中国城市燃气学会应用专业委员会2 0 0 6 年年会论文集燃具火焰稳定性分析王建良 ( 浙江德意意厨具限公司)概述：本文通过对民用燃气具预混燃烧火焰回火，离焰产生机理的分析，阐述了民用燃气具火焰稳定性的主要影响因素及预防措施。关键词：火焰稳定性、回火、离焰、燃烧速度、火孔出口流速、一次空气系数一、引言所谓火焰稳定性，主要是指既不回火，也不离焰、脱火。回火是火焰缩入火孔，在燃烧器内部燃烧的现象。回火会烧坏燃烧器及其它零部件，也可能导致火焰熄灭，造成中毒或爆炸事故。离焰是指火焰局部刚刚脱离火孔的现象，脱火是火焰全部脱离火孔的现象，离焰是脱火的前奏。离焰、脱火破坏了火焰结构，甚至导致火焰熄灭，使未燃烧的燃气向周围扩散，污染大气，还会在密闭空间形成可爆气体，千万中毒或爆炸事故。因此，回火、离焰、脱火在燃具燃烧时是不允许的。二、混混火焰的稳定性分析预混火焰只能在一定的火孔出1 2 1 流速范围内保持稳定。从本质上讲，火焰的稳定，就是火孔出口流速与燃烧速度的对立统一，亦即焰面上每一点的气流在法线上的分速度等于该点上的燃烧速度。垂直于燃烧焰面，火焰向未燃气体方向传播的速度叫燃烧速度。在常温常压下，可燃气体与空气混合物的最大燃烧速度是一物理化学常数。见下表：单一可燃气体与空气混合物的最大燃烧速度单一气体HC 0C H aC 2 H 2C 2 H 4C 2 战C 3 H 6C 3 H 8c 4 H 8C 4 H l o化学式最大燃烧速度p2 ，80 5 60 3 81 5 20 6 70 4 30 50 4 20 4 60 3 8( 7 T L s )一次空气 0 5 70 4 6 0 9 00 8 50 9 00 9 01 01 01 0系数a一次空气系数对燃烧速度影响很大，二者关系见图12 0 8中国城市燃气学会应用专业委员会2 0 0 6 年年会论文集静柴j 划 剥 鬟 篓bbC OG“、 “册U扎ff蠲痧阀纱 纱O 51 0 一次空气系数圈1 不同一次空气系数的燃烧速度火焰在孔中传播时，由于气流的紊动和辐射传热作用，焰面呈弯曲状。令实际观测到的火焰移动速度为w g ，燃烧速度为U ，孔截面积为f J 火焰表面积为F ，那么w d = u f 。孔径越大，焰面的弯曲度 也越大，火焰移动速度也越大。图2 所示为火焰在管中的移动速度随孔径变化的关系。魁 制 薄 谁 岳 轴 挂 螭图2 火焰在管中的移动速度与管径的关系图2 中的d 。是火焰传播终止的临界孔径，此时火焰熄灭，即火焰移动速度为零，也叫熄火孔径或熄火距离。关于孔壁对火焰的熄火作用有两种解释：一种认为，孔径越小，相对散热表面积越大，当孔径小于临界孔径时，散失的热量大于获得的热量，火焰熄灭；另一种认为，燃烧反应是分支的链锁反应，而活化核心是链锁反应的基础，由于活化核心会向管壁扩散，因此，孔壁对火焰有熄灭作用。临界孔径与燃气种类、预热温度、流动状态以及火孔材料等有关。般情况下，在火孔出口断面上，气流速度呈抛物线物线颁布，靠孔壁的速度等于零，气流中心速度最大。但对燃烧速度而言，可以认为，绝大部分前焰面的燃烧速度几乎都等于常数，只有在靠近孔壁处，由于孔壁对火焰的熄灭作用，燃烧速度才显著降低，孔壁处即为零值。当火孔出口流速低于某一值时，距孔壁不远处的气流局部速度会小于燃烧速度，此时火焰将会缩入火孔，发生回火。这一火孔出口流速值即为回火极限。随着火孔出口流速增加，火焰将为拉长，以维持前焰面上每一点气流中国城市燃气学会应用专业委员会2 0 0 6 年年会论文集在法线方向上的分速度，等于该点上的正常燃烧速度，保持火焰稳定。但是，当火孔出口流速w 。增大到某一数值时，火焰显著升高，根部会卷入过多的二次空气使燃气浓度冲淡，加强了火焰根部的冷却熄灭作用，则会出现离焰。当w o 继续增大。就会发生脱火。综上所述，火焰的稳定性主要和火孔边缘( 即火焰根部) 的情况有关，特别是和火孔壁对火焰的冷却熄灭作用有关。图3 一图5 ，是我国几种燃气预混火焰的状态曲线，亦即火焰稳定范围。离焰、回火、黄焰极限曲线包围的区域即为火焰稳定范围，燃烧器必须在稳定范围内工作才能正常燃烧。、。5d q目口 、 、 。 、f 、弋。 、心曳 一一、：、C、 二二专避迤一日、I图3 发生炉煤气预混火焰稳定范围、I葛如Ih 毫恒、 (l弋RK、9$釜、 嗨搴f 、0 0心b童 辱蔗毡钰、气葛白 翠孓 辱隶皿：辽?l吼?图4 天然气预混火焰稳定范围图5 天然气预混火焰稳定范围三、火焰稳定的影响因素及防止措施从火焰稳定范围可以看出，回火极限曲线的形状与燃烧速度曲线( 图1 ) 极其相似。基本上可以说，凡是提高燃烧速度的因素，也是造成易回火的因素。造成回火的主要因素有：1 、燃烧速度越高的燃气越易回火，炼焦煤气的回火极限比天然气高得多。2 1 0套*划1博口啦号中国城市燃气学会应用专业委员会2 0 0 6 年年会论文集2 、燃气与空气混合气体预热温度越高越易回火，回火极限与预热温度的关系，参见公式u = u r 2 7 33 、回火极限最高点的一次空气系数和最大燃烧速度的一次空气系数基本相同。4 、火孔越大越易回火。5 、火孔材料导热性能越差越易回火。6 、当火孔出口流速分布不均匀，尤其是当出现逆向的旋涡时，只要出口有一处流速小于燃烧速度，就会发生回火。7 、燃气和空气混合气体在燃烧时，常发生频率较低的脉动。在某些情况下，燃气和空气在混合管内的振动频率与火道中脉动频率相合，就会出现共振现象，也会引起回火。影响脱火的因素正好与回火相反，主要是：燃烧速度越小的燃气越容易脱火；燃烧器头部越冷越容易脱火：火孔越小越易脱火等。但是，最高脱火极限并不出现在最大燃烧速度时的一次空气系数之上，而是一次空气系数越大，脱火极限越小。这是因为一次空气系数越大燃气浓度越易被冲淡，火焰根部就越易被冷却不的缘故。当然，回火、脱火还有其它的外界因素，例如：强烈的二次空气的扰动，既易回火也易脱火；火孔外出现正压时，容易出现回火等。根据以上分析，我们可以找到防止回火、脱火的方法。常用的防止回火方法有：1 适当减小火孔直径2 加大火孔深度3 提高火孔加工精度和光洁度，避免火孔内侧有毛刺等杂物破坏速度场的均匀性。4 选择正确的一次空气系数和火孔出口流速。5 经常清洁喷嘴、火孔等部位的污垢，防止喷嘴孔径变小，使火孔出口流速降低及一次空气系数增大，火孔出口流速不均匀而引起回火。常用防止脱火的方法有：1 采用设置阻力较大的稳焰孔，在主火孔的下方或上方形成出口流速较小的稳定的辅助火焰，增加对主火焰根部的加热，防止脱火。2 选择适当的火孔出口流速和一次空气系数。2 1 l