定时，m值即为定值）；α为一次空气系数；k为火焰离焰极限常数（与气源特性相关，给定气源组分后，k值即为定值）。

根据AGA提出的各单一气源火焰离焰常数值，可以计算出PNG0和PNG20两种气源各自的火焰离焰常数（K）分别为1．2和1．1，而根据本次实验测试得到的火焰离焰曲线方程，PNG0和PNG20作为气源的火焰离焰常数分别为1．6和1．5。因此，有必要对AGA指数推导得出的火焰离焰互换预测指数对我国部分预混燃烧器的互换性预测适用性进行研究。

3 结论

1）预混燃烧火焰出现离焰时，头部温度与火焰离焰程度互为因果；随着头部温度的降低，离焰程度加剧；离焰程度加剧则使得燃烧器头部温度降低，最终达到热平衡，离焰程度不再加剧且头部温度维持稳定。

2）同一燃烧器在同一气源下的离焰极限值曲线有且仅有一条，燃烧器离焰极限值曲线只由燃烧器结构和气源特性决定，当气源特性给定时，其在燃烧器上的离焰极限值曲线即已确定，不存在同一燃烧器上同一气源的不同温度离焰极限值曲线；测试预混燃烧器离焰极限值曲线时，必须保证头部温度恒定，但不须保证每次测试都在同一温度情况下进行。

3）贫组分气源较之于富组分气源更易导致火焰离焰，出现作为气源的离焰时头部温度较之于富组分情况要低，且随着头部温度降低，火焰离焰程度较富组分情况更剧烈；用贫组分气源置换富组分气源时，极易出现作为气源的离焰，反之则不会。

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