微焰燃燒器火焰穩定性實驗與CFD分析對比探討

余藝源 羅偉平

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

隨著家用燃氣具氮氧化物排放指標的收緊，低氮排放產品成為了市場主流。目前市場上主流的低氮排放技術主要為水冷燃燒，全預混燃燒，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在高溫煙中停留的時間來達到低氮排放的目的。因其制造成本低，產品結構的兼容性好與普通燃燒器切換方便，備受行業各企業青睞，但微焰燃燒實則是偏向全預混但一次空氣系數過剩的一種大氣式燃燒,無論是在氣體流速控制或者燃氣濃度控制上要求都非常高，火焰穩定性較普通大氣式燃燒器難以實現，因此對其火焰穩定性進行研究十分重要。先進行CFD流體分析再做樣品試驗驗證。這樣可以提高成品的成功率，降低開發成本和節省開發時間。本文通過一微焰燃燒器進行CFD流體分析，以及對其樣件進行針對性試驗驗證，旨在通過CFD流體分析及實驗驗證雙向對比分析，更精準快速地判斷燃燒器的設計狀態，對燃燒器的優化設計具有重要意義。

1 微焰燃燒的意義與穩定性原理

燃氣采暖爐中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、時間和O2濃度：溫度對熱力型NOX的影響是非常明顯的，當燃燒溫度升高時，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，但過剩空氣系數的增加，一方面會增加O2濃度，另一方面會使火焰溫度降低，從總的趨勢來看,隨著過剩空氣系數的增加，NOX的生成量先增加到一個極值后會下降（見圖2）；在實際燃燒中即使燃燒過程的平均過剩空氣系數大于理論值（α>1），也會由于混合度不好，從而存在燃料過濃區，從而影響NOX的生成。

圖1 CO & NOX產生對應的溫度曲線圖

圖2 NOX產生對應的空氣系數曲線圖

基于以上NOX的生成機制，減少NOX排放的主要途徑：

1）盡可能降低燃燒溫度；

2）減少N2在高溫區的停流時間。

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在燃燒溫度過低時燃燒不充分，含量急劇上升。在1 360 ℃左右有一個理想的交點。由圖2可知，當空氣系數a=1時燃燒火焰達到了峰值溫度，此時的NOX排放達到了最高點。所以要獲得低排放，一次空氣系數就盡可能的避開0.7～1.3區間，把燃燒火焰溫度控制在交點附近。

微焰燃燒就是通過提高一次空氣系數避開燃燒峰值溫度及減少火焰高度來控制煙氣中的N2在火焰高溫區停流時間來達到低排放的目的。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現低排放的根本所在。

1.1 微焰燃燒原理

影響火焰高度的主要因素為：①火焰傳播速度；②混合氣流速。所以要實現微焰燃燒，就要提高火焰傳播速度，降低混合氣流速。影響火焰傳播速度的因素主要有：①混合氣中燃氣濃度；②混合氣的預熱溫度；③反應環境壓力。因為我們研究的產品為同一測試環境，壓力對火焰傳播速度暫不作考慮。因此混合氣的預熱溫度越高，火焰傳播越快；燃氣濃度在接近理論燃燒狀態時，火焰傳播速度最大。圖3、4為同一氣體流速下，不同濃度對應的火焰傳播速度，及火焰高度表現。

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，其火焰傳播速度最快，火焰最矮，但此時溫度也是最高的，綜合圖2，圖3，一次空氣系數宜大于1.3，所以微焰燃燒實則就是更偏向全預混的空氣過剩狀態的大氣式燃燒。要使空氣系數大于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，火焰穩定性余量很難做大，對其研究極其重要。

2.2 燃燒火焰的穩定機理

燃燒火焰不穩定性的表象可為：脫火（離焰），回火，黃焰（光焰），黑煙，淬熄（離熄），火焰抖動，燃燒振蕩等。微焰燃燒屬部分預混式燃燒，其火焰也就是本生火焰，本生火焰的穩定條件主要為:①合適的燃氣濃度；②氣體的法向流速等于火焰的法向傳播速度；③存在穩定的點火環。

2.2.1 合適的濃度

對于甲烷而言，能產生穩定火焰燃氣濃度為（5～15）%，假如混合氣體的燃氣濃度大于著火濃度上限，火焰就不可能向中心傳播，藍色錐體就不會出現，而形成擴散式燃燒。假如混合氣中的燃氣濃度低于著火下限，則該氣流根本不可能燃燒。圖4為各種燃氣的著火濃度。

圖4 燃氣-空氣混合物的Sn與燃氣含量的關系

2.2.2 合適的混合氣流速

燃燒穩定時，內焰是靜止的火焰焰面，形狀近似正錐體，焰面上各點法向傳播速度Sn與該點的氣流速度的法向分量Vn相等。

將（2）、（3）代入（1）得：

根據上式測出混合氣體流量L、火焰高度h和管口半徑r便可求出法向火焰傳播速度。

當Vn>Sn時，火焰會程離焰狀態。

當Vn′

因此，要獲得穩定火焰的微焰燃燒，氣體流速，燃氣相對濃度，混合度，點火環都是必不可少的關鍵要素。

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 %設計熱負荷狀態分析結果，見圖5、6

圖5 各火孔的CH4平均摩爾分數曲線圖

圖6 各火孔的平均速度曲線圖

2.2 30 %設計負荷狀態下的CFD分析結果，見圖7、8

圖7 各火孔的CH4平均摩爾分數曲線圖

圖8 各火孔的平均速度曲線圖

由以上CFD分析結果可知，該燃燒器左測燃氣濃度高，流速高，火孔熱強度高。右側燃氣濃度低，流速低，火孔熱強度低。

3 微焰燃燒器樣品燃燒試驗

下面以甲烷作為能源對該微焰燃燒器樣品投入試驗與CFD結構作對比分析。圖9為一調整前燃燒器A在30 %負荷狀態不同氧含量下的火焰狀態：

圖9 30 %額定熱負荷火焰狀況圖

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，火焰處于回火的臨界狀態，因為此時火焰已經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，左端火焰處于較好狀態，但是右端點火環被破壞火焰已經開始脫離火孔，出現了離焰狀態，總體煙氣排放受到右端離焰的影響，依然達不到理想狀態。當O2含量到達17 %時，右端火焰開始熄滅。因為火焰平整度差，整體火焰總是達不到平衡點，導致煙氣排放高，熱釋放不均勻，火焰不穩，燃燒余量小。

表1 30 %額定熱負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火焰傳播速度；②混合氣體流速。由此可得，右端火焰傳播速度小于氣體流速，左端火焰傳播速度大于氣體流速度，即：S左-V左>0；S右-V右<0。

根據火焰穩定性原理可知，影響火焰傳播速度因素有：混合氣中燃氣濃度，混合氣的預熱溫度，反應環境壓力。因為是同一環境下分析，所以可以忽略環境壓力的影響，我們從燃氣濃度，預熱溫度，氣體流速出發，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a>1,但是因為整體火焰顏色差別不大，暫時無法判斷一次空氣系數a左和a右哪個大。②通過更改布風，封堵左端二次風，對火焰狀態改變不明顯，可以暫不考慮溫度的影響。③可以大致認為，本次火焰狀態歸根于燃氣濃度和混合氣流速。

據以上分析，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左端燃氣濃度比右端更趨向理論燃燒狀態。

圖10為100 %負荷狀態不同氧含量下的火焰狀態圖。

圖10 100 %額定熱負荷火焰狀況圖

由圖10可見，燃燒器在大負荷下依然是右端火焰比左端火焰高,O2含量在11 %時，火焰顏色程淡紫色，隨著O2含量的減少，顏色由紫到藍再到綠，顏色越來越亮，因為缺氧，燃燒趨勢越來越小，導致火焰高度越來越高，左端高度尤為突出，O2在8 %時，左端火焰綠得發亮，而且火焰呈現抖動狀態。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。根據以上不同氧含量狀態下火焰的不同表現可以判斷出，右端的空氣系數和左端空氣系列比：a右>a左，右端更靠近理論燃燒狀態。但是火焰高度既和燃氣濃度有關，也和氣流速度有關，根據前面的分析已經知道燃氣左端濃度比右端濃度高，但是尚不能判斷哪一端的燃氣流速高。為了驗證左端與右端的流速差異，投入了以下試驗：

圖11為空氣系數為a=0時，不同壓力下的火焰狀態。因為摒除了燃氣濃度這個影響因素，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燃燒右端燃氣濃度小于左端；②燃燒左端氣體流速大于右端。

5 實驗與CFD結果對比分析

由以模型CFD結果及樣品燃燒實驗結果對比可以得出以下結論：

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

2）在燃氣濃度上，CFD分析在空氣系數為a>1即空氣過剩條件下，燃氣濃度越低，火焰的顏色越紫越暗，而且火焰高度越高，未燃氣體邊界線越低。

3）在空氣系數a<1即空氣不足的條件下，燃氣濃度越高顏色越綠越亮，火焰越高

4）燃氣濃度不均及流速分布不均的情況下，火焰穩定性余量小，煙氣排放高，過剩空氣系數可選范圍小，燃氣濃度和流速均勻，火焰穩定性好，煙氣排放低，過剩空氣系數可選范圍廣。

結合理論設計，以及樣品試驗與模型CFD分析結果對比，我們可以更快速更精準的判斷燃燒器的流速分布，濃度分布及混合度狀態，對燃燒器的優化設計具有重要意義。根據其試驗與分析結果，有針對性的對流速分布，濃度分布，混合性能進行結構優化，使其更加均勻，可以獲得更低的煙氣排放。