《第四章》附气体燃料.docx

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《第四章》附气体燃料

（二）燃气炉的燃烧设备

气体燃料主要指天然气、人工煤气及石油液化气。

由于它们是化工工业的重要原料，价格也比煤和油贵，按我国目前的燃烧政策，一般不作为锅炉燃烧。

然而，燃用气体燃料的锅炉可以取较大的炉膛容积热强度，易于采用各种强化燃烧措施，因而炉膛可以相对做得小，甚至容量小于100t／h的气炉出能采用组装式的。

而且不存在燃料预处理、受热面结渣、磨损等问题，受热面吹灰、烟气除尘及锅炉排渣也可免去，锅炉辅助设备精简了许多，使总投资节省。

此外，燃气锅炉负荷调节性能好，易于实现自动化，对环境保护有利。

国外不少大容量和中、小型锅炉也采用气体燃料，我国目前已有个别锅炉厂生产小型燃气工业锅炉，也引进了一批先进的气炉和油气两用锅炉。

随着我国对环境保护的日益重视和气体燃料资源的开发以及各种煤的气化技术的应用，将来，燃气锅炉会有一定程度的发展。

当然，燃气炉也有一些缺点，如一旦煤气管道爆裂或其他原因引起气源中断，锅炉就得停炉。

此外。

在使用气体燃料时，还必须有相应的防爆等安全措施。

1．气体燃料的燃烧

（1）着火与燃烧

气体燃料含灰分极少，不存在燃尽问题，因而燃烧过程由着火和燃烧组成。

燃气的热容量比煤小得多，只要很小的外界热源就能将其加热至着火点，并以瞬时着火形态出现。

各种气体燃料是由不同成分组成的，其着火温度没有固定的数值，它取决于所含成分的性质以及所占比率的大小。

表2—1—7表示一些可燃气体的着火温度。

燃气锅炉中，按燃气和空气是否在进燃烧室之前进行预混合，燃气的燃烧可分为三种，即扩散燃烧、无焰燃烧和大气燃烧。

（1）扩散燃烧。

指事先没预混合而进入炉膛的燃烧。

整个燃烧过程所需的总时间近似等于燃气与空气之间扩散混合的时间。

扩散燃烧有层流扩散和紊流扩散两种，前者是分子之间的扩散，燃烧强度低；后者是气体分子团之间的扩散，燃烧强度相对较高，但也只用于小容量工业锅炉。

扩散燃烧比较稳定，不易发生回火或脱火，但过量空气系数偏大，燃烧速度慢，一般不用此法来燃烧高热值的天然气。

（2）无焰燃烧。

指燃气与燃烧所需要的全部空气已完全混合后再进入炉膛或火道燃烧。

这时，混合所需的时间为零，而化学反应所需的时间也缩短，只要燃烧器出口有热源，燃烧也能在瞬间完成，而且没有火焰产生，称为无焰燃烧。

它具有燃烧速度高，燃烧强度大等特点，其炉膛容积热负荷可为扩散燃

烧热负荷的数百倍，而且燃烧完全，但易发生回火。

（3）大气燃烧。

指燃气的燃烧所需的部分空气量预混合再进行的燃烧。

其一次空气率一般为0．5~0．6。

燃烧时形成如图2—1—71的大气火焰。

这时动力燃烧只先在火焰内锥面上，即燃烧的初始阶段；余下的燃气及燃烧产物混合在一起，在火焰的外锥面靠二次空气补充进去进行扩散燃烧。

大气燃烧的速度、强度和过量空气系数均介于扩散燃烧与无焰燃烧之间，由于火焰的外锥仍处于扩散燃烧，因而仍满足不了工业上提高燃烧热强度的要求。

当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量大于火焰传播速度时，就会发现火焰不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就发生完全熄灭，这种现象称为脱火，脱火之后常引起曝炸，这是燃烧过程不允许的。

因而，人们用脱火极限（引起脱火的最小气流速度）作为燃烧器的一个重要指标：

当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量小于火焰传播速度时，火焰会沿着燃烧器混合管道逆向往回燃烧，造成设备损坏甚至引起燃烧，因而大气式燃烧器和引射式燃烧器设计与运行时，管道内气流速度不能低于回火极限。

实际运行中，脱火极限和回火极限不是同一个数值，它们与燃气性质、一次空气率大小、燃烧器出口孔径、炉内压力与温度等等因素有关。

这两个值之间存在着一个数值间隔范围（见图2—1—72），在这个范围内选择气体混合物的速度，就能实现稳定燃烧，即在正常运行情况下，一般不会发生脱火和回火现象。

（2）稳定燃烧

在静止的燃气和空气混合物着火之后，火焰依靠燃烧时产生的热量传给相邻的未燃气层，使之也达到着火温度并进人燃烧，形成了火焰面。

这个过程依次进行下去，就把火焰传播开来，这就是火焰传播速度。

实际气炉中，燃气和空气混合物是流动的，从图2—1—72中可知，一次空气含量减少时，稳定着火有更大的范围（相应的脱火曲线与回火曲线间纵坐标差值增大）。

但一次空气过少，发生黄色火焰机会增大。

此外，还可以看出，火孔尺寸小了，有助于扩大稳定燃烧的范围。

（2）蜗壳式旋流燃烧器。

图2—1—74为中心供气蜗壳式旋流燃烧器。

空气经蜗壳形成旋流，燃气从中心燃气管上的许多小孔垂直喷人空气旋流中，从而增大两种气流的接触面，使混合强化。

燃气与空气混合后经缩放型喷口再进入炉膛。

这样既增强混合又使流速均匀提高，有利于防止火道内产生回火。

当燃用天然气时，燃气压力约为15kPa。

空气流速为20—40m／s。

喷口处气流速度为20—50m／s。

喷嘴出口处流速为10—22m／s。

过量空气系数为1．1。

喷人天然气的距离约在400—500mm以上。

设计燃烧器时，要根据所用气体燃烧的性质及有关资料，作出燃烧的脱火和回火曲线，以确定稳定燃烧可以选用的气体混合物的流速。

2．气体燃烧器

气体燃烧器是燃气锅炉的重要设备，它必须保证锅炉在额定负荷下能经济安全地连续运行。

此外，还要求负荷调节性能好、自动控制程度高、结构紧凑、成本低等等。

气体燃烧器种类繁多，以下按空气供给方式介绍工业锅炉上应用的几种气体燃烧器。

通常按燃烧方式将气体燃烧器分成火炬燃烧器、无焰燃烧器和鼓风式燃烧器三种：

（1）火焰燃烧器

（1）套管式燃烧器。

图2—1—73中所示套管式燃烧器，由相套的大管和小管组成。

燃气从中间小管流出，空气从管子夹套中流出，两者在火道或燃烧室内边混合边燃烧。

其特点是结构简单，工作稳定。

缺点是燃气与空气属同心平行气流，混合效果较差，火炬较长，适用于小型燃气锅炉。

此时预混合已相当强烈，火焰已不发光。

（3）大气式燃烧器。

图2—1—75为两种大气式燃烧器的结构示意图。

大气式燃烧器的特点是，不需配置鼓风装置送风，燃烧所需的空气靠引射作用吸人。

煤气可在较低压力下工作。

在燃烧器内，仅一部分空气预先和煤气混合，在炉膛内还需补入二次风，大气式燃烧器适用于燃烧各种特性的煤气。

其优点是结构十分简单，主要由引射器及头部两大部件组成，见图2—1—76。

但当燃烧器热功率大时，结构显得笨重，故一般多用于小型锅炉。

Ⅰ型燃烧器：

气流形状最佳，阻力系数最小，但长度最长。

Ⅱ型燃烧器：

尺寸较小，但压力损失较大。

（2）无焰燃烧器

{1}燃烧道型无焰燃烧器。

图2—1—77为燃烧道型无焰燃烧器简图。

该型燃烧器由混合装置、燃烧道和喷头三个部分组成。

①混合装置。

其作用使燃气和空气良好混合。

有两种方式：

燃气和空气均被加压后在混合装置内混合；喷射器引射混合。

可以是空气引射燃气，也可以是燃气引射空气。

但多数以燃气作喷射介质，直接从大气中吸人空气。

要求：

为保证吸人必要的空气，并防止回火，要求燃气具有一定的压力：

高炉煤气：

5~10kPa；天然气：

30~100kPa；高炉—焦炉混合煤气：

15~20kPa。

②燃烧道的容积热强度为4．187（500~1000）×103kJ／m3·时，用耐火材料制成。

其结构由若干层耐火隔墙构成，炽热的耐火隔墙既是可燃气体迅速稳定着火的点火源，又将可燃气流分割成许多薄层，增加可燃气体的燃烧表面积，改善混合，从而大大强化燃烧。

③喷头作用，将燃气和空气混合物以一定的速度喷人燃烧道内。

并要求：

在最小负荷时，燃气、空气混合物流出喷头的速度应比火焰传播速度高出25％以上，以防止回火，但亦不宜过高，以避免火焰不稳定或造成脱火现象；对热负荷大的喷头，需用空气或水来冷却，以防止烧坏喷头。

（2）带稳焰器的无焰燃烧器。

图2—l—78为带稳焰器的无焰燃烧器。

由篦状稳焰管、扩散管、喉管、收缩管、吸声罩和喷嘴等部件组成。

吸声罩用毛毡或玻璃纤维组成。

篦状稳焰器用宽16mm、厚0.5mm的耐高温薄钢板制成：

间距约为1．5mm，其主要性能及结构尺寸见表2—1—8。

{3}矩形火孔无焰燃烧器。

图2—1—79为矩形火孔无焰燃烧器，由调风手柄、调风板、燃气管、喷嘴、混合管、水冷矩形头部等部件组成。

其优点是喷嘴喷出的火焰呈扁平形，燃气与空气在扁平形引射器中能较好地混合。

其主要特性见表2—1—9。

（4）多引射器无焰燃烧器。

图2—1—80为多引射器无焰燃烧器，由喷孔、混合管、水冷头部、稳焰锥体等部件组成。

其优点是：

采用多喷孔、混合管较短；混合气流遇到稳焰锥体后，相互撞击，强化燃烧。

其主要特性见表2—1—10中所示。

（3）鼓风式燃烧器

为了强化燃气与空气的混合，提高燃烧强度，使燃烧器结构紧凑，单个热负荷高，工业锅炉的燃烧器常采用机械鼓风的办法。

这时燃烧速度、燃烧完善程度和火焰长度完全取决于燃气与空气的混合。

利用鼓风式燃烧器的主要部件配风器和燃气分流器，可以使空气和燃气之间有一定的速度差，使燃气和空气分成相互有交叉的细流，并使空气强烈旋转，以便混合得更加完善，保证气体混合物在火道或炉内迅速地燃烧。

鼓风式燃烧器可以利用空气预热器来的热空气，具有较大的调节比，并能使用低压燃气，这种燃烧器是目前工业锅炉应用最广的燃烧器。

其缺点就是因鼓风需增加电耗。

鼓风式燃烧器一般由配风器、燃气分流器和火道组成。

其种类繁多（见表2—1—11），常用的有旋流式和平流式两种。

这两种燃烧器的配风器结构与油燃烧器基本相似，燃气分流器的基本形式如表2—1—11所示，其结构均较简单。

燃烧形成的火焰特征与通常旋流式和直流式油燃烧器也相似，不再重述。

以下列举两种常用的燃气燃烧器的例子。

图2—1—81是周边供气蜗壳式燃烧器。

用它配容量为4t／h燃用天然气锅炉。

天然气热值为Qnet。

ar=3．52×104kj／Nm3，燃气量为0．49NIm3／s。

从图中可知，空气通过蜗壳产生强烈旋转，后进入内筒继续旋转向前，燃气由管子进入内环套，并从内筒中部和端部的两排小孔径向高速喷人旋转的空气流，两者强烈混合后进入火道燃烧。

在内筒进口处的圆周上均布着一排曲边矩形孔，一小部分空气从这些小孔通过进入外环套，作为二次空气在内筒端部环缝流出，它有冷却燃烧器头部的作用。

这种燃烧器混合强烈，燃烧完善；过量空气系数小，α=1．05。

但阻力较大，燃气压力为10000Pa，空气压力为1000Pa。

图2—1—82为多枪平流燃烧器。

高压可燃气由母管进入集气环，后再流人分布在同一圆周上的6根喷枪，通过喷枪多孔头部高速喷出，其射流方向与流经稳焰器的少部分空气所形成的旋转空气流的方向正好相交，提高了燃气与空气之间的相对速度大大强化了混合。

转动喷枪换向手柄，可以改变喷孔出来的射流方向，借改变混合程度来调节火焰的长度和亮度。

燃气射流速度高，有较强的刚性，它能穿人与其成正交状态的二次空气流，使混合得到改善，稳定燃烧。

这种燃烧器的过量空气系数可达1．03。

由于大部分空气不旋转，降低了鼓风电耗，空气压头为800Pa。

燃气为6000Pa，燃气量为0．43Nm3／s。

这种燃烧器还可以达到更大容量，以适应大、中型锅炉的需要。

3．炉膛结构特点

锅炉炉膛大小和形状与燃料性质关系很大，气体燃料的燃烧不像固体燃料那样，需要依次经过干燥、挥发分析出、着火、固定碳燃烧和燃尽等过程，也比液体燃料燃烧简单。

因而燃烧所需的时间较短，炉膛容积值可以取得小些。

此外，气体燃烧基本不含灰分，这使受热面不受结渣影响，炉膛出口烟温可以取得更高（>1200℃）。

另一方面，在炉内燃烧区，由于烟气含有的固体粒子较少，烟气辐射传热减少，而在炉膛后部，因烟气中氢气已全部燃尽，生成水蒸气，它比c02的辐射力强，因而辐射传热有所增强。

但总的说来，辐射传热比采用固体或液体燃料的燃烧产物为小。

而且对流受热面由于不存在飞灰磨损的限制，因而可以采用提高烟速来增加炉膛出口之后受热面的对流传热量。

综上所述，无论从燃烧方面，还是从传热方面，燃气锅炉都可以选用较高的炉膛容积热强度，一般qv=1．16~5．81（MW／m3）。

西方工业国家为了使燃气锅炉结构紧凑，便于组装运输，qv一般取上限值。

炉膛的形状与燃烧器的布置要结合起来考虑。

以火焰（或烟气）充满度好、火焰不冲刷到水冷壁为原则。

火焰冲刷水冷壁面会引起水冷壁面结炭，影响传热效果，并增加热损失。

工业燃气锅炉一般宜选择一个燃烧器，这样结构和系统简单，运行管理方便，成本低。

若对较大容量工业锅炉，可以装两个燃烧器，通常采用上下布置方式。

因为水平布置时，若停用一个燃烧器就会发生火焰偏离炉膛中心，影响水循环可靠性和过热汽温的调节。

燃烧器可以布置在前墙、底部；若烟气出口在炉膛底部的话，燃烧器也可以布置在炉顶。

对微正压燃烧锅炉，也要考虑炉膛的严密性。

新设计的天然气锅炉，有的炉膛正压达4000~8000Pa，炉内采用各种强化燃烧措施，炉膛要有更可靠的严密性，以防人身安全和设备的损坏。

燃气锅炉尽管有自动控制系统来防止熄火爆炸，但还必须在炉膛合适的位置加装防爆装置。

§9—4气体燃烧器

一，气体燃料的燃烧

气体燃料的主要成分是烃，与油的燃烧有共同的特点，在组织燃气的燃烧时同样有如下的关键过程，即燃料与空气的及时，充分混合，加热和奢火，燃尽。

1．燃料与空气的混合

燃料气与空气流的混合方式通常有三种：

即燃料气与空气流平行流动间的湍流混合，燃料气与空气流按—‘定角度或垂直相交流动及燃料气与空气流均为旋转气流间的混合。

燃料气流的速度及燃气与空气间的相对速度决定着混合的强弱6在气流处于层流状态时，混合速度与流速无关，流速愈大则火焰愈长，在湍流状态下，混合很强烈，气流速度加大则火焰长度缩短。

气、气的相对速度愈大，则混合愈强烈。

有时为缩短混合所需的时间，实践上常把大股的燃气分成多股小气流喷入空气流中。

气体燃料的着火温度及着火浓度限可见第四章。

2．气体燃料燃烧的火焰传播速度，回火和脱火

1）火焰传播速度是指燃烧火焰锋面在其法线方向上向未燃气体燃料方向传播的速度。

层流状态下的火焰传播速度又称正常火焰传播速度，主要决定于化学反应速度。

一般火焰正常传播速度为0．01～1．0米／秒，火焰锋面的厚度≤1毫米。

湍流下的火焰传播速度与雷诺数Re成正比，随着Re的增加，在Re：

2X10‘时，可达层流火焰传播速度的3．5～4．0倍，按火焰传播的理论，要维持火焰的稳定性，应保持燃料气向火焰锋面的运动速度与火焰传播速度相等。

2）脱火：

当煤气空气混合物在燃烧火焰锋面处，法线方向上的分速度大于该混合物火焰传播速度时，火焰脱离喷口的现象称为脱火。

一次风的过量空气系数α1h愈大，愈容易脱火，当口1A相同时，增加燃料气量，即增大气流出口速度，也容易脱火.。

脱火时的速度称为脱火极限，是气体燃烧器的重要特性指标。

天然气火焰在脱火时，混合气中一次空气含量可按下式近似计算。

B—天然气空气混合物中，一次空气的含量，％。

R一实际燃烧器热负荷与标准热负荷（16，75X10‘kJ／b）之比，

0．0084适用于丙烷，天然气为0．008。

对炼焦煤气脱火时的一次空气含量按下式近似计算：

为防止脱火，从结构上常在燃烧器出口设有赤热的烧嘴砖或稳焰器，以形成高温的稳定火焰源。

提高燃料空气混合物的温度可以增大火焰传播速度、减少脱火的危险。

3）回火是指燃料空气混合物在火焰锋面法线方向上的分速度小于该混合物火焰，传播速度时，发生火焰缩回燃烧器内部的现象，称为回火。

；回火将引起爆炸-和振动，这是不安全的。

火焰回火的可能性与火焰传播速度成正比。

工程上，含氢较多的人工煤气最易回火，天然气最易脱火。

增大喷口直径，即减小燃料空气混合物速度，易于回火，提高燃烧温度，火焰传播速度增大，也易回火。

为防止回火，结构上最好选用小直径燃料喷孔或在喷口处加水冷装置，以减小火焰传播速度。

图9-21是天然气燃烧火焰稳定范围曲线。

斜线表示蜕火极限，凸形曲线表示回火极限。

从图可知，当一次空气量o：

属相同时，·脱火极限随喷口直径的增加而增大，一次空气量α1k愈小，则发生脱火和回火的可能性都减小。

喷口直径愈小，稳定范围增大些。

图中三种形状曲线所包围的区域是既不发生脱火，也不发生回火的稳定燃烧火焰区。