微焰燃烧器火焰稳定性实验与CFD分析对比探讨

2023-12-22余艺源罗伟平

日用电器 2023年11期

余艺源罗伟平

（广东万和新电气股份有限公司佛山 528325）

引言

随着家用燃气具氮氧化物排放指标的收紧，低氮排放产品成为了市场主流。目前市场上主流的低氮排放技术主要为水冷燃烧，全预混燃烧，浓淡燃烧，微焰燃烧。微焰燃烧主要通过降低火焰温度及火焰高度，避开燃烧峰值温度及减少N2在高温烟中停留的时间来达到低氮排放的目的。因其制造成本低，产品结构的兼容性好与普通燃烧器切换方便，备受行业各企业青睐，但微焰燃烧实则是偏向全预混但一次空气系数过剩的一种大气式燃烧,无论是在气体流速控制或者燃气浓度控制上要求都非常高，火焰稳定性较普通大气式燃烧器难以实现，因此对其火焰稳定性进行研究十分重要。先进行CFD流体分析再做样品试验验证。这样可以提高成品的成功率，降低开发成本和节省开发时间。本文通过一微焰燃烧器进行CFD流体分析，以及对其样件进行针对性试验验证，旨在通过CFD流体分析及实验验证双向对比分析，更精准快速地判断燃烧器的设计状态，对燃烧器的优化设计具有重要意义。

1 微焰燃烧的意义与稳定性原理

燃气采暖炉中NOX生成分为三种影响因素：热力型，快速型，燃料型。而90 %的NOX来自于热力型，因此以下研究旨在降低热力型的NOX生成。

热力型NOX(T-NOX)：热力型NOX是由空气中的N2在高温下氧化生成的。影响因素主要是温度、时间和O2浓度：温度对热力型NOX的影响是非常明显的，当燃烧温度升高时，T-NOX生成量增加（见图1）；温度对烟气的影响是在高温下停留时间越长，NOX生成量越多；热力型NOX生成量与氧浓度的平方根成正比，但过剩空气系数的增加，一方面会增加O2浓度，另一方面会使火焰温度降低，从总的趋势来看,随着过剩空气系数的增加，NOX的生成量先增加到一个极值后会下降（见图2）；在实际燃烧中即使燃烧过程的平均过剩空气系数大于理论值（α>1），也会由于混合度不好，从而存在燃料过浓区，从而影响NOX的生成。

图1 CO & NOX产生对应的温度曲线图

图2 NOX产生对应的空气系数曲线图

基于以上NOX的生成机制，减少NOX排放的主要途径：

1）尽可能降低燃烧温度；

2）减少N2在高温区的停流时间。

3）提高混合气的混合度。

由图1可知，火焰温度越高，NOX生成率越高，相反CO在燃烧温度过低时燃烧不充分，含量急剧上升。在1 360 ℃左右有一个理想的交点。由图2可知，当空气系数a=1时燃烧火焰达到了峰值温度，此时的NOX排放达到了最高点。所以要获得低排放，一次空气系数就尽可能的避开0.7～1.3区间，把燃烧火焰温度控制在交点附近。

微焰燃烧就是通过提高一次空气系数避开燃烧峰值温度及减少火焰高度来控制烟气中的N2在火焰高温区停流时间来达到低排放的目的。所以火焰温度及高度是微焰燃烧的核心因素，如何获得较低温度及高度的微火焰是实现低排放的根本所在。

1.1 微焰燃烧原理

影响火焰高度的主要因素为：①火焰传播速度；②混合气流速。所以要实现微焰燃烧，就要提高火焰传播速度，降低混合气流速。影响火焰传播速度的因素主要有：①混合气中燃气浓度；②混合气的预热温度；③反应环境压力。因为我们研究的产品为同一测试环境，压力对火焰传播速度暂不作考虑。因此混合气的预热温度越高，火焰传播越快；燃气浓度在接近理论燃烧状态时，火焰传播速度最大。图3、4为同一气体流速下，不同浓度对应的火焰传播速度，及火焰高度表现。

图3 火焰高度图

由图3可知，天然气的浓度趋向理论燃烧时，其火焰传播速度最快，火焰最矮，但此时温度也是最高的，综合图2，图3，一次空气系数宜大于1.3，所以微焰燃烧实则就是更偏向全预混的空气过剩状态的大气式燃烧。要使空气系数大于1.3，又不离焰，其气体流速控制要求及空燃混合气混合度要求是非常高。因此在这种高要求之下，火焰稳定性余量很难做大，对其研究极其重要。

2.2 燃烧火焰的稳定机理

燃烧火焰不稳定性的表象可为：脱火（离焰），回火，黄焰（光焰），黑烟，淬熄（离熄），火焰抖动，燃烧振荡等。微焰燃烧属部分预混式燃烧，其火焰也就是本生火焰，本生火焰的稳定条件主要为:①合适的燃气浓度；②气体的法向流速等于火焰的法向传播速度；③存在稳定的点火环。

2.2.1 合适的浓度

对于甲烷而言，能产生稳定火焰燃气浓度为（5～15）%，假如混合气体的燃气浓度大于着火浓度上限，火焰就不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，而形成扩散式燃烧。假如混合气中的燃气浓度低于着火下限，则该气流根本不可能燃烧。图4为各种燃气的着火浓度。

图4 燃气-空气混合物的Sn与燃气含量的关系

2.2.2 合适的混合气流速

燃烧稳定时，内焰是静止的火焰焰面，形状近似正锥体，焰面上各点法向传播速度Sn与该点的气流速度的法向分量Vn相等。

将（2）、（3）代入（1）得：

根据上式测出混合气体流量L、火焰高度h和管口半径r便可求出法向火焰传播速度。

当Vn>Sn时，火焰会程离焰状态。

当Vn′

因此，要获得稳定火焰的微焰燃烧，气体流速，燃气相对浓度，混合度，点火环都是必不可少的关键要素。

2 微焰燃烧器CFD分析

以气源为甲烷的一微焰燃烧器模型为例作CFD分析。

2.1 100 %设计热负荷状态分析结果，见图5、6

图5 各火孔的CH4平均摩尔分数曲线图

图6 各火孔的平均速度曲线图

2.2 30 %设计负荷状态下的CFD分析结果，见图7、8

图7 各火孔的CH4平均摩尔分数曲线图

图8 各火孔的平均速度曲线图

由以上CFD分析结果可知，该燃烧器左测燃气浓度高，流速高，火孔热强度高。右侧燃气浓度低，流速低，火孔热强度低。

3 微焰燃烧器样品燃烧试验

下面以甲烷作为能源对该微焰燃烧器样品投入试验与CFD结构作对比分析。图9为一调整前燃烧器A在30 %负荷状态不同氧含量下的火焰状态：

图9 30 %额定热负荷火焰状况图

由图9及表1可见，燃烧器右端火焰比左端火焰高,O2在14.5 %含量时，火焰处于回火的临界状态，因为此时火焰已经在燃烧器火孔根部燃烧，所以烟气偏高；随着O2含量的增大，火焰慢慢伸出火孔，在O2含量在15 %时，左端火焰处于较好状态，但是右端点火环被破坏火焰已经开始脱离火孔，出现了离焰状态，总体烟气排放受到右端离焰的影响，依然达不到理想状态。当O2含量到达17 %时，右端火焰开始熄灭。因为火焰平整度差，整体火焰总是达不到平衡点，导致烟气排放高，热释放不均匀，火焰不稳，燃烧余量小。

表1 30 %额定热负荷不同氧含量下在排烟管口处测得的烟气含量

表2 -100 %额定热负荷不同氧含量下在排烟管口处测得的烟气含量

因影响火焰高度的因素有：①火焰传播速度；②混合气体流速。由此可得，右端火焰传播速度小于气体流速，左端火焰传播速度大于气体流速度，即：S左-V左>0；S右-V右<0。

根据火焰稳定性原理可知，影响火焰传播速度因素有：混合气中燃气浓度，混合气的预热温度，反应环境压力。因为是同一环境下分析，所以可以忽略环境压力的影响，我们从燃气浓度，预热温度，气体流速出发，作以下分析：①从火焰清晰度及颜色看，我们可以判断出一次空气系数a>1,但是因为整体火焰颜色差别不大，暂时无法判断一次空气系数a左和a右哪个大。②通过更改布风，封堵左端二次风，对火焰状态改变不明显，可以暂不考虑温度的影响。③可以大致认为，本次火焰状态归根于燃气浓度和混合气流速。

据以上分析，可以初步判断出以下两种可能：①左端流道阻力大于右端流道；②左端燃气浓度比右端更趋向理论燃烧状态。

图10为100 %负荷状态不同氧含量下的火焰状态图。

图10 100 %额定热负荷火焰状况图

由图10可见，燃烧器在大负荷下依然是右端火焰比左端火焰高,O2含量在11 %时，火焰颜色程淡紫色，随着O2含量的减少，颜色由紫到蓝再到绿，颜色越来越亮，因为缺氧，燃烧趋势越来越小，导致火焰高度越来越高，左端高度尤为突出，O2在8 %时，左端火焰绿得发亮，而且火焰呈现抖动状态。随着火焰高度的增加，NOX排放量也越来越高。整体烟气排放不理想。根据以上不同氧含量状态下火焰的不同表现可以判断出，右端的空气系数和左端空气系列比：a右>a左，右端更靠近理论燃烧状态。但是火焰高度既和燃气浓度有关，也和气流速度有关，根据前面的分析已经知道燃气左端浓度比右端浓度高，但是尚不能判断哪一端的燃气流速高。为了验证左端与右端的流速差异，投入了以下试验：

图11为空气系数为a=0时，不同压力下的火焰状态。因为摒除了燃气浓度这个影响因素，由图11可以判断左端气体流速大于右端。

由以上分析可以得出：①燃烧右端燃气浓度小于左端；②燃烧左端气体流速大于右端。