dg关于生物质颗粒燃烧机火焰稳定问题

关于生物质颗粒燃烧机火焰稳定问题
1  引    言
    在民用燃具的有关标准中，明确要求燃气燃烧器在(0.5～1.5)倍燃气额定压力下工作时不得出现回火与脱火。由于现在的民用燃气生物质颗粒燃烧机几乎都采用大气式燃烧方式，这种燃烧方式虽然比扩散燃烧能获得更高的燃烧温度、燃烧更为强烈，但它的不足之处是存在回火的可能性，且脱火趋势也增大了。本文从经典的边界速度梯度理论出发，引伸出一个描述回火条件的无因次准则，利用这个准则，可以帮助我们把一种燃气生物质颗粒燃烧机上得到的防止回火的实物试验结果，推广到结构相同燃用其它燃气的生物质颗粒燃烧机上，以达到加快科研进度、节省人力与物力的目的。本文也讨论了生物质颗粒燃烧机火孔布置形式、一次空气系数对脱火的影响，由于脱火强烈依赖于火孔的布置形式，因此对脱火要导出一个无因次判断准则很困难。
2  回火及回火临界准则数的确定
    经典的回火理论是由刘易斯与冯，埃尔伯提出的边界速度梯度理论‘1]，该理论指出（见图1）在大尺寸的深火孔内可燃混合气的流动呈现为完全发展的层流运动，其流动速度U的分布曲线力：
当火孔流速很高日寸，气流在边界区域的速度很大，在火孔内的断面上气流速度大于火焰传播速度（Ul曲线在S。曲线的上方），于是火焰被吹出火孔。不断降低火孔流速时气流在边界区域的速度梯度也随之减小，便会出现火焰传播速度在局部地区大于气流速度，火焰将会沿S。>U的区域回传进入生物质颗粒燃烧机，发生回火。显然，回火的临界条件是气流的边界速度梯度值恰好满足流速线与火焰传播速度线相切（如U2所示）。能否寻找到一个能全面表征火焰回火条件的无因次准则数呢？我们来观察图1。回火的临界条件应是流速线U2与火焰传播速度线Sn相切，即气流的边界速度梯度g与火焰分布速度的变化率（Sn/d）相等：
回火临界条件对应于无因次数-ua为某一常数Co，Co是结构常数（与火孔结构有关），与使用的燃气无关。所以，用它来表征回火条件是恰当的。
    (1)准则数U8/ SnD代表了气流边界速度梯度与火焰传播速度变化率之间的某种比值关系。它体现了流动工况U、燃烧特性S。与6、火孔尺寸D、生物质颗粒燃烧机运行工况ai(一次空气系数ai直接影响到Sn)对回火的综合影响，较为更全面反映了回火的物理本质。
    (2)基于气流边界速度梯度理论推导出来的回火临界条件U8/ SnD一Co，临界值Co与燃用的燃气无关。这个结论十分重要。它使我们有可能把某种燃气生物质颗粒燃烧机上测得的回火临界准则数直接应用到燃用其它燃气结构相同的生物质颗粒燃烧机上。
    (3)当火孔平均流速U下降（热负荷降低）；燃气火焰传播速度Sn增大，熄火距离6减小（燃用S。大的燃气，螬大a1…，．）；火孔直径D增大均会使准则数U渺SnD减小，并较终导致回火的发生。
    真实的民用生物质颗粒燃烧机是小尺寸、浅火孔的多火孔生物质颗粒燃烧机，它与经典回火理论所讨论的情况会出现些差异。
    (1)火孔壁温
    多火孔密集分布的民用生物质颗粒燃烧机上，火焰对火孔的加热会比单火孔生物质颗粒燃烧机强烈得多，从而导致火孔壁温升高。火孔壁温升高直接导致熄火距离6下降（见表3），并使可燃混合气初温上升。使火焰传播速度S。增大（见表4）。为了反映火孔壁温升高对回火的影响，我们引进壁温修正系数k2与k3:
    (2)气流速度分布曲线
    民用生物质颗粒燃烧机上大多使用小尺寸的浅火孔（火孔相对深度约1～3），此时气流在火孔出口端面的速度分布曲线呈现为部分发展的层流运动。这种速度分布的特点是气流边界速度梯度变大而中部平坦（见图2），生物质颗粒燃烧机回火危险性变大。此时气流边界速度梯度的大小己不是判断回火一的依据，还应再校核气流中部流速（近似回火孔平均流速U来表示）的大小。当U> Sn，不会回火；U< Sn，回火发生（回火的补充条件）。
    (3)各火孔流量分配
    在多火孔生物质颗粒燃烧机上由于结构上的原因，常造成各火孔间流量分配不均，流量小的火孔在低负荷下便首先出现回火，多火孔生物质颗粒燃烧机回火危险性自然比单火孔要大。设较小流量火孔的流速Un与火孔平均流速U之比为k4: UYr,一k4U。为了反映各火孔流量分配不均的影响，回火判别准则需再作修正：
    k4完全取决于生物质颗粒燃烧机的结构形式。试验发现火孔流量分配不均在高负荷下较大，而在发生回火的低负荷下要轻微得多。
    需要指出系数ki、k2、k3、幻等均是属于生物质颗粒燃烧机的结构系数，因此对某种给定结构的生物质颗粒燃烧机来讲，无论燃用何种燃气其回火临界准则数C应是一常数，其值必须通过试验来确定。
    假定已掌握引射式灶具天然气生物质颗粒燃烧机，其运行参数（设计负荷下）是a1 - 0.6，火孔出口平均流速U -1. 2m/s，火孔当量直径D-3 mm。由试验测得燃用天然气时其回火临界负荷为15%额定负荷。由此我们可以推算出燃用焦炉气时该结构燃烧器的工作参数，并能满足回火临界负荷为20%额定负荷（自定）的要求。
    设计计算的第一步是确定燃用天然气时该燃烧器的回火临界准则数。在回火临界负荷下U - 1.2×15%一0.18 m/s；由于引射式生物质颗粒燃烧机具有自调节特性，所以可近似认为生物质颗粒燃烧机工作的a，在负荷变化时维持恒定．在ai一0.6时对应于Sn一0.08 m/s（见表2）；天然气艿一2.5 mm（见表1），则回火临界准则数c值为考基一0.18X 235一1.875且满足U≥Sn。考虑到焦炉气容易回火，生物质颗粒燃烧机的运行参数暂取作火孔当量直径D - 2.0，一次空气ai—0．5，焦炉气6—1.3 mm，按式(7)计算其回火临界准则数：
    这是在回火临界负荷下的值，在设计负荷下火孔平均流速UP一0.49×100/20 - 2.45 m/s。由此，得到生物质颗粒燃烧机设计参数：ai一0.5，UJD一2.45m/s，D一2.0，回火临界负荷为20%额定负荷。当选用不同的ai与D值时便可计算出其他的设计工作点
为喷嘴前工作压力，燃用焦炉气时考虑到燃气通道的阻力损失，H取作700 Pa；弘为喷嘴流量系数，取弘一0.8; Fop为较佳无因次切面积比值，Fop—K (l+ai VO)（1-1-  ai矿0／S）我们取常用的II型引射器K - 2.1，焦炉气相对比重S- 0.36，理论空气量VO一4.21,生物质颗粒燃烧机一次空气ai也暂取0.5，代入得Fop一44. 65;将这些值代入式(8)得：
    选择不同的ai时，引射式生物质颗粒燃烧机能获得的较大火孔出口流速Um见表7。比较表6与表7可知，只有较大火孔流速Um大于（或等于）计算所需火孔流速UP时，所选择的生物质颗粒燃烧机工作点才是可行的。按上述计算，我们较终确定了燃用焦炉气时的工作点（见表8），运行表明生物质颗粒燃烧机可在25%额定负荷下运行而不发生回火。
    采用回火临界准则数来进行设计时还需再说明以下几点：
    (1)燃用天然气、液化石油气（火焰传播速度低的燃气）的民用生物质颗粒燃烧机上容易实现低负荷下防止回犬的要求（以实现大的负荷调节比）。
    (2)不同结构生物质颗粒燃烧机的回火临界准则数C各不相同，影响因素众多，难于理论计算，只有依赖试验定出。
    (3)生物质颗粒燃烧机的一次空气系数很重要，在燃用碳氢化合物含量高的燃气日寸，首先要避免出现黄焰，另外还应选在火焰传播速度变化缓慢的区间。以焦炉气为例，当一次空气系数ai≥0.4可避免黄焰，仅·在0.4～0.6间火焰传播速度Sn相对变化比较平坦（见表2），所以ai宜选在0.5附近，以避免生物质颗粒燃烧机实际运行的ai偏离设计值时对回火带来大的影响。
    (4)燃用火焰传播速度高的燃气，防止回火是个重要问题，必须谨慎对待。采用减小火孔尺寸以阻止火焰回火通常难于办到。
3  脱    火
    当火焰根部距火孔端面的距离大于以值时则称作火焰脱火。因此脱火的临界条件便是在I  I断面上气流速度分布曲线与火焰传播速度分布曲线相切。
    在真实民用生物质颗粒燃烧机上大多采用a．<1的运行工况，此时射流边界层的火焰传播速度Sn分布曲线会有明显的变化。在边界层幻范围内o点是射流的外边界点，在o点的燃气浓度应为零,b点是射流核心区的外边界点，6点的燃气浓度应是可燃混气中的燃气浓度Ko，且Ko=  11 (1+a1%)。可以认为在幻范围内燃气浓度K呈直线分布，即：
    可见生物质颗粒燃烧机的一次空气系数a1越小，此变化率越大，即脱火的临界边界速度梯度值越大，越不易脱火。运行也表明减小仅，是消除脱火的有力措施。
    除去a，对脱火有明显影响外，脱火也强烈依赖于火孔的分布形式。在叶轮式火盖炉具生物质颗粒燃烧机上良好的火焰稳定性能是由于各火焰之间相互强制循环点燃的结果。
5  结    语
    (1)燃用火焰传播速度高的燃气时防止回火显得特别重要，本文提出的回火判断准则，对生物质颗粒燃烧机设计者将会有一定的帮助。
    (2)实际使用的小尺寸浅火孔的多火孔生物质颗粒燃烧机回火危险性比大尺寸深火孔的单火孔生物质颗粒燃烧机明显增大。
    (3)脱火强烈依赖于火孔的布置形式（各火焰间的相互影响），在叶轮火盖生物质颗粒燃烧机上较好的解决了脱火问题这种火孔布置方式值得借鉴。