張曉宇，羅嘉欣，莊鐘淇，田 亮

（1.河北工業(yè)大學(xué) 校園建設(shè)與管理處，天津 300401；2.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401）

目前能源領(lǐng)域的低碳發(fā)展已成為共識，給以化石能源為主的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)[1-2]。天然氣與煤和石油相比，燃燒調(diào)控性更好[3]，并具備沒有粉塵、污染較小[4-5]、利于碳捕集等優(yōu)勢[6]。其作為能源轉(zhuǎn)型的過渡性低碳能源，對我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整起到了重要作用[7]，對工業(yè)燃燒器提出了更高的要求。

電火花是氣體燃料常用點火源[8-10]，其原理即高能脈沖產(chǎn)生高能放電然后形成局部的高溫區(qū)，產(chǎn)生能迅速加熱氣流的等離子體。范恩榮[11]利用實驗方法研究了等離子體燃燒裝置的原理與結(jié)構(gòu)，認為該裝置有利于節(jié)約燃料，減少污染，在我國必然也會獲得廣泛應(yīng)用與推廣。劉鵬飛等[12]利用實驗不同工作介質(zhì)質(zhì)量流量下等離子體射流點火器的氣體擊穿和維持電弧過程的手段，研究了不同工作介質(zhì)流量對等離子體點火器射流的影響，發(fā)現(xiàn)了射流長度和平均電壓等參數(shù)隨工作介質(zhì)質(zhì)量流量的變化關(guān)系。其他學(xué)者的研究[13-14]也表明等離子體是一種有效的點火方式?，F(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展，使中國工業(yè)爐發(fā)展的方式與內(nèi)容產(chǎn)生了重大變化，工業(yè)爐設(shè)備技術(shù)有了長足的進步[15]。王煜錕等[16]通過對點火器進行變結(jié)構(gòu)、變縮進長度及變混合比的試驗，進行了對變結(jié)構(gòu)氣氧/氣甲烷火炬式點火器設(shè)計方案的研究，驗證了甲烷點火器設(shè)計的可靠性。袁磊等[17]通過求解Navier－Stokes方程組，對不同燃料與氧化劑速度比下的流動燃燒過程進行了數(shù)值計算，得出了速度比與燃燒效率之間的關(guān)系。

目前針對工業(yè)爐中點火器的研究相對較少，為適應(yīng)天然氣在工業(yè)爐領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計了一種集噴注、點火、燃燒一體的點火器，既可以作為點火器實現(xiàn)瞬時點火或常駐火焰，也可以作為燒嘴穩(wěn)定燃燒。這種點火器結(jié)構(gòu)簡單、易加工、成本低，可以根據(jù)爐子的功率需求進行布置，擴大功率調(diào)節(jié)范圍。本文重點探討燃燒器縮進、空氣流速與當(dāng)量比對點火邊界及火焰穩(wěn)定性的影響。

1 測試設(shè)備及方法

搭建了一體化空氣/甲烷點火器性能測試試驗系統(tǒng)，如圖1所示。整套試驗裝置包括供氣系統(tǒng)、點火器和控制系統(tǒng)三部分，其中供氣系統(tǒng)由氣源（甲烷、空氣）、減壓閥、管路和質(zhì)量流量控制器組成。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖

本試驗采用自行設(shè)計的一體化點火器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。以甲烷作為燃料開展試驗，同軸噴嘴內(nèi)側(cè)為甲烷，外側(cè)為空氣。為了試驗方便，該同軸噴嘴設(shè)計為縮進可調(diào)結(jié)構(gòu)，可以通過旋轉(zhuǎn)中心噴嘴來改變縮進量?？s進量h的定義為甲烷噴嘴出口相對于空氣噴嘴出口的水平距離，縮進為正值，突出為負值。甲烷噴嘴內(nèi)徑為1.5 mm，外徑為5.5 mm，空氣噴嘴外徑為7.5 mm。內(nèi)外噴嘴之間用絕緣材料隔絕利用點火包在內(nèi)外噴嘴間施加高電壓，使得環(huán)縫處空氣擊穿產(chǎn)生電火花，作為引燃燃氣的點火源。

圖2 點火器結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 空氣流速對等離子體羽流的影響

放電介質(zhì)為空氣時，空氣等離子體射流點火器的羽流長度隨空氣流量變化的趨勢如圖3所示。羽流長度整體上呈增大趨勢?？拷c火器出口高亮區(qū)域呈現(xiàn)亮白色，而射流外圍為黃色，由于射流外圍遠離電弧區(qū)域，電離作用大大減弱，因此此區(qū)域為活性粒子衰減區(qū)域，衰減過程中釋放能量，呈現(xiàn)黃色。從圖中還可以看出，隨著流量的增大，外噴嘴環(huán)縫處的等離子體越來越飽滿。

圖3 不同空氣流速時等離子體火炬狀態(tài)對比圖

2.2 當(dāng)量比對熄火極限的影響

在產(chǎn)生等離子體羽流出現(xiàn)后通入甲烷即可將甲烷點燃。任一組工況點燃甲烷后關(guān)閉電火花，若甲烷能夠持續(xù)燃燒，則視該組工況可以穩(wěn)定燃燒，否則視為不能穩(wěn)定燃燒。將結(jié)果整理到散點圖上，如圖4所示?？梢钥闯?，在縮進量h為2 mm的條件下，隨著當(dāng)量比增大，點火器點火成功的極限當(dāng)量比也在增大。甲烷流量為0.5 L/min時點火器可以在當(dāng)量比大于等于1.3時點火成功，而甲烷流量增大到2.0 L/min后，當(dāng)量比需要增加到2.2才能實現(xiàn)點火成功。由此可見，當(dāng)量比越高，點火成功的甲烷流量范圍越大。

圖4 縮進量h=2 mm時的試驗結(jié)果散點圖

2.3 噴嘴縮進的影響

不同噴嘴縮進量的火焰燃燒狀態(tài)如圖5所示。其中圖5（b）中速度比Rv為3時關(guān)閉電火花火焰立即熄滅，故圖中未能顯示火焰。

圖5 不同噴嘴縮進量的火焰燃燒狀態(tài)對比圖

速度比Rv為4時，圖5（a）中有縮進的火焰能夠持續(xù)穩(wěn)定，火焰長度較長且整體呈藍色，而圖5（b）中無縮進的火焰長度變化不大但黃色部分增多；速度比Rv為3.5時，有縮進火焰長度較長且整體依舊呈藍色，而無縮進的火焰整體呈現(xiàn)橘黃色，屬于典型的擴散燃燒火焰，說明甲烷與空氣摻混效果較差，且火焰長度有明顯縮短。在縮進量h=0 mm工況下，甲烷能夠穩(wěn)定燃燒的速度比Rv范圍為4～3.5，比縮進量h=1 mm工況的速度比Rv范圍4～2.5小，可見采用縮進的方式在一定程度上提高了火焰穩(wěn)定性。

當(dāng)速度比Rv為3時，有縮進的火焰依舊能夠持續(xù)穩(wěn)定，但無縮進的火焰無法穩(wěn)定。圖6給出了電火花關(guān)閉前后的火焰情況，在電火花關(guān)閉前，火焰根部與電火花形成的等離子體火炬相連接，火焰依靠電火花來維持自身的燃燒。電火花關(guān)閉時，等離子體火炬消失，火焰逐漸熄滅。由此可見，等離子體在維持燃燒方面起到了穩(wěn)定點火源的作用。

圖6 點火器縮進量h=0 mm時的火焰變化過程圖

3 總結(jié)與展望

本文對一體化空氣/甲烷點火器性能進行了試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）空氣流速增大，等離子體火炬的長度與明亮度都略有提高，可增加甲烷與高溫等離子體的接觸及反應(yīng)范圍，點燃的可靠性和成功率也會隨之增加；

（2）通過試驗獲得了該一體化點火器的穩(wěn)燃邊界，點火成功范圍隨甲烷流量和當(dāng)量比的增加而提高。該點火器在當(dāng)量比大于2或甲烷流量大于2 L/min的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定點火。

（3）采用縮進的方式能夠促進火焰的擴散燃燒，同時使火焰根部更靠近噴嘴出口，有效地提高了火焰的穩(wěn)定性并擴大了火焰穩(wěn)定燃燒的速度比范圍。