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第十章燃气工程应用新技术第十章燃气工程应用新技术第一节新型燃烧装置第二节燃气应用新领域第一节新型燃烧装置一、低NOX燃烧器二、高速燃烧器一、低NOX燃烧器•低NOX燃烧器主要是通过降低燃烧温度、降低燃烧区域内O2浓度、缩短烟气在高温区的停留时间来控制热力型NOX的产生。低NOX燃烧器种类很多，常见的有以下几种：(一)烟气自身再循环型低NOX燃烧器•如图10-1所示，它利用燃气和空气的喷射作用将炉内烟气吸入，使烟气在燃烧器内部进行循环。由于烟气混入，降低了燃烧过程中氧气的浓度，从而抑制了NOX的生成。(二)阶段燃烧型低NOX燃烧器•图10-2所示为空气两段供给的阶段燃烧型低NOX燃烧器。•燃气与一次空气混合进行的一次燃烧是在a’1的情况下进行的，由于空气不足，燃气过浓，燃烧过程所释放的热量不充分，因此燃烧温度低。(二)阶段燃烧型低NOX燃烧器•一次燃烧空气不足，燃烧过程氧的浓度也低，所以NOX的生成受到抑制。一次燃烧完成后，尚未燃尽的燃气与烟气混合物再逐渐与二次空气混合，进行二次燃烧，使燃气完全燃烧。•二次燃烧时，由于一次燃烧产生的烟气的存在，使得二次燃烧过程的氧浓度与燃烧温度都低，所以同样抑制了NOX的生成。•同样道理，也可以将燃气分两次供给，实现阶段燃烧。(三)浓淡火焰对冲型低NOX燃烧器•如图10-3所示，该种燃烧器在头部有两种火孔，布置成呈一定角度相对的形式。•一种火孔流出的可燃气体混合物燃气过浓，一种火孔流出的混合气体空气过浓。(三)浓淡火焰对冲型低NOX燃烧器•两种火焰对冲混合后，一方过剩的燃气就在另一方过剩的空气中得以完全燃烧。•由于浓谈火焰各自都是在偏离化学计量比的情况下进行的燃烧，因此燃烧温度较低，可以较好地抑制NOX的生成。(四)分割火焰型低NOX燃烧器•最简单的形式是在喷嘴出口处开数道沟槽将火焰分割成若干个小火焰，如图10-4所示。•分割成小火焰后，火焰总的散热面积增大，燃烧温度降低。同时因小火焰的焰层薄，缩短了烟气停留时间。这些都抑制了NOX生成。(五)促进混合型低NOX燃烧器•图10-5是一种典型的促进混合型燃烧器。•由于燃料呈细流与空气垂直相交，故混合快而均匀，燃烧温度也均匀。若干小火焰组成很薄的钟形火焰，火焰很快被冷却，所以燃烧温度低。火焰薄，烟气在高温区停留时间也短。因此NOX生成受到抑制。(六)组合型低NOX燃烧器•组合型低NOX燃烧器是将上述几种抑制原理部分或全部组合在—起而形成的，其结构更复杂，效果则更好。•适用不同燃料、不同用途的低NOX，工业燃烧器种类很多，它们大部分属于组合型。二、高速燃烧器•高速燃烧器主要应用在工业炉上。•它以对流传热为基础，利用高温烟气以100-300m/s的高速度直接吹向物料表面，高速气流破坏物料表面的气体边界层，使对流传热系数显著增大，从而提高对流传热量。二、高速燃烧器•图10-6所示为高速燃烧器的结构示意图。•它相当于一个鼓风式燃烧器，在其出口增设一个带有烟气喷嘴的燃烧室(火道)。燃气和空气在燃烧室内进行强烈混合并燃烧，完全燃烧的高温烟气以非常高的流速喷进炉内，与物料进行强烈的对流换热。三、平焰燃烧器•平焰燃烧器的火焰是圆盘形的薄层火焰，它紧贴炉墙或炉顶向四周均匀伸展。平焰是由燃气在平展气流中燃烧得到的。平展气流通常是借助旋转射流的离心力形成的。而扩张形火道具有附壁流动的特性(科安达效应)。当旋转气流通过时便可形成平展气流。三、平焰燃烧器•平焰燃烧器的形式很多，图10-7为常见的半引射式平焰燃烧器。它由引射器、头部及烧嘴砖三部分组成。燃气经喷嘴吸入一次空气，混合后经头部条形火孔流出。二次空气依靠炉内负压吸入，在火孔出口处与燃气相遇，二者边混合边进入烧嘴砖沟槽内进行燃烧，形成平展火焰。四、浸没式燃烧器•浸没燃烧法又称为液中燃烧法，是将燃气与空气预先充分混合，送入燃烧室进行完全燃烧，燃烧产生的高温烟气直接喷入液体中，从而加热液体的方法。浸没燃烧法的燃烧过程属于完全预混式燃烧，而其传热过程属于直接接触传热。四、浸没式燃烧器•浸没燃烧装置主要由燃烧装置、贮槽及排烟装置三部分组成。五、双燃料燃烧器•双燃料燃烧器可以单独燃烧一种燃料，也可实现两种燃料的混烧。•生产上广泛应用的主要有：粉煤—燃气燃烧器和油—燃气燃烧器两种。•燃烧挥发分低的煤粉时，供应一定量燃气可以帮助煤物着火和燃烧，使火焰稳定。而油—燃气燃烧器的应用更为广泛，目前大多中小型燃烧机都可以实现油气的混烧。六、催化燃烧器•催化燃烧是指燃气在固体催化剂表面上进行的燃烧。可燃气体借助催化剂的催化作用，能在低温下实现完全氧化，温度可低于可燃气体的闪点。七、脉冲燃烧器•脉冲燃烧器的工作原理与通常的燃烧器不同，而近似于内燃机的燃烧。在脉冲燃烧器中，燃烧和热量的释放是周期性进行的。一个循环周期分三个过程，即燃烧过程、排气过程和吸气过程。七、脉冲燃烧器•图10-12是脉冲燃烧装置的结构示意图。它由燃料供应系统、空气供应系统、燃气阀、空气阀、燃烧室、尾管(共鸣管)、进气去藕室、二次换热系统、点火器及进出口消音器组成。七、脉冲燃烧器•其中进气去藕室的作用是将空气及燃气供应系统与燃烧室中的气流振荡分隔开，排烟去藕室将燃烧室和尾管中的气流振荡与下游部件分开。八、富氧燃烧器•普通燃烧器所用的助燃空气均处于自然状态下，其中氧的含量约为21%。如果采用氧含量较高的空气作为助燃空气即所谓富氧燃烧。八、富氧燃烧器•由于助燃空气中氧浓度的增加，燃料的燃烧特性有了根本性的改变。与普通的燃烧方式相比，由于富氧燃烧火焰温度高，辐射换热量增强，提高了炉内有效利用热。•同时，由于排烟量减少，排烟热损失减小，故提高了设备热效率，从而节约了燃料消耗量。九、燃气辐射管•对于需要控制炉内气氛的热处理炉，常选用间接加热方法，即燃烧产物与被加热工件相隔离。•燃气辐射管就是其中的一种。燃气辐射管主要由管体、烧嘴和废热回收装置所组成，如图10-13所示。十、可调火焰燃烧器•可调火焰燃烧器的结构如图10-14所示。在燃烧器轴线方向上设有可移动的燃气分配器，旋转手轮可使拉杆带动燃气分配器前进或后退，从而改变燃气喷出状况来调节火炮的长度和发光度，以满足被加热物体的工艺需要。•这种燃烧器主要用在焙烧陶瓷、砾石和类似材料的回转窑上。第二节燃气应用新领域一、燃气发电二、燃气用于城市供能三、燃气空调四、燃料电池五、液化天然气的冷量利用六、燃气汽车一、燃气发电•天然气是世界公认的电力工业最佳燃料，世界上有近三分之一的天然气用于发电。(1)常规蒸汽发电(2)燃气轮机联合循环发电二、燃气用于城市供能•将天然气用于城市供能，在工业企业中搞热、电、冷联供是发展燃机热电的最佳领域之一。•小型、微型燃气轮机可以用于各种民用、工业项目甚至农业项目以下几个方面：二、燃气用于城市供能(1)楼宇热电冷：将燃机与溴化锂空调联合循环，对楼宇(商场、学校、办公室、医院等)供电、供热、供冷、供卫生热水；(2)燃机余热直接利用：将燃机的高温烟气直接用于陶瓷、石膏板、造纸等产品的烘干；二、燃气用于城市供能(3)直接利用微燃机参与工艺流程：在食品加工、医药、精细化工等生产工艺中，利用燃机余热和电力就近参与工艺流程：二、燃气用于城市供能(4)为工厂化农业提供能量：小型、微型燃机可以将利用后的烟气中的低温热量、水蒸气、少量氮氧化物和二氧化碳资源注入大棚，支持无害蔬菜、水果和花卉等农产品的生产；(5)交通领域的服务：小型、微型燃机和外燃机可以用于船舶、汽车动力。三、燃气空调•近年来，人们对空调的需求不断增加，用电量也随之剧增，特别是加重了夏季的用电负荷。•如果部分改用天然气作驱动能源，不仅能够调整能源结构，降低环境污染，而且能够对电和燃气分别起到削峰、填谷的作用。•广泛应用的是天然气直燃型溴化锂吸收式冷热水机组。四、燃料电池•燃料电池被公认为是继火力、水力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。•燃料电池是一次性的电能转换装置，不受卡诺循环的限制，因此与其他常规发电方法比较，具有较高的转换效率。四、燃料电池•另外，它是温度较低的转化装置，与燃料燃烧相比，释放的污染物极少；在大小和功率等方而可以做成多种不同的规格；仅需要极少的可动部分，有望成为一种低噪声的、可靠的、且不太需要保养的电力来源，因此受到了世界各国的普遍重视。•近年来材料工艺的发展极大地推动了燃料电池技术的发展。四、燃料电池•燃料电池运行时必须使用流动性好的气体燃料。低温燃料电池要用氢气，高温燃料电池可以直接使用天然气、煤气。随着燃料电池技术的发展，其应用领域也在不断扩大，在发电及热电联产方面有很大的应用潜力。五、液化天然气的冷量利用•液化天然气具有相当大的冷热能，如能有效回收，可以节约大量的能量。由于能源的短缺，日本在液化天然气冷热利用方面的研究投入很大，而且已经有许多较成熟的工艺流程投入实际运行中。•目前，液化天然气的冷热能已成功地用于空气分离、冷冻仓库、海水淡化和发电等方面。六、燃气汽车•液化石油气和天然气作为代用燃料，可有效降低汽车尾气中的有害成分，是控制大气污染的有效措施之一。(一)液化石油气汽车(二)天然气汽车