余藝源 羅偉平

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

隨著家用燃?xì)饩叩趸锱欧胖笜?biāo)的收緊，低氮排放產(chǎn)品成為了市場主流。目前市場上主流的低氮排放技術(shù)主要為水冷燃燒，全預(yù)混燃燒，濃淡燃燒，微焰燃燒。微焰燃燒主要通過降低火焰溫度及火焰高度，避開燃燒峰值溫度及減少N2在高溫?zé)熤型Ａ舻臅r(shí)間來達(dá)到低氮排放的目的。因其制造成本低，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的兼容性好與普通燃燒器切換方便，備受行業(yè)各企業(yè)青睞，但微焰燃燒實(shí)則是偏向全預(yù)混但一次空氣系數(shù)過剩的一種大氣式燃燒,無論是在氣體流速控制或者燃?xì)鉂舛瓤刂粕弦蠖挤浅８撸鹧娣€(wěn)定性較普通大氣式燃燒器難以實(shí)現(xiàn)，因此對其火焰穩(wěn)定性進(jìn)行研究十分重要。先進(jìn)行CFD流體分析再做樣品試驗(yàn)驗(yàn)證。這樣可以提高成品的成功率，降低開發(fā)成本和節(jié)省開發(fā)時(shí)間。本文通過一微焰燃燒器進(jìn)行CFD流體分析，以及對其樣件進(jìn)行針對性試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在通過CFD流體分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證雙向?qū)Ρ确治?，更精?zhǔn)快速地判斷燃燒器的設(shè)計(jì)狀態(tài)，對燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 微焰燃燒的意義與穩(wěn)定性原理

燃?xì)獠膳癄t中NOX生成分為三種影響因素：熱力型，快速型，燃料型。而90 %的NOX來自于熱力型，因此以下研究旨在降低熱力型的NOX生成。

熱力型NOX(T-NOX)：熱力型NOX是由空氣中的N2在高溫下氧化生成的。影響因素主要是溫度、時(shí)間和O2濃度：溫度對熱力型NOX的影響是非常明顯的，當(dāng)燃燒溫度升高時(shí)，T-NOX生成量增加（見圖1）；溫度對煙氣的影響是在高溫下停留時(shí)間越長，NOX生成量越多；熱力型NOX生成量與氧濃度的平方根成正比，但過?？諝庀禂?shù)的增加，一方面會(huì)增加O2濃度，另一方面會(huì)使火焰溫度降低，從總的趨勢來看,隨著過?？諝庀禂?shù)的增加，NOX的生成量先增加到一個(gè)極值后會(huì)下降（見圖2）；在實(shí)際燃燒中即使燃燒過程的平均過?？諝庀禂?shù)大于理論值（α>1），也會(huì)由于混合度不好，從而存在燃料過濃區(qū)，從而影響NOX的生成。

圖1 CO & NOX產(chǎn)生對應(yīng)的溫度曲線圖

圖2 NOX產(chǎn)生對應(yīng)的空氣系數(shù)曲線圖

基于以上NOX的生成機(jī)制，減少NOX排放的主要途徑：

1）盡可能降低燃燒溫度；

2）減少N2在高溫區(qū)的停流時(shí)間。

3）提高混合氣的混合度。

由圖1可知，火焰溫度越高，NOX生成率越高，相反CO在燃燒溫度過低時(shí)燃燒不充分，含量急劇上升。在1 360 ℃左右有一個(gè)理想的交點(diǎn)。由圖2可知，當(dāng)空氣系數(shù)a=1時(shí)燃燒火焰達(dá)到了峰值溫度，此時(shí)的NOX排放達(dá)到了最高點(diǎn)。所以要獲得低排放，一次空氣系數(shù)就盡可能的避開0.7～1.3區(qū)間，把燃燒火焰溫度控制在交點(diǎn)附近。

微焰燃燒就是通過提高一次空氣系數(shù)避開燃燒峰值溫度及減少火焰高度來控制煙氣中的N2在火焰高溫區(qū)停流時(shí)間來達(dá)到低排放的目的。所以火焰溫度及高度是微焰燃燒的核心因素，如何獲得較低溫度及高度的微火焰是實(shí)現(xiàn)低排放的根本所在。

1.1 微焰燃燒原理

影響火焰高度的主要因素為：①火焰?zhèn)鞑ニ俣?；②混合氣流速。所以要?shí)現(xiàn)微焰燃燒，就要提高火焰?zhèn)鞑ニ俣?，降低混合氣流速。影響火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊囊蛩刂饕校孩倩旌蠚庵腥細(xì)鉂舛?；②混合氣的預(yù)熱溫度；③反應(yīng)環(huán)境壓力。因?yàn)槲覀冄芯康漠a(chǎn)品為同一測試環(huán)境，壓力對火焰?zhèn)鞑ニ俣葧翰蛔骺紤]。因此混合氣的預(yù)熱溫度越高，火焰?zhèn)鞑ピ娇?；燃?xì)鉂舛仍诮咏碚撊紵隣顟B(tài)時(shí)，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸畲蟆D3、4為同一氣體流速下，不同濃度對應(yīng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?，及火焰高度表現(xiàn)。

圖3 火焰高度圖

由圖3可知，天然氣的濃度趨向理論燃燒時(shí)，其火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁?，火焰最矮，但此時(shí)溫度也是最高的，綜合圖2，圖3，一次空氣系數(shù)宜大于1.3，所以微焰燃燒實(shí)則就是更偏向全預(yù)混的空氣過剩狀態(tài)的大氣式燃燒。要使空氣系數(shù)大于1.3，又不離焰，其氣體流速控制要求及空燃混合氣混合度要求是非常高。因此在這種高要求之下，火焰穩(wěn)定性余量很難做大，對其研究極其重要。

2.2 燃燒火焰的穩(wěn)定機(jī)理

燃燒火焰不穩(wěn)定性的表象可為：脫火（離焰），回火，黃焰（光焰），黑煙，淬熄（離熄），火焰抖動(dòng)，燃燒振蕩等。微焰燃燒屬部分預(yù)混式燃燒，其火焰也就是本生火焰，本生火焰的穩(wěn)定條件主要為:①合適的燃?xì)鉂舛龋虎跉怏w的法向流速等于火焰的法向傳播速度；③存在穩(wěn)定的點(diǎn)火環(huán)。

2.2.1 合適的濃度

對于甲烷而言，能產(chǎn)生穩(wěn)定火焰燃?xì)鉂舛葹椋?～15）%，假如混合氣體的燃?xì)鉂舛却笥谥饾舛壬舷?，火焰就不可能向中心傳播，藍(lán)色錐體就不會(huì)出現(xiàn)，而形成擴(kuò)散式燃燒。假如混合氣中的燃?xì)鉂舛鹊陀谥鹣孪?，則該氣流根本不可能燃燒。圖4為各種燃?xì)獾闹饾舛取?/p>

圖4 燃?xì)?空氣混合物的Sn與燃?xì)夂康年P(guān)系

2.2.2 合適的混合氣流速

燃燒穩(wěn)定時(shí)，內(nèi)焰是靜止的火焰焰面，形狀近似正錐體，焰面上各點(diǎn)法向傳播速度Sn與該點(diǎn)的氣流速度的法向分量Vn相等。

將（2）、（3）代入（1）得：

根據(jù)上式測出混合氣體流量L、火焰高度h和管口半徑r便可求出法向火焰?zhèn)鞑ニ俣取?/p>

當(dāng)Vn>Sn時(shí)，火焰會(huì)程離焰狀態(tài)。

當(dāng)Vn′

因此，要獲得穩(wěn)定火焰的微焰燃燒，氣體流速，燃?xì)庀鄬舛?，混合度，點(diǎn)火環(huán)都是必不可少的關(guān)鍵要素。

2 微焰燃燒器CFD分析

以氣源為甲烷的一微焰燃燒器模型為例作CFD分析。

2.1 100 %設(shè)計(jì)熱負(fù)荷狀態(tài)分析結(jié)果，見圖5、6

圖5 各火孔的CH4平均摩爾分?jǐn)?shù)曲線圖

圖6 各火孔的平均速度曲線圖

2.2 30 %設(shè)計(jì)負(fù)荷狀態(tài)下的CFD分析結(jié)果，見圖7、8

圖7 各火孔的CH4平均摩爾分?jǐn)?shù)曲線圖

圖8 各火孔的平均速度曲線圖

由以上CFD分析結(jié)果可知，該燃燒器左測燃?xì)鉂舛雀?，流速高，火孔熱?qiáng)度高。右側(cè)燃?xì)鉂舛鹊停魉俚?，火孔熱?qiáng)度低。

3 微焰燃燒器樣品燃燒試驗(yàn)

下面以甲烷作為能源對該微焰燃燒器樣品投入試驗(yàn)與CFD結(jié)構(gòu)作對比分析。圖9為一調(diào)整前燃燒器A在30 %負(fù)荷狀態(tài)不同氧含量下的火焰狀態(tài)：

圖9 30 %額定熱負(fù)荷火焰狀況圖

由圖9及表1可見，燃燒器右端火焰比左端火焰高,O2在14.5 %含量時(shí)，火焰處于回火的臨界狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)火焰已經(jīng)在燃燒器火孔根部燃燒，所以煙氣偏高；隨著O2含量的增大，火焰慢慢伸出火孔，在O2含量在15 %時(shí)，左端火焰處于較好狀態(tài)，但是右端點(diǎn)火環(huán)被破壞火焰已經(jīng)開始脫離火孔，出現(xiàn)了離焰狀態(tài)，總體煙氣排放受到右端離焰的影響，依然達(dá)不到理想狀態(tài)。當(dāng)O2含量到達(dá)17 %時(shí)，右端火焰開始熄滅。因?yàn)榛鹧嫫秸炔?，整體火焰總是達(dá)不到平衡點(diǎn)，導(dǎo)致煙氣排放高，熱釋放不均勻，火焰不穩(wěn)，燃燒余量小。

表1 30 %額定熱負(fù)荷不同氧含量下在排煙管口處測得的煙氣含量

表2 -100 %額定熱負(fù)荷不同氧含量下在排煙管口處測得的煙氣含量

因影響火焰高度的因素有：①火焰?zhèn)鞑ニ俣?；②混合氣體流速。由此可得，右端火焰?zhèn)鞑ニ俣刃∮跉怏w流速，左端火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥跉怏w流速度，即：S左-V左>0；S右-V右<0。

根據(jù)火焰穩(wěn)定性原理可知，影響火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蛩赜校夯旌蠚庵腥細(xì)鉂舛?，混合氣的預(yù)熱溫度，反應(yīng)環(huán)境壓力。因?yàn)槭峭画h(huán)境下分析，所以可以忽略環(huán)境壓力的影響，我們從燃?xì)鉂舛?，預(yù)熱溫度，氣體流速出發(fā)，作以下分析：①從火焰清晰度及顏色看，我們可以判斷出一次空氣系數(shù)a>1,但是因?yàn)檎w火焰顏色差別不大，暫時(shí)無法判斷一次空氣系數(shù)a左和a右哪個(gè)大。②通過更改布風(fēng)，封堵左端二次風(fēng)，對火焰狀態(tài)改變不明顯，可以暫不考慮溫度的影響。③可以大致認(rèn)為，本次火焰狀態(tài)歸根于燃?xì)鉂舛群突旌蠚饬魉佟?/p>

據(jù)以上分析，可以初步判斷出以下兩種可能：①左端流道阻力大于右端流道；②左端燃?xì)鉂舛缺扔叶烁呄蚶碚撊紵隣顟B(tài)。

圖10為100 %負(fù)荷狀態(tài)不同氧含量下的火焰狀態(tài)圖。

圖10 100 %額定熱負(fù)荷火焰狀況圖

由圖10可見，燃燒器在大負(fù)荷下依然是右端火焰比左端火焰高,O2含量在11 %時(shí)，火焰顏色程淡紫色，隨著O2含量的減少，顏色由紫到藍(lán)再到綠，顏色越來越亮，因?yàn)槿毖?，燃燒趨勢越來越小，?dǎo)致火焰高度越來越高，左端高度尤為突出，O2在8 %時(shí)，左端火焰綠得發(fā)亮，而且火焰呈現(xiàn)抖動(dòng)狀態(tài)。隨著火焰高度的增加，NOX排放量也越來越高。整體煙氣排放不理想。根據(jù)以上不同氧含量狀態(tài)下火焰的不同表現(xiàn)可以判斷出，右端的空氣系數(shù)和左端空氣系列比：a右>a左，右端更靠近理論燃燒狀態(tài)。但是火焰高度既和燃?xì)鉂舛扔嘘P(guān)，也和氣流速度有關(guān)，根據(jù)前面的分析已經(jīng)知道燃?xì)庾蠖藵舛缺扔叶藵舛雀撸巧胁荒芘袛嗄囊欢说娜細(xì)饬魉俑?。為了?yàn)證左端與右端的流速差異，投入了以下試驗(yàn)：

圖11為空氣系數(shù)為a=0時(shí)，不同壓力下的火焰狀態(tài)。因?yàn)檗鸪巳細(xì)鉂舛冗@個(gè)影響因素，由圖11可以判斷左端氣體流速大于右端。

由以上分析可以得出：①燃燒右端燃?xì)鉂舛刃∮谧蠖?；②燃燒左端氣體流速大于右端。

5 實(shí)驗(yàn)與CFD結(jié)果對比分析

由以模型CFD結(jié)果及樣品燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可以得出以下結(jié)論：

1）在流速分布上，在空氣系數(shù)為a=0的條件下測得的火焰高度界線及未燃?xì)怏w邊界線和CFD分析得出的流速分布線趨勢一致,表現(xiàn)為流速高位置火焰高，流速低位置火焰低；

2）在燃?xì)鉂舛壬?，CFD分析在空氣系數(shù)為a>1即空氣過剩條件下，燃?xì)鉂舛仍降停鹧娴念伾阶显桨?，而且火焰高度越高，未燃?xì)怏w邊界線越低。

3）在空氣系數(shù)a<1即空氣不足的條件下，燃?xì)鉂舛仍礁哳伾骄G越亮，火焰越高

4）燃?xì)鉂舛炔痪傲魉俜植疾痪那闆r下，火焰穩(wěn)定性余量小，煙氣排放高，過剩空氣系數(shù)可選范圍小，燃?xì)鉂舛群土魉倬鶆?，火焰穩(wěn)定性好，煙氣排放低，過?？諝庀禂?shù)可選范圍廣。

結(jié)合理論設(shè)計(jì)，以及樣品試驗(yàn)與模型CFD分析結(jié)果對比，我們可以更快速更精準(zhǔn)的判斷燃燒器的流速分布，濃度分布及混合度狀態(tài)，對燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。根據(jù)其試驗(yàn)與分析結(jié)果，有針對性的對流速分布，濃度分布，混合性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其更加均勻，可以獲得更低的煙氣排放。