關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)火焰穩(wěn)定問(wèn)題的探討
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1 引 言
在民用燃具的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，明確要求燃?xì)馊紵髟?0.5～1.5)倍燃?xì)忸~定壓力下工作時(shí)不得出現(xiàn)回火與脫火。由于現(xiàn)在的民用燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)幾乎都采用大氣式燃燒方式，這種燃燒方式雖然比擴(kuò)散燃燒能獲得更高的燃燒溫度、燃燒更為強(qiáng)烈，但它的不足之處是存在回火的可能性，且脫火趨勢(shì)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(gè)描述回火條件的無(wú)因次準(zhǔn)則，利用這個(gè)準(zhǔn)則，可以幫助我們把一種燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)上得到的防止回火的實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果，推廣到結(jié)構(gòu)相同燃用其它燃?xì)獾纳镔|(zhì)燃燒機(jī)上，以達(dá)到加快科研進(jìn)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(jī)火孔布置形式、一次空氣系數(shù)對(duì)脫火的影響，由于脫火強(qiáng)烈依賴(lài)于火孔的布置形式，因此對(duì)脫火要導(dǎo)出一個(gè)無(wú)因次判斷準(zhǔn)則很困難。
2 回火及回火臨界準(zhǔn)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(jiàn)圖1）在大尺寸的深火孔內(nèi)可燃混合氣的流動(dòng)呈現(xiàn)為完全發(fā)展的層流運(yùn)動(dòng)，其流動(dòng)速度U的分布曲線力：
當(dāng)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(shí)氣流在邊界區(qū)域的速度梯度也隨之減小，便會(huì)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(huì)沿S。>U的區(qū)域回傳進(jìn)入生物質(zhì)燃燒機(jī)，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(gè)能表征火焰回火條件的無(wú)因次準(zhǔn)則數(shù)呢？我們來(lái)觀察圖1。回火的臨界條件應(yīng)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(duì)應(yīng)于無(wú)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?xì)鉄o(wú)關(guān)。所以，用它來(lái)表征回火條件是恰當(dāng)?shù)摹?br />
(1)準(zhǔn)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(dòng)工況U、燃燒特性S。與6、火孔尺寸D、生物質(zhì)燃燒機(jī)運(yùn)行工況ai(一次空氣系數(shù)ai直接影響到Sn)對(duì)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(dǎo)出來(lái)的回火臨界條件U8/ SnD一Co，臨界值Co與燃用的燃?xì)鉄o(wú)關(guān)。這個(gè)結(jié)論十分重要。它使我們有可能把某種燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)上測(cè)得的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)直接應(yīng)用到燃用其它燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)相同的生物質(zhì)燃燒機(jī)上。
(3)當(dāng)火孔平均流速U下降（熱負(fù)荷降低）；燃?xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萐n增大，熄火距離6減小（燃用S。大的燃?xì)猓┐骯1…，．）；火孔直徑D增大均會(huì)使準(zhǔn)則數(shù)U渺SnD減小，并最終導(dǎo)致回火的發(fā)生。
真實(shí)的民用生物質(zhì)燃燒機(jī)是小尺寸、淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)，它與經(jīng)典回火理論所討論的情況會(huì)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(jī)上，火焰對(duì)火孔的加熱會(huì)比單火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)強(qiáng)烈得多，從而導(dǎo)致火孔壁溫升高。火孔壁溫升高直接導(dǎo)致熄火距離6下降（見(jiàn)表3），并使可燃混合氣初溫上升。使火焰?zhèn)鞑ニ俣萐。增大（見(jiàn)表4）。為了反映火孔壁溫升高對(duì)回火的影響，我們引進(jìn)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(jī)上大多使用小尺寸的淺火孔（火孔相對(duì)深度約1～3），此時(shí)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(yùn)動(dòng)。這種速度分布的特點(diǎn)是氣流邊界速度梯度變大而中部平坦（見(jiàn)圖2），生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)性變大。此時(shí)氣流邊界速度梯度的大小己不是判斷回火的依據(jù)，還應(yīng)再校核氣流中部流速（近似回火孔平均流速U來(lái)表示）的大小。當(dāng)U> Sn，不會(huì)回火；U< Sn，回火發(fā)生（回火的補(bǔ)充條件）。
(3)各火孔流量分配
在多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)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(fù)荷下便首先出現(xiàn)回火，多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)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(zhǔn)則需再作修正：
k4完全取決于生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火孔流量分配不均在高負(fù)荷下較大，而在發(fā)生回火的低負(fù)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(jī)的結(jié)構(gòu)系數(shù)，因此對(duì)某種給定結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)燃燒機(jī)來(lái)講，無(wú)論燃用何種燃?xì)馄浠鼗鹋R界準(zhǔn)則數(shù)C應(yīng)是一常數(shù)，其值必須通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
假定已掌握引射式灶具天然氣生物質(zhì)燃燒機(jī)，其運(yùn)行參數(shù)（設(shè)計(jì)負(fù)荷下）是a1 - 0.6，火孔出口平均流速U -1. 2m/s，火孔當(dāng)量直徑D-3 mm。由試驗(yàn)測(cè)得燃用天然氣時(shí)其回火臨界負(fù)荷為15%額定負(fù)荷。由此我們可以推算出燃用焦?fàn)t氣時(shí)該結(jié)構(gòu)燃燒器的工作參數(shù)，并能滿足回火臨界負(fù)荷為20%額定負(fù)荷（自定）的要求。
設(shè)計(jì)計(jì)算的步是確定燃用天然氣時(shí)該燃燒器的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)。在回火臨界負(fù)荷下U - 1.2×15%一0.18 m/s；由于引射式生物質(zhì)燃燒機(jī)具有自調(diào)節(jié)特性，所以可近似認(rèn)為生物質(zhì)燃燒機(jī)工作的a，在負(fù)荷變化時(shí)維持恒定．在ai一0.6時(shí)對(duì)應(yīng)于Sn一0.08 m/s（見(jiàn)表2）；天然氣艿一2.5 mm（見(jiàn)表1），則回火臨界準(zhǔn)則數(shù)c值為考基一0.18X 235一1.875且滿足U≥Sn。考慮到焦?fàn)t氣容易回火，生物質(zhì)燃燒機(jī)的運(yùn)行參數(shù)暫取作火孔當(dāng)量直徑D - 2.0，一次空氣ai—0．5，焦?fàn)t氣6—1.3 mm，按式(7)計(jì)算其回火臨界準(zhǔn)則數(shù)：
這是在回火臨界負(fù)荷下的值，在設(shè)計(jì)負(fù)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(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：ai一0.5，UJD一2.45m/s，D一2.0，回火臨界負(fù)荷為20%額定負(fù)荷。當(dāng)選用不同的ai與D值時(shí)便可計(jì)算出其他的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)
為噴嘴前工作壓力，燃用焦?fàn)t氣時(shí)考慮到燃?xì)馔ǖ赖淖枇p失，H取作700 Pa；弘為噴嘴流量系數(shù)，取弘一0.8; Fop為無(wú)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?fàn)t氣相對(duì)比重S- 0.36，理論空氣量VO一4.21,生物質(zhì)燃燒機(jī)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(shí)，引射式生物質(zhì)燃燒機(jī)能獲得的火孔出口流速Um見(jiàn)表7。比較表6與表7可知，只有火孔流速Um大于（或等于）計(jì)算所需火孔流速UP時(shí)，所選擇的生物質(zhì)燃燒機(jī)工作點(diǎn)才是可行的。按上述計(jì)算，我們最終確定了燃用焦?fàn)t氣時(shí)的工作點(diǎn)（見(jiàn)表8），運(yùn)行表明生物質(zhì)燃燒機(jī)可在25%額定負(fù)荷下運(yùn)行而不發(fā)生回火。
采用回火臨界準(zhǔn)則數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還需再說(shuō)明以下幾點(diǎn)：
(1)燃用天然氣、液化石油氣（火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊偷娜細(xì)猓┑拿裼蒙镔|(zhì)燃燒機(jī)上容易實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下防止回犬的要求（以實(shí)現(xiàn)大的負(fù)荷調(diào)節(jié)比）。
(2)不同結(jié)構(gòu)生物質(zhì)燃燒機(jī)的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)C各不相同，影響因素眾多，難于理論計(jì)算，只有依賴(lài)試驗(yàn)定出。
(3)生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次空氣系數(shù)很重要，在燃用碳?xì)浠衔锖扛叩娜細(xì)馊沾纾紫纫苊獬霈F(xiàn)黃焰，另外還應(yīng)選在火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓徛膮^(qū)間。以焦?fàn)t氣為例，當(dāng)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(duì)變化比較平坦（見(jiàn)表2），所以ai宜選在0.5附近，以避免生物質(zhì)燃燒機(jī)實(shí)際運(yùn)行的ai偏離設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)回火帶來(lái)大的影響。
(4)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細(xì)猓乐够鼗鹗莻€(gè)重要問(wèn)題，必須謹(jǐn)慎對(duì)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(dāng)火焰根部距火孔端面的距離大于以值時(shí)則稱(chēng)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(shí)民用生物質(zhì)燃燒機(jī)上大多采用a．<1的運(yùn)行工況，此時(shí)射流邊界層的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n分布曲線會(huì)有明顯的變化。在邊界層幻范圍內(nèi)o點(diǎn)是射流的外邊界點(diǎn)，在o點(diǎn)的燃?xì)鉂舛葢?yīng)為零,b點(diǎn)是射流核心區(qū)的外邊界點(diǎn)，6點(diǎn)的燃?xì)鉂舛葢?yīng)是可燃混氣中的燃?xì)鉂舛菿o，且Ko= 11 (1+a1%)。可以認(rèn)為在幻范圍內(nèi)燃?xì)鉂舛菿呈直線分布，即：
可見(jiàn)生物質(zhì)燃燒機(jī)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(yùn)行也表明減小僅，是消除脫火的有力措施。
除去a，對(duì)脫火有明顯影響外，脫火也強(qiáng)烈依賴(lài)于火孔的分布形式。在葉輪式火蓋爐具生物質(zhì)燃燒機(jī)上良好的火焰穩(wěn)定性能是由于各火焰之間相互強(qiáng)制循環(huán)點(diǎn)燃的結(jié)果。
5 結(jié) 語(yǔ)
(1)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細(xì)鈺r(shí)防止回火顯得特別重要，本文提出的回火判斷準(zhǔn)則，對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)者將會(huì)有一定的幫助。
(2)實(shí)際使用的小尺寸淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)性比大尺寸深火孔的單火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)明顯增大。
(3)脫火強(qiáng)烈依賴(lài)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(jī)上較好的解決了脫火問(wèn)題這種火孔布置方式值得借鑒。
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