天然氣部分預混燃燒的火焰離焰特性實驗

張楊竣 秦朝葵

同濟大學機械與能源工程學院

部分預混燃燒的火焰離焰特性研究是燃氣火焰特性研究的重要課題。一方面，離焰火焰廣泛應用于燃燒領域，如商用大鍋灶利用離焰噴射火焰增大火焰與火孔間的距離，從而降低高溫火焰對火孔面的損傷［1－3］。另一方面，民用大氣式燃燒器中的火焰離焰則屬于一種必須避免的火焰不穩(wěn)定現(xiàn)象，會導致吹熄、不完全燃燒、燃燒溫度過低等，嚴重影響其正常使用。近年來，隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的城市開始供應天然氣。然而，當用天然氣置換人工煤氣時，會使得末端用戶（如民用大氣式燃燒器）出現(xiàn)嚴重的天然氣互換性問題，出現(xiàn)火焰離焰和不完全燃燒情況。研究部分預混燃燒器的火焰離焰特性，對于應對我國各大城市天然氣互換性問題，特別是針對數(shù)量龐大的民用燃具，意義非同尋常［4－7］。

離焰火焰會影響焰面內(nèi)部的紊流化學反應、熱傳遞和火焰結(jié)構(gòu)形態(tài)變化等因素，一直是研究的重點，大量的科學文獻對各種燃燒方式的火焰離焰特性及其穩(wěn)定機理進行了研究，探討了火焰離焰及其穩(wěn)定受到多方面因素的影響，包括燃燒器邊界條件、火孔氣流出口速度、同流空氣速度、氣流混合物溫度、一次空氣系數(shù)、燃氣稀釋氣特性和燃氣種類等［8－32］。從國內(nèi)外文獻所關注的重點來看，較少的研究涉及大氣式燃燒器在不同天然氣氣質(zhì)組分下的火焰離焰特性及其影響因素討論。本文對天然氣組分變化導致的部分預混燃燒器之火焰離焰特性進行了實驗研究，分析影響燃燒器出現(xiàn)火焰離焰情況的不同因素，重點討論了離焰火焰發(fā)生與燃燒器頭部溫度的關系和天然氣組分對火焰離焰特性的影響。

1 實驗介紹

為研究采用預混燃燒方式（即大氣式）民用燃氣灶的火焰離焰特性，設計了一種典型的部分預混燃燒裝置——基準燃燒器（precision test burner，PTB）。首先，對目前國內(nèi)市場上較常見的65臺大氣式燃氣灶進行統(tǒng)計分析，歸納了包括火孔大小、火孔深度、火孔傾角、火孔間距和火孔熱強度等參數(shù)，以此為依據(jù)設計PTB。PTB包括3部分（圖1）：燃燒器頭部、低壓引射段和空燃混合腔。其中燃燒器頭部參數(shù)為：36個圓形火孔，額定火孔熱強度為8W／mm2，火孔直徑為2．5 mm，火孔深度為5mm，火孔傾角為15°，火孔間距為5 mm。為實時監(jiān)測PTB頭部溫度，在其頭部分別布置了3個溫度測點，使用K分度熱電偶分別監(jiān)測頭部內(nèi)預混氣流溫度、頭部表面溫度和火焰根部溫度；3個溫度測點的布置如圖1所示，頭部內(nèi)預混氣流溫度測點位于PTB內(nèi)壁距火孔進口3mm處，頭部表面溫度測點位于PTB火蓋表面中心圓處，火焰根部溫度測點位于PTB兩火孔中間處。

圖1 基準燃燒器設計和頭部溫度測點布置示意圖

PTB測試系統(tǒng)見圖2，包括PTB、空氣流量監(jiān)測和燃氣流量監(jiān)測3部分。實驗所用空氣為壓縮空氣，經(jīng)減壓閥減壓后，流經(jīng)一個滿量程為6m3／h、精度為±0．1%的濕式流量計，進入PTB混合腔；實驗用樣本氣由各單一氣體和管道天然氣（PNG）摻混，自5m3濕式儲罐供入PTB。使用量程為0．001～30L／min、精度為±0．1%的皂膜流量計監(jiān)測樣本氣流量。實驗過程中，調(diào)節(jié)空氣側(cè)和燃氣側(cè)的流量來控制一次空氣系數(shù)，并在PTB頭部設置冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)冷卻水流量來控制頭部燃燒溫度維持在某一特定溫度，測試PTB在不同樣本氣下的火焰離焰極限值，考察其與頭部溫度的關系。

2 結(jié)果與討論

2．1 火焰離焰與頭部溫度的關系

實驗選用管道天然氣（定義為PNG0）和摻混20%氮氣的管道天然氣（定義為PNG20）為樣本氣源，對PTB進行火焰離焰極限值與頭部溫度關系的測試。氣源組分特性如表1所示，兩者的華白數(shù)值相差12．4 MJ／m3。

表1 基準燃燒器測試樣本氣組分特性表

測試方法如下：在不離焰、不回火、無黃焰的情況下，點燃PTB，預熱10～15min后，將燃氣流量調(diào)至某一流量值，空氣流量調(diào)至相應不出現(xiàn)火焰離焰情況下的最大流量值，當燃燒至頭部溫度維持在某一恒定溫度（T0）、且溫度波動范圍在±5℃內(nèi)維持1min時，開啟冷卻水開始測試，利用相機記錄頭部火焰形態(tài)，并同步采集溫度數(shù)據(jù)，當頭部各溫度波動范圍在±5℃維持1min、且火焰形態(tài)不再出現(xiàn)嚴重變化時，測試結(jié)束。

兩種氣源情況下，PTB頭部不同測點的溫度隨著離焰變化情況如圖3所示。在預混燃燒火焰發(fā)生離焰的前后，頭部溫度與火焰離焰程度互為因果關系。隨著頭部溫度的降低，火焰離焰程度加??；反之火焰離焰的加劇同樣會導致燃燒器頭部溫度降低。但最終燃燒器頭部會達到熱平衡，火焰離焰不再加劇，頭部溫度維持穩(wěn)定（圖4）。如圖4所示，較之于PNG0，華白數(shù)和熱值較小的PNG20作為氣源時，PTB出現(xiàn)火焰離焰時的頭部溫度更低；且隨著頭部溫度降低，在相同頭部溫度情況下，PNG20導致PTB頭部出現(xiàn)火焰離焰的火孔比例更大，火焰離焰程度更劇烈。

圖3 基準燃燒器頭部不同測點溫度隨離焰變化情況圖

圖4 基準燃燒器離焰與溫度關系圖

2．2 PTB火焰離焰極限值曲線

實驗對PTB在不同頭部溫度情況下的火焰離焰極限值曲線進行測試，方法如下：點燃燃燒器，在不離焰、不回火、無黃焰的情況下，預熱10～15min；完全預熱后，將燃氣流量調(diào)至某一流量值下，逐漸增大一次空氣系數(shù)，直到火焰出現(xiàn)離焰，并保證頭部溫度穩(wěn)定在某一恒定溫度時，記錄此時的一次空氣值和燃氣流量；在不同的燃氣流量情況下重復這一步驟，實驗過程中始終保持頭部溫度在某一特定溫度下進行。實驗在自行設計的PTB上進行，選用PNG作為實驗氣源，以火孔根部溫度為參照溫度，測試了火焰根部溫度分別為350℃和150℃情況下的基準燃燒器頭部火焰離焰極限值曲線，測試結(jié)果如圖5所示，兩條火焰離焰極限值曲線基本重合。故同一燃燒器在同一氣源情況下的火焰離焰極限值曲線存在且僅有一條，燃燒器火焰離焰極限值曲線只由燃燒器結(jié)構(gòu)和氣源特性決定。當氣源特性給定時，其在燃燒器上的火焰離焰極限值曲線即已確定，不存在同一燃燒器上同一氣源的不同溫度火焰離焰極限值曲線。因此，通過上述討論可以總結(jié)測試預混燃燒器火焰離焰極限值曲線時，必須保證頭部溫度恒定，但不須保證每次測試都在同一溫度情況下進行。這一實驗結(jié)果與戴萬能測試的沼氣摻混石油液化氣（LPG）測試得到的燃燒器頭部火焰離焰極限值曲線結(jié)果不同。

圖5 基準燃燒器不同頭部溫度情況下的火焰離焰極限值曲線圖

根據(jù)上述實驗，對PTB在不同氣源情況下的火焰離焰極限值曲線進行測試。在不離焰、不回火、無黃焰等情況下，預熱10～15min后，測試PTB在不同燃氣和空氣流量下的火焰離焰情況，當燃燒器頭部1／3及以上火孔發(fā)生火焰離焰時即認定為頭部火焰離焰，但必須保證測試時頭部溫度為常值而無需是定值。兩種氣源測試結(jié)果如圖6所示，PNG20作為氣源的火焰離焰極限值曲線位于PNG0作為氣源的火焰離焰極限值曲線下方，PNG20作為氣源不出現(xiàn)火焰離焰的工況區(qū)域相比PNG0要窄，顯然華白數(shù)和熱值較低的氣源更易使得燃燒器出現(xiàn)火焰離焰；且當以華白數(shù)和熱值較大的氣源作為燃燒器初狀態(tài)調(diào)節(jié)氣時，氣源置換成華白數(shù)和熱值較低的氣源，則會使得燃燒器出現(xiàn)火焰離焰，反之則不會。

圖6 基準燃燒器在PNG0和PNG20兩種氣源情況下的離焰極限值曲線圖

將測試得到的不同火焰離焰極限值數(shù)據(jù)在半對數(shù)坐標上作圖，可以發(fā)現(xiàn)，當保持測試火焰離焰極限時頭部溫度為常值時，可得相互平行的直線，并可整理成以下公式：

式中q為燃燒器火孔熱強度，W／mm2；m為火焰離焰曲線斜率常數(shù)（與燃燒器結(jié)構(gòu)相關，當燃燒器結(jié)構(gòu)一定時，m值即為定值）；α為一次空氣系數(shù)；k為火焰離焰極限常數(shù)（與氣源特性相關，給定氣源組分后，k值即為定值）。

根據(jù)AGA提出的各單一氣源火焰離焰常數(shù)值，可以計算出PNG0和PNG20兩種氣源各自的火焰離焰常數(shù)（K）分別為1．2和1．1，而根據(jù)本次實驗測試得到的火焰離焰曲線方程，PNG0和PNG20作為氣源的火焰離焰常數(shù)分別為1．6和1．5。因此，有必要對AGA指數(shù)推導得出的火焰離焰互換預測指數(shù)對我國部分預混燃燒器的互換性預測適用性進行研究。

3 結(jié)論

1）預混燃燒火焰出現(xiàn)離焰時，頭部溫度與火焰離焰程度互為因果；隨著頭部溫度的降低，離焰程度加??；離焰程度加劇則使得燃燒器頭部溫度降低，最終達到熱平衡，離焰程度不再加劇且頭部溫度維持穩(wěn)定。

2）同一燃燒器在同一氣源下的離焰極限值曲線有且僅有一條，燃燒器離焰極限值曲線只由燃燒器結(jié)構(gòu)和氣源特性決定，當氣源特性給定時，其在燃燒器上的離焰極限值曲線即已確定，不存在同一燃燒器上同一氣源的不同溫度離焰極限值曲線；測試預混燃燒器離焰極限值曲線時，必須保證頭部溫度恒定，但不須保證每次測試都在同一溫度情況下進行。

3）貧組分氣源較之于富組分氣源更易導致火焰離焰，出現(xiàn)作為氣源的離焰時頭部溫度較之于富組分情況要低，且隨著頭部溫度降低，火焰離焰程度較富組分情況更劇烈；用貧組分氣源置換富組分氣源時，極易出現(xiàn)作為氣源的離焰，反之則不會。

［1］AGGARWAL S K．Extinction of laminar partially premixed flames［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2009，35（6）：528－570．

［2］LYONS K M．Toward an understanding of the stabilization mechanisms of lifted turbulent jet flames：Experiments［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2007，33（2）：211－231．

［3］LAWN C J．Lifted flames on fuel jets in co－flowing air［J］．Progress in Energy and Combustion Science，2009，35（1）：1－30．

［4］張楊竣，秦朝葵，劉鵬君．LNG互換性及我國天然氣氣質(zhì)管理問題探討［J］．石油與天然氣化工，2012，41（2）：219－222．ZHANG Yangjun，QIN Chaokui，LIU Pengjun．Discussion on LNG interchangeability and natural gas quality management in China［J］．Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（2）：219－222．

［5］楊賢潮，秦朝葵，戴萬能．典型互換性判別法對國內(nèi)燃具適用性的實驗研究［J］．石油與天然氣化工，2012，41（1）：48－52．YANG Xianchao，QIN Chaokui，DAI Wanneng．Experimental research on typical interchangeability discriminance applicability of domestic gas appliance［J］．Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2012，41（1）：48－52．

［6］秦朝葵，吳之覲．多氣源天然氣的互換性問題［J］．天然氣工業(yè)，2009，29（12）：90－93．QIN Chaokui，WU Zhijin．Natural gas interchangeability in Chinese urban gas supply system［J］．Natural Gas Industry，2009，29（12）：90－93．

［7］楊仲卿，郭名女，耿豪杰，等．頁巖氣燃燒器燃燒特性的數(shù)值模擬［J］．天然氣工業(yè)，2013，33（7）：113－117．YANG Zhongqing，GUO Mingnü，GENG Haojie，et al．Numerical simulation of combustion characteristics of shale－gas burners［J］．Natural Gas Industry，2013，33（7）：113－117．

［8］MUNIZ L，MUNGAL M G．Instantaneous flame－stabilization velocities in lifted－jet diffusion flames［J］．Combustion and Flame，1997，111（1／2）：16－31．

［9］CHEN Yungcheng，CHANG Chaichi，PAN Kuolong，et al．Flame lift－off and stabilization mechanisms of nonpremixed jet flames on a bluff－body burner［J］．Combustion and Flame，1998，115（10）：51－65．

［10］WYZGOLIK A，BAILLOT F．Response of the nonpremixed lifted flame to coaxial jet mixing layers ［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2007，31（1）：1583－1590．

［11］GHOSAL S，VERVISCH L．Stability diagram for lift－off and blowout of a round jet laminar diffusion flame［J］．Combustion and Flame，2001，124（4）：646－655．

［12］LEE B J，CHUNG S H．Stabilization of lifted tribrachial flames in a laminar non premixed jet［J］．Combustion and Flame，1997，109（1／2）：163－172．

［13］CHEN Yungcheng，BILGER R W．Stabilization mechanisms of lifted laminar flames in axisymmetric jet flows［J］．Combustion and Flame，2000，123（1／2）：23－45．

［14］MIZOBUCHI Y，TACHIBANA S，SHINIO J，et al．A numerical analysis of the structure of a turbulent hydrogen jet lifted flame［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2002，29（2）：2009－2015．

［15］CESSOU A，MAUREY C，STEPOWSKI D．Parametric and statistical investigation of the behavior of a lifted flame over a turbulent free－jet structure［J］．Combustion and Flame，2004，137（4）：458－477．

［16］SU L K，SUN O S，MUNGAL M G．Experimental investigation of stabilization mechanisms in turbulent，lifted jet diffusion flames［J］．Combustion and Flame，2006，144（3）：494－512．

［17］CHOI B C，CHUNG S H．Autoignited laminar lifted flames of methane，ethylene，ethane，and n－butane jets in co－flow air with elevated temperature［J］．Combustion and Flame，2010，157（12）：2348－2356．

［18］CHOI B C，CHUNG S H．Autoignited laminar lifted flames of methane／hydrogen mixtures in heated co－flow air［J］．Combustion and Flame，2012，159（4）：1481－1488．

［19］WALSH T K，F(xiàn)IELDING J，SMOOKE M D，et al．A comparison of computational and experimental lift－off heights of co－flow laminar diffusion flames［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：357－365．

［20］MIN J，BAILLOT F，GUO H，et al．Impact of CO2，N2or Ar diluted in air on the length and lifting behavior of a laminar diffusion flame［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2011，33（1）：1071－1078．

［21］MIN J，BAILLOT F．Experimental investigation of the flame extinction processes of non－premixed methane flames inside an air co－flow diluted with CO2，N2or Ar［J］．Combustion and Flame，2012，159（12）：3502－3517．

［22］LILLE S，DOBSKI T，BLASIAK W．Visualization of fuel jet in conditions of highly preheated air combustion［J］．Journal of Propulsion and Power，2000，16（4）：595－600．

［23］OLDENHOF E，TUMMERS M J，VEEN E H，et al．Ignition kernel formation and lift－off behavior of jet－in－h(huán)otco－flow flames［J］．Combustion and Flame，2010，157（6）：1167－1178．

［24］LEE W J，SHIN H D．Visual characteristics，including lift－off，of the jet flames in a cross－flow high－temperature burner［J］．Applied Energy，2003，76（1／3）：257－266．

［25］HALTER F，CHAUVEAU C，GKALP I，et al．Analysis of flame surface density measurements in turbulent premixed combustion［J］．Combustion and Flame，2009，156（3）：657－664．

［26］KUMAR S，PAUL P J，MUKUNDA H S．Prediction of flame liftoff height of diffusion／partially premixed jet flames and modeling of mild combustion burners［J］．Combustion Science and Technology，2007，179（10）：2219－2253．

［27］AZZONI R，RATTI S，AGGARWAL S K，et al．The structure of triple flames stabilized on a slot burner［J］．Combustion and Flame，1999，119（1／2）：23－40．

［28］KIM N I，SEO J I，OH K C，et al．Lift－off characteristics of triple flame with concentration gradient［J］．Proceedings of the Combustion Institute，2005，30（1）：367－374．

［29］LEE C E，HWANG C H．An experimental study on the flame stability of LFG and LFG－mixed fuels［J］．Fuel，2007，86（5／6）：649－655．

［30］LEE C E，HWANG C H，LEE H Y．A study on the interchangeability of LFG－LPG mixed fuels with LFG quality in domestic combustion appliances［J］．Fuel，2008，87（3）：297－303．

［31］LEE C E，HWANG C H，HONG S C．Proposal and validation of a new type of flame stability diagram for partially premixed flames［J］．Fuel，2008，87（17／18）：3687－3693．

［32］DAI Wanneng，QIN Chaokui，CHEN Zhiguang，et al．Experimental studies of flame stability limits of biogas flame［J］．Energy Conversion and Management，2012，63：157－161．