韓徳琳，李丹，王天天，張海，張揚(yáng)，王隨林

（1 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2 清華大學(xué)能源與動力工程系，熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，工業(yè)過程的節(jié)能減排受到了進(jìn)一步的重視。在石化行業(yè)，各類石化爐、過程加熱爐是高能耗高排放的設(shè)備，發(fā)展高效低污染物的燃燒技術(shù)，是行業(yè)發(fā)展的必由之路。天然氣是一種相對低碳和清潔的燃料，現(xiàn)在已經(jīng)成為各種石化爐的主要燃料。天然氣燃燒的主要污染物是氮氧化物，天然氣的低氮燃燒技術(shù)是目前石化爐技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。旋流預(yù)混燃燒是一種極具前途的低氮燃燒方式，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種燃燒器上。同時，為了滿足不同工況下穩(wěn)燃的需求，旋流預(yù)混燃燒常常會與鈍體配合使用，提高燃燒過程整體的穩(wěn)定性。

對于旋流燃燒或鈍體穩(wěn)燃技術(shù)，近些年眾多學(xué)者都對其展開了研究。Dutka 等研究發(fā)現(xiàn)，通過改變鈍體位置控制空氣流速，可以降低NO排放，但是如果鈍體位置設(shè)置不當(dāng)，例如鈍體靠近喉部位置時，會對火焰穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，燃燒也會不充分，CO 排放高（超過45mg/kWh）。Behzadi 等研究表明，鈍體的形狀對回火特性影響較大。旋流燃燒早期曾廣泛應(yīng)用于擴(kuò)散燃燒過程，通過旋流來增強(qiáng)燃料與空氣的混合，從而起到降低NO和增強(qiáng)穩(wěn)定性的目的。例如，周力行等發(fā)現(xiàn)了在湍流擴(kuò)散燃燒中，隨著旋流數(shù)從0 增加到0.68（弱旋），熱力型NO上升，進(jìn)一步增加旋流數(shù)（強(qiáng)旋），熱力型NO顯著下降，進(jìn)口附近溫度先上升后稍有下降。趙黛青等研究了同軸富氧旋流擴(kuò)散燃燒，發(fā)現(xiàn)隨著旋流數(shù)的增加，NO排放和火焰峰值溫度均有所降低。

與擴(kuò)散燃燒的結(jié)論有所不同，預(yù)混燃燒過程中，由于燃料與空氣的混合不再主要依靠旋流，旋流的作用轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)燃燒過程中燃料/空氣預(yù)混氣體和周圍煙氣的混合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)NO的控制和穩(wěn)定性的增強(qiáng)。Nahvi 等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)托紵鳎╨ow-swirl burner）旋流數(shù)由0.41 增加到0.49，可以使平均溫度和NO排放顯著降低（<12μL/L）。Johnson 等研究了高低旋流數(shù)下污染物排放情況，發(fā)現(xiàn)低旋流數(shù)污染物排放要低于高旋流數(shù)，主要由于高旋流數(shù)下產(chǎn)生了明顯的回流區(qū)，使得高溫?zé)煔馔Ａ魰r間增加，從而NO生成較高。相似的，Syred提出在強(qiáng)旋流燃燒器中，旋流數(shù)的增加會使燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間增加，使熱力型NO生成速率增加。Littlejohn 和Cheng研究多種燃料在低旋燃燒器中的污染物排放，發(fā)現(xiàn)由于無明顯回流區(qū)，NO排放與預(yù)混氣體本身的絕熱燃燒溫度相關(guān)。在強(qiáng)旋流條件下（旋流數(shù)>0.8），邢雙喜的研究表明，隨著旋流數(shù)越大，燃燒區(qū)域高溫區(qū)減小，有利于減少NO的生成。Yellugari 等研究表明，隨著旋流數(shù)升高（0.5～1），NO排放逐漸減少。Fu等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著旋流數(shù)增高（0.4～1.2），NO排放呈減小趨勢。Zhao 等通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋流數(shù)從0.6 增大到1.2，NO排放量會降低28.7%。石黎等研究發(fā)現(xiàn)，在旋流數(shù)在0.7～1.6 的范圍內(nèi)，增大旋流數(shù)會使火焰高度縮短，同時也會降低NO排放。同時Yilmaz 等研究發(fā)現(xiàn)，NO排放隨旋流數(shù)（0.4～1.4）變化會出現(xiàn)非單調(diào)變化。通過總結(jié)以上文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，鈍體和旋流都會對火焰都會對預(yù)混燃燒過程N(yùn)O排放產(chǎn)生顯著的影響。但是，多數(shù)上述的實(shí)驗(yàn)研究工作采用了“大氣敞開式”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即火焰在敞開的環(huán)境中燃燒。這種實(shí)驗(yàn)方法的火焰散熱嚴(yán)重，并且火焰燃燒過程中難免卷吸周圍大氣的空氣，影響燃燒整體的當(dāng)量比，因此“大氣敞開式”實(shí)驗(yàn)條件與真實(shí)的燃燒條件相差較大。另一方面，對于旋流與鈍體結(jié)合的情況，文獻(xiàn)中的系統(tǒng)研究依然較少。

預(yù)混燃燒器中，燃料和空氣在管道中已經(jīng)充分混合。在低燃燒熱功率工況下運(yùn)行時，由于預(yù)混氣體流量較小，燃燒器出口的氣流速度較低。如果操作不當(dāng)，容易發(fā)生回火事故。為了解決低功率運(yùn)行時的回火問題，本文提出了一種安裝有位置可以移動的鈍體（下文簡稱“位移鈍體”）的貧燃預(yù)混旋流燃燒器?？蓪⑩g體位置與燃燒功率關(guān)聯(lián)，通過調(diào)節(jié)鈍體位置，使不同燃燒熱功率下噴嘴出口氣流速度保持近似一致，避免回火現(xiàn)象的發(fā)生。由于鈍體本身會產(chǎn)生明顯的回流區(qū)，這種回流區(qū)效應(yīng)與旋流耦合在一起，會對溫度場、NO和CO 生成產(chǎn)生影響?；谏鲜龅目紤]，本文針對使用位移鈍體穩(wěn)燃的旋流燃燒過程開展實(shí)驗(yàn)研究，分析了不同鈍體接頭和旋流數(shù)對NO排放和溫度場的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中采用保溫材料產(chǎn)生封閉的燃燒環(huán)境以控制燃燒當(dāng)量比，減少散熱。本文的研究成果將對旋流預(yù)混燃燒器的設(shè)計(jì)和低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 位移鈍體穩(wěn)燃的旋流預(yù)混燃燒器

圖1為本研究所提出的位移鈍體穩(wěn)燃的旋流預(yù)混燃燒器示意圖。如圖1(a)所示，空氣在燃燒器下部通入，經(jīng)過文丘里管（漸縮漸擴(kuò)噴管）結(jié)構(gòu)使空氣加速和降壓。同時，燃料從文丘里管的喉部射入，在文丘里管中與空氣充分混合。甲烷和空氣的混合氣通過文丘里的漸擴(kuò)噴管后，經(jīng)過旋流器形成旋轉(zhuǎn)流動。最后，旋流氣體經(jīng)過鈍體和噴嘴形成的環(huán)形噴口噴出。鈍體的位置可通過連桿進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本研究中，鈍體的位置通過手動調(diào)節(jié)，實(shí)際生產(chǎn)中鈍體的位置可通過電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)編程控制。在噴嘴處點(diǎn)燃預(yù)混氣體，則可形成使用位移鈍體穩(wěn)燃的旋流預(yù)混火焰。

圖1(b)～(d)分別給出了本文所使用的燃燒器的具體結(jié)構(gòu)尺寸。圖1(b)為噴嘴和位移鈍體的詳圖，噴嘴的出口內(nèi)徑為20mm，鈍體寬度與來流管道內(nèi)徑一致均為8mm。鈍體高度定義為從鈍體最寬截面到噴嘴碹口底部的距離。可通過改變來改變環(huán)形出口面積，從而調(diào)節(jié)出口流速。圖1(c)為文丘里管詳圖，喉部內(nèi)徑為4mm，入口出口部分內(nèi)徑均為21mm，總長為40mm。圖1(d)為旋流器軸測圖，本實(shí)驗(yàn)所用旋流器為軸向旋流器，根據(jù)燃燒空氣動力學(xué)可得旋流數(shù)計(jì)算方法如式(1)。

式中，為旋流器中樞軸的半徑；為旋流器葉片外圓周的半徑。本研究使用旋流器如圖1(e)所示，因?yàn)樾髌髡w呈錐形，所以式(1)中的取值(+)/2。通過改變旋流器葉片角度，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的旋流。旋流器葉片角度與旋流數(shù)對照如表1所示。從表1可以看出，本文燃燒器的旋流處在弱旋至中等強(qiáng)度旋流的區(qū)間。

表1 旋流器角度與旋流數(shù)對照表

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

CH是天然氣中最主要的成分，通常在天然氣中的占比達(dá)到95%以上，因此本研究使用CH來代表天然氣開展研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理和實(shí)物圖如圖2所示。圖2(a)為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖，CH（99.99%）由高壓氣瓶提供，通過高精度的音速噴嘴流量計(jì)進(jìn)行流量控制?？諝猓ù髿?，去除水分和細(xì)顆粒）通過空氣壓縮機(jī)提供，流量通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行控制。CH（99.99%）和空氣通過燃燒器經(jīng)過噴嘴，噴入燃燒室進(jìn)行燃燒。本實(shí)驗(yàn)CH（99.99%）和空氣預(yù)混氣體的當(dāng)量比取值0.7。通過位移鈍體位置的改變，本研究所有實(shí)驗(yàn)工況的環(huán)形噴嘴出口流速均控制為15m/s。用煙氣取樣槍在燃燒室側(cè)壁專用煙氣抽取孔抽取煙氣，并通過煙氣分析儀（ECOM-J2KN）進(jìn)行在線分析，主要分析的氣體成分有CO、O、NO 以及NO，本研究所有污染物數(shù)據(jù)結(jié)果均已換算成3.5%O（體積分?jǐn)?shù)）下的數(shù)值，與GB 13271—2014保持一致。

圖2(b)為本實(shí)驗(yàn)所用器件實(shí)物圖，其中燃燒室采用高質(zhì)量AlO保溫材料制成，其內(nèi)腔為直徑60mm 的圓柱形空腔，外壁為230mm×230mm 的正方形結(jié)構(gòu)，燃燒室高600mm，三面開槽，安裝有壁厚為5mm 的長方形石英玻璃觀察窗，并在未設(shè)置觀察窗壁面距離煙氣出口100mm 處開有直徑為15mm的圓形煙氣取樣口，便于煙氣分析儀取樣槍取樣。實(shí)驗(yàn)中的溫度場采用0.3mm直徑的B型熱電偶進(jìn)行測量，使用無紙記錄儀來顯示溫度的示值。由于火焰溫度較高，熱電偶的測量值經(jīng)過了輻射散熱修正（詳見2.2.3節(jié)所述）。本實(shí)驗(yàn)所用儀器設(shè)備固定誤差如表2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)原理圖及實(shí)物圖

表2 儀器測量誤差表

使用了保溫材料制成的燃燒室后，火焰的氣氛得到了保持，散熱減小。通過煙氣分析儀測量火焰下游的O體積分?jǐn)?shù)得知，燃燒后O體積分?jǐn)?shù)始終維持在6.3%±0.2%范圍內(nèi)，與當(dāng)量比0.7 對應(yīng)。噴嘴下游100mm 處溫度維持在1500K 以上，NO 取樣處煙氣溫度維持在900K 以上，與實(shí)際工業(yè)設(shè)備工況較為接近。

實(shí)驗(yàn)誤差給出了數(shù)據(jù)的可信部分，是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要組成部分，本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差采用式(2)進(jìn)行計(jì)算。式(2)既考慮了測量儀器本身的固定誤差，又考慮了由于流量、溫度、環(huán)境條件等波動帶來的隨機(jī)誤差。根據(jù)Moffat的理論，測量的總誤差可以表示為式(2)。

式中，為本研究所有測量的數(shù)值；δ為測量值的總誤差；B為儀器帶來的固定誤差；σ是多次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即實(shí)驗(yàn)隨機(jī)誤差；()是-分布在自由度為、置信區(qū)間為0.95 時的值，可以在統(tǒng)計(jì)學(xué)教材中查到。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈍體結(jié)構(gòu)對燃燒污染物排放的影響

2.1.1 鈍體角度

為了確定合適的噴嘴結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)加工了如圖2(b)所示噴嘴角度為15°、30°、35°、45°的4種噴嘴以及對應(yīng)角度的鈍體。實(shí)驗(yàn)時，不同噴嘴分別取3個相近的熱功率，通過移動鈍體高度，調(diào)整噴嘴出口流速為15m/s。旋流數(shù)設(shè)置為0，分析燃燒產(chǎn)生的污染物，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。可以看出，NO排放量隨著噴嘴角度的增大呈減小趨勢，CO排放量隨著噴嘴角度的增大呈增大趨勢。當(dāng)角從15增加到30°時，NO排放值顯著下降，而CO僅僅略有上升并維持在20mg/m以下；進(jìn)一步當(dāng)角從30°增加到45°時，NO進(jìn)一步下降的程度有限，但低燃燒熱功率下CO 顯著上升，達(dá)到了150mg/m左右。推測其原因可能是由于噴嘴角度不同，其流場的卷吸作用不同所致。Degenève等學(xué)者的研究表明，當(dāng)越大時，其徑向回流區(qū)越寬。這使卷吸的周圍低溫?zé)煔庠龆?，火焰溫度降低，CO 排放量升高，相應(yīng)的NO排放量降低。綜合CO 和NO排放情況可以發(fā)現(xiàn)，為30°時，在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況下，兩種污染物排放均處于較低水平，CO低于儀器的檢測下限，NO排放值均低于5.5mg/m，因此所有后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用為30°的噴嘴。

圖3 不同燃燒熱功率下噴嘴角度對NOx和CO排放量的影響

2.1.2 鈍體形狀

為了確定不同鈍體形狀和大小對污染物排放的影響，本研究設(shè)計(jì)加工了4種不同形狀和大小的鈍體來研究其污染物排放情況，各鈍體形狀大小及鈍體的編號如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)時，采用熱功率為1.8kW和2.9kW兩種實(shí)驗(yàn)工況，通過改變鈍體的高度，保證噴嘴出口流速均為15m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，1號鈍體在實(shí)驗(yàn)的兩種工況下NO排放都比較低。對于帶有尖端的鈍體來說，尖端在回流煙氣的加熱下會達(dá)到較高的溫度，如圖5中2號鈍體所示。相比3號鈍體，2號鈍體尖端角度更小，2號鈍體其NO排放量要高于3號鈍體。4號鈍體在小熱功率時，其NO排放量較大，在較大燃燒熱功率時，會產(chǎn)生如圖所示的類似于“MILD 燃燒”的現(xiàn)象，此時火焰圖像中難以觀察到明確的火焰面，燃燒溫度場分布較為均勻，所以4號鈍體在大熱功率下，NO排放更低。圖5中所有工況的CO排放均低于儀器的檢出下限，因此不在圖中表示。Bovina研究表明，軸向回流區(qū)中煙氣的停留時間與鈍體的特征尺寸成比例。中軸線附近的煙氣回流越強(qiáng)，高溫?zé)煔馔Ａ魰r間越久，熱力型NO生成量就越多。在本研究中，1號鈍體和4號鈍體相比，4號鈍體的中心軸向回流更強(qiáng)（如圖5所示），因此，4號鈍體火焰的更高。1號鈍體與2號、3號比較，回流區(qū)相近，但2 號、3 號鈍體的背風(fēng)面尖端受到回流煙氣的加熱，成為了流場中的“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致NO排放量略微高于1 號鈍體。綜合來看，1 號的鈍體NO排放在多個燃燒熱功率下均比較低，所以本文后續(xù)的實(shí)驗(yàn)所用鈍體均為1號鈍體。

圖4 不同鈍體形狀大小圖

圖5 鈍體形狀對NOx排放量的影響

2.2 旋流數(shù)對燃燒火焰特性的影響

2.2.1 旋流數(shù)對火焰形狀的影響

為了得出旋流數(shù)對火焰形態(tài)的影響，對旋流數(shù)為0、0.12、0.25、0.4、0.59、0.83，熱 功 率 為2.1kW、2.9kW、3.7kW 三種熱功率下火焰形態(tài)進(jìn)行拍照。實(shí)驗(yàn)時，在不同熱功率下，通過移動鈍體高度來保持出口流速為15m/s?；鹧纥c(diǎn)燃穩(wěn)定2min后，使用數(shù)碼相機(jī)對火焰形態(tài)進(jìn)行拍攝，從圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在快門速度為1/30、熱功率為3.7kW時，會產(chǎn)生過曝現(xiàn)象，將3.7kW彩色圖片轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D后，可以分辨火焰的輪廓。通過對比各個工況火焰圖像可以看出，在2.1kW或2.9kW熱功率下，火焰高度隨旋流數(shù)的增大呈減小趨勢，因?yàn)樾鲾?shù)增大會使火焰軸向速度減小，導(dǎo)致火焰高度降低。在同一旋流數(shù)下，火焰寬度隨熱功率增大呈增大趨勢，因?yàn)樵谠龃鬅峁β蕰r，為保持速度一致，會提升鈍體高度，環(huán)形出口面積增大，火焰寬度也會增大。在3.7kW時，觀察不到明顯的藍(lán)色火焰鋒面，但是從NO、CO和O的測量數(shù)據(jù)可以得到此工況下確實(shí)發(fā)生了非常穩(wěn)定完全的燃燒，因此可以判斷此時呈現(xiàn)出了類似“MILD燃燒”的狀態(tài)。

圖6 旋流數(shù)對火焰形狀的影響

2.2.2 旋流數(shù)對燃燒污染物排放的影響

為了確定旋流數(shù)對本燃燒器污染物排放的影響，對旋流數(shù)為0、0.12、0.25、0.4、0.59、0.83的6 種旋流器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，固定燃燒熱功率為2.1kW、2.9kW、3.7kW，通過調(diào)節(jié)鈍體高度，使其分別為3.5mm、4.5mm、5.5mm，保證燃燒器出口流速為15m/s。圖7 給出了污染物排放的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖7 中所有工況對應(yīng)的CO 排放濃度均低于檢出下限，因此不在圖中描述。隨著燃燒熱功率的增加，燃燒過程的NO生成呈現(xiàn)出增加的趨勢。這一點(diǎn)與預(yù)期相符，因?yàn)槿紵裏峁β试礁咭馕吨鵂t膛內(nèi)溫度越高，高溫促進(jìn)了熱力型NO的生成。圖7 還表明，NO排放隨著旋流數(shù)的增加呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，三個熱功率下，NO排放的極小值均出現(xiàn)在旋流數(shù)=0.25工況處。眾所周知，NO的生成與溫度場密切相關(guān)，為了探討旋流數(shù)對NO排放影響的內(nèi)在原因，下文對溫度場進(jìn)行了分析。

圖7 旋流數(shù)對NOx排放量的影響

2.2.3 不同旋流數(shù)對火焰溫度的影響

為了探究旋流數(shù)對NO排放影響的內(nèi)在原因，本文以燃燒熱功率為2.9kW的工況為例，選擇了旋流數(shù)為0、0.25、0.83 三個典型工況，開展了火焰溫度的測量。本文分別測量了三種工況火焰豎直軸線上的溫度分布以及距離噴嘴出口0、10mm、25mm 豎直高度處，火焰沿半徑方向的溫度分布。測量時，將熱電偶從燃燒室側(cè)壁縫隙直接伸入火焰，通過升降臺和一維平移臺來測量火焰軸向和徑向溫度分布，將熱電偶在火焰停留2s，待讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)值并記錄。實(shí)際測量時，熱電偶測量的溫度只是其表面的溫度，與實(shí)際溫度有差異，因?yàn)殡S著被測火焰溫度的升高，熱電偶與周圍冷壁面的輻射換熱相對于對流和導(dǎo)熱比例變大，造成熱電偶所測值低于實(shí)際火焰溫度，會造成以輻射為主的測溫系統(tǒng)誤差，需要進(jìn)行溫度修正。修正溫度的關(guān)系如式(3)所示。

式中，為火焰中煙氣溫度，即為本文需要的溫度測量值；為熱電偶溫度讀數(shù)；為燃燒室壁面溫度；為火焰對熱電偶的對流傳熱系數(shù)；為熱電偶的輻射率，根據(jù)Peterson 和Laurendeau的研究結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)中鍍膜熱電偶表面的輻射率取值為0.45；為玻爾茲曼常數(shù)，取值為5.67×10W/(m·K)，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果均已進(jìn)行了輻射溫差修正。

（1）不同旋流數(shù)對火焰軸向溫度的影響 為了得到火焰溫度隨軸向距離的變化，本文取圓形噴嘴出口圓心為原點(diǎn)，進(jìn)行溫度測量，測溫起始點(diǎn)為鈍體上圓面的圓心。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8可以看出，在不同旋流數(shù)下，火焰溫度變化趨勢是一致的，具體為在熱電偶緊貼鈍體上表面時，其溫度是最低的，因?yàn)樵谌紵龝r，一方面鈍體導(dǎo)熱速率快，另外鈍體也會被來流混合氣冷卻，所以其溫度較低。而后當(dāng)熱電偶離開鈍體壁面時，溫度迅速升高，隨著熱電偶高度的升高，先達(dá)到一個極值溫度，此處為高溫?zé)煔?。而后隨著遠(yuǎn)離回流區(qū)溫度逐漸下降到一個極小值點(diǎn)，可以推測此處燃燒尚未完成，從而溫度較低。此后在向火焰下游移動過程中，溫度逐漸升高。這表明反應(yīng)物逐漸燃盡，熱量釋放完全。對比三個不同的旋流數(shù)下軸向溫度的分布情況可以看出，整體溫度從高到低的旋流數(shù)依次是=0.83、=0和=0.25。

圖8 溫度隨軸向距離變化圖

（2）不同旋流數(shù)對火焰徑向溫度的影響 為了得出不同旋流數(shù)對火焰徑向溫度的影響，本文選取高度為0、10mm、25mm 三個火焰高度來測量火焰溫度隨徑向距離的變化，測溫起點(diǎn)為鈍體圓心正上方位置。通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖9可得，在不同旋流數(shù)不同高度下，溫度變化的趨勢是一致的。首先，隨著測溫點(diǎn)逐漸遠(yuǎn)離噴嘴中心軸并靠近火焰面，溫度上升到一個極值點(diǎn)；進(jìn)一步遠(yuǎn)離中心軸，溫度會在噴嘴邊緣正上方附近下降到一個極小值點(diǎn)，這是尚未完全燃盡的預(yù)混來流，因此溫度較低；進(jìn)一步向外，在遠(yuǎn)離噴嘴邊緣過程中溫度先上升到一個極值處，而后緩慢降低，這是處在外部的高溫?zé)煔鈪^(qū)，靠近保溫材料壁面時，由于散熱溫度緩慢下降。通過對比三種不同高度處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，整體上三個旋流數(shù)下溫度從高到低依次是=0.83、=0 和=0.25，僅有在高度較高時（=25mm）的火焰外部（>20mm）[圖9(a)]條件下，溫度從高到低的旋流數(shù)依次是=0.83、=0.25和=0。同時值得注意的是，由于三個工況的燃燒熱功率相同（2.9kW），因此足夠遠(yuǎn)的下游處溫度分布趨于一致。

綜合考慮不同旋流數(shù)下火焰軸向和徑向溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，旋流數(shù)為0.25燃燒區(qū)域的溫度整體上最低，這也與圖7 中=0.25 時NO生成最低的結(jié)果一致。這說明旋流數(shù)變化引發(fā)的流場溫度變化極有可能是影響NO生成的主要因素之一。

結(jié)合圖8、圖9中溫度場的分布規(guī)律，可以推測旋流數(shù)對火焰的影響機(jī)制如下：①當(dāng)從0變化到0.25時，由于旋流較弱，對燃燒器中心回流區(qū)的貢獻(xiàn)十分有限，此時旋流的增強(qiáng)主要增加了預(yù)混氣體自身的混合以及預(yù)混氣體與周圍較低溫度煙氣的混合，使得火焰內(nèi)部溫度降低；相應(yīng)地，NO的生成也隨增加而下降。②當(dāng)>0.25，甚至增加到0.83時，此時旋流已經(jīng)較強(qiáng)，對回流區(qū)的增強(qiáng)作用顯著，因此旋流的增強(qiáng)除了增加預(yù)混氣體與周圍煙氣的混合之外，也增加了下游高溫?zé)煔庀蚧鹧鎱^(qū)的回流，進(jìn)而使火焰溫度逐步增加；相應(yīng)地，NO的生成也隨的增加而上升。進(jìn)一步證實(shí)該推測需要細(xì)致的流場測量和分析，這有待今后進(jìn)一步的研究。

圖9 不同高度處，溫度隨徑向距離的變化

3 結(jié)論

本文首先通過測試不同鈍體結(jié)構(gòu)下污染物的排放情況，確定燃燒器最佳噴嘴和鈍體組合，然后測試了不同旋流數(shù)對NO排放以及火焰形態(tài)的影響，并對NO排放極值點(diǎn)工況的火焰溫度進(jìn)行了分析，主要結(jié)論包括如下方面。

（1）鈍體的角度和形狀對CO 和NO生成具有顯著的影響，本研究所考慮的不同鈍體結(jié)構(gòu)中，角度為30°、體積較小的倒錐形鈍體具有最優(yōu)的污染物排放性能。

（2）NO排放隨著旋流數(shù)的增加呈先減小后增加的趨勢，當(dāng)旋流數(shù)為0.25時，NO生成量最低。

（3）同一燃燒熱功率下，火焰長度隨旋流數(shù)的增加呈減小趨勢，火焰寬度隨熱功率的增大而呈增大趨勢。

（4）旋流數(shù)變化引發(fā)的流場溫度變化極有可能是影響NO生成的主要因素之一，NO生成量的多少與流場溫度高低的變化規(guī)律一致。