1.扩散式燃烧器

燃气燃烧应用装置1.扩散式燃烧器燃烧器的分类与技术要求•不同的应用场合需要相适应的燃烧方法，因而燃气燃烧器的类型各式各样，常见的分类方法有三种。（1）按一次空气系数分类：①扩散式燃烧器。燃气中不预混空气，一次空气系数α’=0。②部分预混式燃烧器，常又称作大气式燃烧器。燃烧前，燃气中预先混入一部分空气，燃烧所需其余空气后续供入，通常一次空气系数α’=0.45~0.75。③完全预混式燃烧器，又称为无焰燃烧器。燃烧所需的全部空气与燃气在点火前预先充分混合，一次空气系数α’≥1.0。（2）按空气的供应方式分类①自然引风式燃烧器。依靠炉膛负压将环境空气吸入燃烧区域进行燃烧。②鼓风式燃烧器。采用鼓风设备将空气强制送至燃烧反应区。③引射式燃烧器。通常利用燃气高速流动形成的负压引射空气进行混合；也可用空气射流引射燃气。（3）按燃气供应压力分类①低压燃烧器。燃气压力在5000Pa以下。②高（中）压燃烧器。燃气压力高于5000Pa。技术要求（1）能够达到所要求的热负荷，满足正常的加热要求。（2）燃烧稳定。当燃气压力和热值在正常范围变动时，不会发生回火和脱火等不稳定燃烧现象。（3）燃烧完全，效率高，对环境污染小。严格控制污染气体的排放量，符合国家标准的要求。较高水平的燃烧效率，有助于控制温室气体CO2的排放量。（4）结构紧凑，金属耗量低。结构紧凑，便于燃烧器的布置；规模化生产则必须考虑金属耗量，以控制生产成本。（5）工况调节方便，噪声低。•用来实现燃烧过程的装置，统称为燃烧装置。对于燃气而言，它的燃烧装置主要是指燃气燃烧器，在工业上又常称为燃气烧嘴。集合了送风设备、调节控制机构和燃烧器的紧凑整体又称为燃烧机。•燃气燃烧器的类型很多，通常按其燃烧方式的不同分为三类，即：•扩散式燃烧器；•（部分预混）大气式燃烧器；•完全预混式燃烧器。•按照扩散式燃烧方法设计的燃烧器称为扩散式燃烧器。扩散式燃烧器的一次空气系数’＝0，燃烧所需要的空气全部在燃烧过程中供给。•根据空气供给方式的不同，扩散式燃烧器又可分为自然引风式和强制鼓风式两种。•自然引风式，依靠自然抽力，扩散供给空气，多用于民用，常简称为扩散式燃烧器。•强制鼓风式，依靠鼓风机供给空气，多用于工业，常简称为鼓风式燃烧器。1.扩散式燃烧器直管式扩散燃烧器自然引风扩散式燃烧器•构造与工作原理•最简单的扩散式燃烧器是在一根钢管上钻一排火孔而制成的。•燃气在一定压力下进入管内，经火孔逸出后从周围空气中获得氧气而燃烧，形成扩散火焰。•根据加热工艺的需要，自然引风式扩散燃烧器可以做成多种形式。排管扩散式燃烧器涡卷式扩散燃烧器•根据加热工艺的需要，自然引风式扩散燃烧器可以做成多种形式。•结构简单，制造方便；•燃烧稳定，不会回火且点火容易，调节方便；•可利用低压燃气；•不需要鼓风，无动力消耗。•特点及应用范围•燃烧热强度低，火焰长，需要较大的燃烧室；•容易产生不完全燃烧，甚至冒黑烟；•为使燃烧完全，必须供给较多的过剩空气。过剩空气系数较大，燃烧温度低，排烟热损失大。自然引风扩散式燃烧器主要适用于：•温度要求不高，但要求温度均匀、火焰稳定的场合，如用于沸水器、热水器、纺织业和食品业中的加热及在小型采暖锅炉中用作点火器。•有些工业窑炉要求火焰具有一定亮度或某种保护性气氛时，也可采用自然引风扩散式燃烧器。•由于它结构简单、操作方便，也常用于临时性加热设备。•层流扩散式燃烧器一般不适用于天然气和液化石油气。因为这两种燃气燃烧速度慢，容易产生不完全燃烧和烟炱。燃烧器的设计•燃烧器的功用是实现燃气的燃烧，获得必要的热能。因此，满足一定流量燃气的燃烧，保证所需要的加热负荷是对燃烧器最基本的要求。而实现燃烧的过程中还必须考虑燃烧安全和工况调节的问题。•不同种类与来源的燃气，组成成分存在差异，必然导致具有不同的燃烧特性，实现稳定燃烧所需要考虑的具体问题也不同。因此，燃烧器的设计都是针对特定种类的燃气，以一定的燃气成分为基础进行设计的。•燃烧器设计的最终成果要落实在图纸上，以图纸拿到工厂可以直接据以加工生产为目的。因此，设计之初必须要有整个设计的蓝图，落实在图纸上最基本的就是要确定燃烧器的形状、火孔如何布置、火孔的大小、火孔的数量、火孔之间的间距等等。•这些参数的确定，有些基础的数据要根据大量实验所得到的经验数据选取，可查相应的技术图表，其它参数则要通过计算获得。设计计算中所考虑到的一切细节问题都是为了满足加热负荷的要求，特别是稳定燃烧的要求。•一般取mm。•火孔太大不容易燃烧完全；火孔太小又容易被堵塞。最简单的直管式扩散燃烧器的设计计算步骤：•自然引风式扩散燃烧器的形式虽然很多，但其计算大同小异，均是以动量定理、连续性方程及火焰的稳定性为基础，目的是确定火孔直径、数目、间距及燃烧器前燃气所需要的压力。pd4~1pdspds)13~8(（1）选取火孔直径•火孔间距以保证顺利传火和防止火焰合并为原则，一般取（2）选取火孔间距（3）根据自然引风扩散燃烧稳定范围，选取火孔热强度，计算火孔出口速度pqpv610lppHqvpq—火孔热强度（kW/mm2）一般扩散燃烧器火孔设计参数燃气种类人工煤气天然气液化石油气火孔直径pd(mm)123412341234火孔额定热强度pq(kW/mm2)0.93~1.050.46~0.580.23~0.280.17~0.230.460.350.230.120.120.030.0170.009火孔中心距离s(mm)8~13pd火孔深度H(mm)1.5~20pdppqQF24ppdFn（4）计算火孔总面积（5）计算火孔数目（6）计算燃烧器头部燃气分配管截面积•为使燃气在每个火孔上均匀分布，以保证每个火孔的火焰高度整齐，头部截面积应不小于火孔总面积的两倍，即：pgFF2在管子上直接钻较小的孔时（）hTvhggpp2732122（7）计算燃烧器前燃气所需要压力•通常燃气在头部流动的方向与火孔垂直，故燃气在头部的动压不能利用，这时头部所需要的压力为：—炉膛压力（Pa），当炉膛为负压时，取负值。hhp70.0~65.0p75.0pdh77.0p5.1pdh85.0p4~2pdh82.0~75.0p——火孔流量系数，与火孔的结构特性有关。在管子上直接钻孔时，对于直径小、孔深浅的火孔，取较小值。mmdp5.1~1对于管嘴，为了保证火孔的热强度，即保证火孔出口速度，燃气压力必须等于头部所需的压力。如果，可用阀门或节流圈减压。pqpvHhhH【例题1】设计一直管式扩散燃烧器。已知：燃气热值kJ/m3；燃气压力Pa；燃气密度kg/m3；火孔前燃气温度Tg=313K；燃烧器热负荷kW；炉膛背压⊿h=0。23.3Q17618iH47.0g800H（8）布置火孔和绘制燃烧器简图。•鼓风式燃烧器中燃气燃烧所需要的全部空气均由鼓风机一次供给，但燃烧前燃气与空气并不实现预混，因此燃烧过程并不属于预混燃烧，而为扩散燃烧。•鼓风式燃烧器的燃烧强度与火焰长度均由燃气与空气的混合强度决定。为了强化燃烧过程和缩短火焰长度，常采用各种措施来加速燃气与空气的混合，例如，将燃气分成很多细小流束射入空气流中或采用空气旋流等。•根据强化混合过程所采取的措施及工艺对火焰的要求，鼓风式燃烧器可以做成套管式、旋流式、平流式等各种式样。鼓风扩散式燃烧器•构造及工作原理中心供（燃）气蜗壳式旋流燃烧器边缘供气蜗壳式旋流燃烧器•与自然引风扩散式燃烧器相比，鼓风式燃烧器燃烧热强度大，火焰长短可调节。•与热负荷相同的引射式燃烧器相比，其结构紧凑，体形轻巧，占地面积小。特别是当热负荷较大时，此优点更为突出。•鼓风式燃烧器要求燃气压力低，热负荷调节范围大，能适应正压炉膛，容易实现粉煤-燃气或油-燃气联合燃烧。•可以采用预热空气或燃气，预热温度甚至可接近燃气着火温度，因此可以极大地提高燃烧温度，这对高温工业炉来说是很必要的。•特点及应用范围•鼓风式燃烧器需要鼓风，耗费电能。•燃烧室容积热强度通常比完全预混燃烧器小，火焰较长，因此需要较大的燃烧室容积。•鼓风式燃烧器本身不具备燃气与空气成比例变化的自动调节特性，需配置自动比例调节装置。•主要用于各种工业炉及锅炉中。•鼓风式燃烧器的种类很多，其计算方法也略有差异。但是，设计任何一种鼓风式燃烧器都必须充分考虑到，要使空气、燃气两股气流在有限的空间内充分混合。•以蜗壳式燃烧器为例介绍鼓风式燃烧器的设计计算方法。鼓风扩散式燃烧器的设计计算燃气流束在空气流中的分布•当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口平面到射流轴线之间的法向距离h定义为绝对穿透深度。•绝对穿透深度h与喷嘴直径d之比，定义为相对穿透深度。•在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向上的分速度υx为出口速度υ2的5%，以喷嘴平面至该点的相对法向距离，定义为射程。1xd燃气与空气的混合原则•采用不同直径的燃气射流，以便在燃烧器截面上形成离管壁距离不等的几个环形混合层，并使每一混合层中的空气和燃气均按预定比例混合。①应采用不同孔径的喷嘴，将燃气喷入空气流中，否则无法形成均匀的混合物；②孔与孔之间的距离应保证各股燃气射流互不重叠；③在保证各股射流互不重叠的前提下，确定燃气喷嘴直径；④射流喷出速度应保证射流在空气流中的穿透深度达到预定数值，以便在燃烧器截面上形成若干个燃气-空气混合层。•在设计燃烧装置时，应根据相交气流混合过程的规律，确定燃气出口速度、空气流动速度、燃气射流孔口直径、孔间距以及燃气射流与空气流的夹角。（1）空气系统计算1）计算圆柱形空气通道直径（喷头直径）ppqQD4—圆柱形通道截面假想平均热强度，与燃气种类、燃烧器型式、负荷调节比等有关，通常取pq23/10)40~35(mkWqp2pDab2）确定蜗壳结构比•空气的旋转程度与蜗壳结构比有关。根据结构比就可以确定蜗壳尺寸。2pDab力矩就越大，旋转程度也越大，混合就进行得越快，火焰也越短。但随着值的减小，旋转程度增大，阻力损失将增大。为此，通常取a2pDab4.0~35.02pDab值越小，结构比就越小，空气流相对于燃烧器中心轴的2pDab•由于空气流的旋转，空气在通道内是按螺旋形向前流动的。因此，在圆柱形通道中心形成了一个回流区。由于存在回流区，所以空气并非沿整个圆柱形通道向前流动，而只是沿边缘环形通道向前流动。环形通道的宽度按下式计算：3）确定空气实际通道的宽度2bfpDDbfD——回流区直径回流区的尺寸与蜗壳结构有关。蜗壳供空气时的回流区尺寸273sin1)(436.01220abfpgaTDDLVv•空气在环形通道内螺旋运动的速度4）计算空气的实际流速—空气螺旋运动的实际速度（m/s），其气流轴线与燃烧器轴线的交角为av90—空气螺旋运动的平均上升角，其值与蜗壳结构有关。空气螺旋运动的平均上升角ainaaavvH2)1(2225）计算燃烧器前空气所需的压力35.02pDab9.2~8.20.2~8.1—空气入口动压下的阻力系数，对蜗壳供气，时，对切向供气，时，35.02pDab•合理的燃烧器结构应使燃气射流均匀地分布在空气流中，应严格防止燃气射流在空气射流中相互重叠。•根据射流穿透理论，当射流孔径不同时，射流穿透深度不同。计算时把环形空气通道分成若干假想环，然后选取不同的燃气孔口直径及数目，使燃气按需要量进入每个假想环中，与该假想环在内的空气进行混合。（2）燃气系统计算1）计算燃气分配室截面积''0036.01gggvLF（9-10）式中'gF—燃气分配室截面积（mm2）；'gv—燃气分配室内燃气的流速（m/s），一般取20~15'gvm/s。''0036.01gggvLF1）计算燃气分配室截面积—燃气分配室内燃气的流速（m/s），一般取m/s。'gv20~15'gv•如果燃气孔口布置在同一燃气总管上，则燃气孔口的出口速度相等。•改变孔口直径，可以改变射流穿透深度。对不同直径的孔口存在下列关系：2）计算射流穿透深度2121hhdd•为了使燃气均匀地分布在空气流