| 關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒機火焰穩(wěn)定問題的探討 |
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鄭州達冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒機火焰穩(wěn)定問題的探討 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com 1 引 言 在民用燃具的有關(guān)標準中，明確要求燃氣燃燒器在(0.5～1.5)倍燃氣額定壓力下工作時不得出現(xiàn)回火與脫火。由于現(xiàn)在的民用燃氣生物質(zhì)燃燒機幾乎都采用大氣式燃燒方式，這種燃燒方式雖然比擴散燃燒能獲得更高的燃燒溫度、燃燒更為強烈，但它的不足之處是存在回火的可能性，且脫火趨勢也增大了。本文從經(jīng)典的邊界速度梯度理論出發(fā)，引伸出一個描述回火條件的無因次準則，利用這個準則，可以幫助我們把一種燃氣生物質(zhì)燃燒機上得到的防止回火的實物試驗結(jié)果，推廣到結(jié)構(gòu)相同燃用其它燃氣的生物質(zhì)燃燒機上，以達到加快科研進度、節(jié)省人力與物力的目的。本文也討論了生物質(zhì)燃燒機火孔布置形式、一次空氣系數(shù)對脫火的影響，由于脫火強烈依賴于火孔的布置形式，因此對脫火要導出一個無因次判斷準則很困難。2 回火及回火臨界準則數(shù)的確定     經(jīng)典的回火理論是由劉易斯與馮，埃爾伯提出的邊界速度梯度理論‘1]，該理論指出（見圖1）在大尺寸的深火孔內(nèi)可燃混合氣的流動呈現(xiàn)為完全發(fā)展的層流運動，其流動速度U的分布曲線力： 當火孔流速很高日寸，氣流在邊界區(qū)域的速度很大，在火孔內(nèi)的斷面上氣流速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋║l曲線在S。曲線的上方），于是火焰被吹出火孔。不斷降低火孔流速時氣流在邊界區(qū)域的速度梯度也隨之減小，便會出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诰植康貐^(qū)大于氣流速度，火焰將會沿S。>U的區(qū)域回傳進入生物質(zhì)燃燒機，發(fā)生回火。顯然，回火的臨界條件是氣流的邊界速度梯度值恰好滿足流速線與火焰?zhèn)鞑ニ俣染相切（如U2所示）。能否尋找到一個能表征火焰回火條件的無因次準則數(shù)呢？我們來觀察圖1；鼗鸬呐R界條件應是流速線U2與火焰?zhèn)鞑ニ俣染Sn相切，即氣流的邊界速度梯度g與火焰分布速度的變化率（Sn/d）相等： 回火臨界條件對應于無因次數(shù)-ua為某一常數(shù)Co，Co是結(jié)構(gòu)常數(shù)（與火孔結(jié)構(gòu)有關(guān)），與使用的燃氣無關(guān)。所以，用它來表征回火條件是恰當?shù)摹?br /> (1)準則數(shù)U8/ SnD代表了氣流邊界速度梯度與火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓手g的某種比值關(guān)系。它體現(xiàn)了流動工況U、燃燒特性S。與6、火孔尺寸D、生物質(zhì)燃燒機運行工況ai(一次空氣系數(shù)ai直接影響到Sn)對回火的綜合影響，較為更反映了回火的物理本質(zhì)。 (2)基于氣流邊界速度梯度理論推導出來的回火臨界條件U8/ SnD一Co，臨界值Co與燃用的燃氣無關(guān)。這個結(jié)論十分重要。它使我們有可能把某種燃氣生物質(zhì)燃燒機上測得的回火臨界準則數(shù)直接應用到燃用其它燃氣結(jié)構(gòu)相同的生物質(zhì)燃燒機上。 (3)當火孔平均流速U下降（熱負荷降低）；燃氣火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n增大，熄火距離6減小（燃用S。大的燃氣，螬大a1…，．）；火孔直徑D增大均會使準則數(shù)U渺SnD減小，并最終導致回火的發(fā)生。 真實的民用生物質(zhì)燃燒機是小尺寸、淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機，它與經(jīng)典回火理論所討論的情況會出現(xiàn)些差異。 (1)火孔壁溫 多火孔密集分布的民用生物質(zhì)燃燒機上，火焰對火孔的加熱會比單火孔生物質(zhì)燃燒機強烈得多，從而導致火孔壁溫升高。火孔壁溫升高直接導致熄火距離6下降（見表3），并使可燃混合氣初溫上升。使火焰?zhèn)鞑ニ俣萐。增大（見表4）。為了反映火孔壁溫升高對回火的影響，我們引進壁溫修正系數(shù)k2與k3: (2)氣流速度分布曲線 民用生物質(zhì)燃燒機上大多使用小尺寸的淺火孔（火孔相對深度約1～3），此時氣流在火孔出口端面的速度分布曲線呈現(xiàn)為部分發(fā)展的層流運動。這種速度分布的特點是氣流邊界速度梯度變大而中部平坦（見圖2），生物質(zhì)燃燒機回火危險性變大。此時氣流邊界速度梯度的大小己不是判斷回火的依據(jù)，還應再校核氣流中部流速（近似回火孔平均流速U來表示）的大小。當U> Sn，不會回火；U< Sn，回火發(fā)生（回火的補充條件）。 (3)各火孔流量分配 在多火孔生物質(zhì)燃燒機上由于結(jié)構(gòu)上的原因，常造成各火孔間流量分配不均，流量小的火孔在低負荷下便首先出現(xiàn)回火，多火孔生物質(zhì)燃燒機回火危險性自然比單火孔要大。設(shè)最小流量火孔的流速Un與火孔平均流速U之比為k4: UYr,一k4U。為了反映各火孔流量分配不均的影響，回火判別準則需再作修正： k4完全取決于生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)形式。試驗發(fā)現(xiàn)火孔流量分配不均在高負荷下較大，而在發(fā)生回火的低負荷下要輕微得多。 需要指出系數(shù)ki、k2、k3、幻等均是屬于生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)系數(shù)，因此對某種給定結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)燃燒機來講，無論燃用何種燃氣其回火臨界準則數(shù)C應是一常數(shù)，其值必須通過試驗來確定。 假定已掌握引射式灶具天然氣生物質(zhì)燃燒機，其運行參數(shù)（設(shè)計負荷下）是a1 - 0.6，火孔出口平均流速U -1. 2m/s，火孔當量直徑D-3 mm。由試驗測得燃用天然氣時其回火臨界負荷為15%額定負荷。由此我們可以推算出燃用焦爐氣時該結(jié)構(gòu)燃燒器的工作參數(shù)，并能滿足回火臨界負荷為20%額定負荷（自定）的要求。 設(shè)計計算的步是確定燃用天然氣時該燃燒器的回火臨界準則數(shù)。在回火臨界負荷下U - 1.2×15%一0.18 m/s；由于引射式生物質(zhì)燃燒機具有自調(diào)節(jié)特性，所以可近似認為生物質(zhì)燃燒機工作的a，在負荷變化時維持恒定．在ai一0.6時對應于Sn一0.08 m/s（見表2）；天然氣艿一2.5 mm（見表1），則回火臨界準則數(shù)c值為考基一0.18X 235一1.875且滿足U≥Sn？紤]到焦爐氣容易回火，生物質(zhì)燃燒機的運行參數(shù)暫取作火孔當量直徑D - 2.0，一次空氣ai—0．5，焦爐氣6—1.3 mm，按式(7)計算其回火臨界準則數(shù)： 這是在回火臨界負荷下的值，在設(shè)計負荷下火孔平均流速UP一0.49×100/20 - 2.45 m/s。由此，得到生物質(zhì)燃燒機設(shè)計參數(shù)：ai一0.5，UJD一2.45m/s，D一2.0，回火臨界負荷為20%額定負荷。當選用不同的ai與D值時便可計算出其他的設(shè)計工作點 為噴嘴前工作壓力，燃用焦爐氣時考慮到燃氣通道的阻力損失，H取作700 Pa；弘為噴嘴流量系數(shù)，取弘一0.8; Fop為無因次切面積比值，F(xiàn)op—K (l+ai VO)（1-1- ai礦0／S）我們?nèi)〕Ｓ玫腎I型引射器K - 2.1，焦爐氣相對比重S- 0.36，理論空氣量VO一4.21,生物質(zhì)燃燒機一次空氣ai也暫取0.5，代入得Fop一44. 65;將這些值代入式(8)得： 選擇不同的ai時，引射式生物質(zhì)燃燒機能獲得的火孔出口流速Um見表7。比較表6與表7可知，只有火孔流速Um大于（或等于）計算所需火孔流速UP時，所選擇的生物質(zhì)燃燒機工作點才是可行的。按上述計算，我們最終確定了燃用焦爐氣時的工作點（見表8），運行表明生物質(zhì)燃燒機可在25%額定負荷下運行而不發(fā)生回火。 采用回火臨界準則數(shù)來進行設(shè)計時還需再說明以下幾點： (1)燃用天然氣、液化石油氣（火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊偷娜細猓┑拿裼蒙镔|(zhì)燃燒機上容易實現(xiàn)低負荷下防止回犬的要求（以實現(xiàn)大的負荷調(diào)節(jié)比）。 (2)不同結(jié)構(gòu)生物質(zhì)燃燒機的回火臨界準則數(shù)C各不相同，影響因素眾多，難于理論計算，只有依賴試驗定出。 (3)生物質(zhì)燃燒機的一次空氣系數(shù)很重要，在燃用碳氫化合物含量高的燃氣日寸，首先要避免出現(xiàn)黃焰，另外還應選在火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓徛膮^(qū)間。以焦爐氣為例，當一次空氣系數(shù)ai≥0.4可避免黃焰，僅·在0.4～0.6間火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n相對變化比較平坦（見表2），所以ai宜選在0.5附近，以避免生物質(zhì)燃燒機實際運行的ai偏離設(shè)計值時對回火帶來大的影響。 (4)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細猓乐够鼗鹗莻重要問題，必須謹慎對待。采用減小火孔尺寸以阻止火焰回火通常難于辦到。 3 脫 火 當火焰根部距火孔端面的距離大于以值時則稱作火焰脫火。因此脫火的臨界條件便是在I I斷面上氣流速度分布曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣确植记相切。 在真實民用生物質(zhì)燃燒機上大多采用a．<1的運行工況，此時射流邊界層的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n分布曲線會有明顯的變化。在邊界層幻范圍內(nèi)o點是射流的外邊界點，在o點的燃氣濃度應為零,b點是射流核心區(qū)的外邊界點，6點的燃氣濃度應是可燃混氣中的燃氣濃度Ko，且Ko= 11 (1+a1%)？梢哉J為在幻范圍內(nèi)燃氣濃度K呈直線分布，即： 可見生物質(zhì)燃燒機的一次空氣系數(shù)a1越小，此變化率越大，即脫火的臨界邊界速度梯度值越大，越不易脫火。運行也表明減小僅，是消除脫火的有力措施。 除去a，對脫火有明顯影響外，脫火也強烈依賴于火孔的分布形式。在葉輪式火蓋爐具生物質(zhì)燃燒機上良好的火焰穩(wěn)定性能是由于各火焰之間相互強制循環(huán)點燃的結(jié)果。 5 結(jié) 語 (1)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細鈺r防止回火顯得特別重要，本文提出的回火判斷準則，對生物質(zhì)燃燒機設(shè)計者將會有一定的幫助。 (2)實際使用的小尺寸淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機回火危險性比大尺寸深火孔的單火孔生物質(zhì)燃燒機明顯增大。 (3)脫火強烈依賴于火孔的布置形式（各火焰間的相互影響），在葉輪火蓋生物質(zhì)燃燒機上較好的解決了脫火問題這種火孔布置方式值得借鑒。 生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com |
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