魯文超+徐朝鶴

摘 要：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室工作時，由于局部高溫會產(chǎn)生大量的NOx且易產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。本文對預(yù)混火焰的發(fā)展過程、傳播特性、管道內(nèi)預(yù)混燃燒的Tulip火焰等進(jìn)行了簡要的分析，以及對NOx減排技術(shù)的介紹。

關(guān)鍵詞：預(yù)混火焰介紹；Tulip形成；NOx的排放控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.062

1 預(yù)混火焰介紹

預(yù)混火焰是一種非?；A(chǔ)的燃燒現(xiàn)象，根據(jù)燃燒機(jī)制的不同可分為層流和湍流預(yù)混火焰。在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中，采用預(yù)混燃燒可以降低燃燒室的溫度和降低NOx的排放。燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)最主要的部件之一，其中既有氣動、熱力學(xué)等物理問題，又包括許多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)問題。所以不僅要求高效，更是要穩(wěn)定、安全，溫度的控制顯得尤為重要；同時隨著社會對于環(huán)保問題的愈加重視，各國對于NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格。

總的來說，預(yù)混氣體在燃燒室中一般采用貧燃料燃燒。燃燒室是一個密閉的空間，燃燒過程產(chǎn)生的聲音會受到邊界的反射，與燃燒相互作用產(chǎn)生熱聲不穩(wěn)定性?？傊?，溫度、當(dāng)量比、穩(wěn)定性等一系列因素都是預(yù)混火焰在燃燒室中燃燒應(yīng)該解決的問題。

2 預(yù)混火焰的點(diǎn)火與發(fā)展過程

整個點(diǎn)火與發(fā)展的過程，開始是未燃區(qū)，氣體在這里混合均勻后向預(yù)熱區(qū)流動，預(yù)熱區(qū)內(nèi)氣體受熱膨脹，密度迅速減小，并在獲得足夠的能量后燃燒。反應(yīng)區(qū)在整個空間內(nèi)只占很小的一部分，混合氣體快速反應(yīng)完全，并向平衡區(qū)運(yùn)動。溫度達(dá)到最大值，密度最小，體積膨脹，隨后從燃燒室排出進(jìn)入透平做功。

3 層流火焰?zhèn)鞑シ治?/p>

對于球形腔室，電火花在球心處點(diǎn)燃均相混合物，并形成想外傳播的均相火焰。未燃物來流法相速度-火焰面速度=火焰速度。所以，火焰速度并不是我們實(shí)際觀測到的火焰面的移動速度。

Tulip火焰的形成是流動與火焰共同作用的結(jié)果，標(biāo)志著火焰從層流走向湍流的轉(zhuǎn)變，對防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生有重要作用。

4 對排放量的控制

（1）目前的燃?xì)廨啓C(jī)為了更高的效率，常常需要燃燒室在高溫高壓下工作，這會造成NOx排放量的增加；所以為了減少NOx的排放，首先就需要將燃料和空氣盡可能均勻地混合，混合的越均勻，就越能夠減少氮氧化物排放。因此研究者開發(fā)出這樣一種裝置（如圖1），利用LIF（激光誘導(dǎo)熒光）技術(shù)，通過對一種共振激發(fā)出的特征光譜檢測，來評價混合物的均勻度。他們認(rèn)為液體燃料的預(yù)混燃燒為NOx的減排提供了一種可能性，而燃料與空氣的均勻混合對于減排有明顯的作用。一般傳統(tǒng)的測量方式都是針對廢氣來進(jìn)行測量，但是LIF測量卻可以在一個更大的時間、空間尺度上進(jìn)行檢測，更是可以針對一些特殊的物質(zhì)進(jìn)行含量測定；同時它使得燃料-空氣含量的測定成為可能。通過安置靜態(tài)混合器使得大的燃料渦流破碎成小的湍流模式，使得燃料沿橫截面均勻分布，來達(dá)到減排的目的。

（2）一般認(rèn)為，貧燃料的預(yù)混燃燒是減少氮氧化物排放的有效方法，但是貧燃料燃燒存在很多問題，例如回火、自燃以及燃燒穩(wěn)定性不好。在未來應(yīng)用前景不容樂觀。所以，非預(yù)混燃燒實(shí)現(xiàn)低NOx的研究開始進(jìn)展。

目前新設(shè)計的燃燒室采用螺旋火焰燃燒的方式，來實(shí)現(xiàn)更高的燃燒穩(wěn)定性，同時防止自燃和回火等麻煩。螺旋火焰燃燒本質(zhì)上屬于擴(kuò)散燃燒，其基本原理是采用一種特殊的分級燃燒技術(shù)，在燃燒室的前段采用富油燃燒，燃燒產(chǎn)物中含有大量的氧化物和烴，不經(jīng)過進(jìn)一步處理不能從燃燒室直接排排出。所以要通過補(bǔ)氣孔通入空氣做進(jìn)一步燃燒。補(bǔ)氣孔通入的空氣是燃燒室一部分的溫度急劇下降，產(chǎn)生所謂的猝熄效應(yīng)。在發(fā)生猝熄效應(yīng)的區(qū)域與穩(wěn)定燃燒的區(qū)域交匯處，產(chǎn)生了強(qiáng)勁的漩渦流。強(qiáng)大的剪切力形成一個渦旋流，并且產(chǎn)生火焰拉伸現(xiàn)象，伴隨著溫度的驟降。從而在燃燒室出口部創(chuàng)造出貧油燃燒環(huán)境，使燃燒室排出的物質(zhì)主要成分以二氧化碳、水、氮?dú)夂脱鯕鉃橹?，也降低了氮氧化物和一氧化碳等污染物的排放?/p>

所以總體上說，螺旋火焰燃燒室在減少NOx排放方面有著令人滿意的表現(xiàn)?？梢詼p少約50%的NOx的排放，并且能夠使火焰更加均勻，防止局部高溫。同時其他方面的一些優(yōu)化也可以使這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）鈀化催化劑影響燃燒活動的參數(shù)，當(dāng)然，這種燃燒方式也存在一些問題。例如材料科學(xué)沒有得到充分的發(fā)展，還不能有效得到良好的耐高溫材料和催化劑；又比如僅僅是緩慢的中毒或少量的毒藥痕跡都可能會導(dǎo)致催化劑的識貨。這些限制在一些方面有阻礙了甲烷催化燃燒的推廣。

Tulip火焰的形成對防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生有重要作用。NOx的排放對環(huán)境問題影響重大，對于NOx排放的檢測和控制一直是一個重大的科研課題。希望以上見解有益于安全與環(huán)境領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，更希望我國燃?xì)廨啓C(jī)能發(fā)展成為熱機(jī)中的一支勁旅。

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作者簡介：魯文超（1996-），女，山東滕州人，本科，學(xué)生，主要研究方向：機(jī)械。