一体化空气/甲烷点火器性能研究

张晓宇，罗嘉欣，庄钟淇，田 亮

（1.河北工业大学 校园建设与管理处，天津 300401；2.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401）

目前能源领域的低碳发展已成为共识，给以化石能源为主的传统能源系统带来了巨大挑战[1-2]。天然气与煤和石油相比，燃烧调控性更好[3]，并具备没有粉尘、污染较小[4-5]、利于碳捕集等优势[6]。其作为能源转型的过渡性低碳能源，对我国能源结构调整起到了重要作用[7]，对工业燃烧器提出了更高的要求。

电火花是气体燃料常用点火源[8-10]，其原理即高能脉冲产生高能放电然后形成局部的高温区，产生能迅速加热气流的等离子体。范恩荣[11]利用实验方法研究了等离子体燃烧装置的原理与结构，认为该装置有利于节约燃料，减少污染，在我国必然也会获得广泛应用与推广。刘鹏飞等[12]利用实验不同工作介质质量流量下等离子体射流点火器的气体击穿和维持电弧过程的手段，研究了不同工作介质流量对等离子体点火器射流的影响，发现了射流长度和平均电压等参数随工作介质质量流量的变化关系。其他学者的研究[13-14]也表明等离子体是一种有效的点火方式。现代经济发展，使中国工业炉发展的方式与内容产生了重大变化，工业炉设备技术有了长足的进步[15]。王煜锟等[16]通过对点火器进行变结构、变缩进长度及变混合比的试验，进行了对变结构气氧/气甲烷火炬式点火器设计方案的研究，验证了甲烷点火器设计的可靠性。袁磊等[17]通过求解Navier－Stokes方程组，对不同燃料与氧化剂速度比下的流动燃烧过程进行了数值计算，得出了速度比与燃烧效率之间的关系。

目前针对工业炉中点火器的研究相对较少，为适应天然气在工业炉领域的广泛应用，本文设计了一种集喷注、点火、燃烧一体的点火器，既可以作为点火器实现瞬时点火或常驻火焰，也可以作为烧嘴稳定燃烧。这种点火器结构简单、易加工、成本低，可以根据炉子的功率需求进行布置，扩大功率调节范围。本文重点探讨燃烧器缩进、空气流速与当量比对点火边界及火焰稳定性的影响。

1 测试设备及方法

搭建了一体化空气/甲烷点火器性能测试试验系统，如图1所示。整套试验装置包括供气系统、点火器和控制系统三部分，其中供气系统由气源（甲烷、空气）、减压阀、管路和质量流量控制器组成。

图1 试验系统示意图

本试验采用自行设计的一体化点火器，其结构如图2所示。以甲烷作为燃料开展试验，同轴喷嘴内侧为甲烷，外侧为空气。为了试验方便，该同轴喷嘴设计为缩进可调结构，可以通过旋转中心喷嘴来改变缩进量。缩进量h的定义为甲烷喷嘴出口相对于空气喷嘴出口的水平距离，缩进为正值，突出为负值。甲烷喷嘴内径为1.5 mm，外径为5.5 mm，空气喷嘴外径为7.5 mm。内外喷嘴之间用绝缘材料隔绝利用点火包在内外喷嘴间施加高电压，使得环缝处空气击穿产生电火花，作为引燃燃气的点火源。

图2 点火器结构示意图

2 结果与讨论

2.1 空气流速对等离子体羽流的影响

放电介质为空气时，空气等离子体射流点火器的羽流长度随空气流量变化的趋势如图3所示。羽流长度整体上呈增大趋势。靠近点火器出口高亮区域呈现亮白色，而射流外围为黄色，由于射流外围远离电弧区域，电离作用大大减弱，因此此区域为活性粒子衰减区域，衰减过程中释放能量，呈现黄色。从图中还可以看出，随着流量的增大，外喷嘴环缝处的等离子体越来越饱满。

图3 不同空气流速时等离子体火炬状态对比图

2.2 当量比对熄火极限的影响

在产生等离子体羽流出现后通入甲烷即可将甲烷点燃。任一组工况点燃甲烷后关闭电火花，若甲烷能够持续燃烧，则视该组工况可以稳定燃烧，否则视为不能稳定燃烧。将结果整理到散点图上，如图4所示。可以看出，在缩进量h为2 mm的条件下，随着当量比增大，点火器点火成功的极限当量比也在增大。甲烷流量为0.5 L/min时点火器可以在当量比大于等于1.3时点火成功，而甲烷流量增大到2.0 L/min后，当量比需要增加到2.2才能实现点火成功。由此可见，当量比越高，点火成功的甲烷流量范围越大。

图4 缩进量h=2 mm时的试验结果散点图

2.3 喷嘴缩进的影响

不同喷嘴缩进量的火焰燃烧状态如图5所示。其中图5（b）中速度比Rv为3时关闭电火花火焰立即熄灭，故图中未能显示火焰。

图5 不同喷嘴缩进量的火焰燃烧状态对比图

速度比Rv为4时，图5（a）中有缩进的火焰能够持续稳定，火焰长度较长且整体呈蓝色，而图5（b）中无缩进的火焰长度变化不大但黄色部分增多；速度比Rv为3.5时，有缩进火焰长度较长且整体依旧呈蓝色，而无缩进的火焰整体呈现橘黄色，属于典型的扩散燃烧火焰，说明甲烷与空气掺混效果较差，且火焰长度有明显缩短。在缩进量h=0 mm工况下，甲烷能够稳定燃烧的速度比Rv范围为4～3.5，比缩进量h=1 mm工况的速度比Rv范围4～2.5小，可见采用缩进的方式在一定程度上提高了火焰稳定性。

当速度比Rv为3时，有缩进的火焰依旧能够持续稳定，但无缩进的火焰无法稳定。图6给出了电火花关闭前后的火焰情况，在电火花关闭前，火焰根部与电火花形成的等离子体火炬相连接，火焰依靠电火花来维持自身的燃烧。电火花关闭时，等离子体火炬消失，火焰逐渐熄灭。由此可见，等离子体在维持燃烧方面起到了稳定点火源的作用。

图6 点火器缩进量h=0 mm时的火焰变化过程图

3 总结与展望

本文对一体化空气/甲烷点火器性能进行了试验研究，根据试验结果得出以下结论：

（1）空气流速增大，等离子体火炬的长度与明亮度都略有提高，可增加甲烷与高温等离子体的接触及反应范围，点燃的可靠性和成功率也会随之增加；

（2）通过试验获得了该一体化点火器的稳燃边界，点火成功范围随甲烷流量和当量比的增加而提高。该点火器在当量比大于2或甲烷流量大于2 L/min的条件下能够实现稳定点火。

（3）采用缩进的方式能够促进火焰的扩散燃烧，同时使火焰根部更靠近喷嘴出口，有效地提高了火焰的稳定性并扩大了火焰稳定燃烧的速度比范围。