工业炉设计 7章93106.docx
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工业炉设计7章93106
第七章燃料燃烧装置及其选择与计算
用来实现燃料燃烧过程的装置称为燃烧装置。
燃烧装置的基本作用是要组织燃料在炉子中的燃烧过程，从而保证炉子的经济效果和物料的良好加热。
对燃烧装置一般有如下要求：
①在炉子所需要的热负荷（B实Q低）条件下，保证燃料的充分完全燃烧。
（对于工艺上要求不完全燃烧的除外）；
②能根据炉温制度变化的要求，在规定的供热能力变化范围内，保证稳定的燃烧过程（要求具有一定的调节比）；
③按照炉型和加热工艺的要求，保证火焰有一定的外型（保证火焰长度、铺展面及火焰刚度等）；
④保证安全生产，便于操作和维修；
⑤便于实现自动调节。
因此，必须根据燃料的燃烧特点，采用合理的燃烧方法，选用适合这种燃烧方法的燃烧装置或自行设计计算燃烧装置。
通常情况下是选用合适的燃烧装置及进行必要的计算。
7.1煤气燃烧装置
煤气燃烧过程有三个阶段，即煤气与空气的混合、将混合物加热至着火温度和完成燃烧过程。
其中煤气和空气的混合是主要的，混合过程的快慢将直接影响到煤气燃烧速度和火焰长度。
当煤气和空气混合物向炉内的喷出速度小于火焰传播速度时，将产生回火现象，这是很危险的；反之煤气和空气混合物向炉内的喷出速度大于火焰传播速度时，又会产生脱火现象，同样也是很危险的。
因此，在选择燃烧装置（亦称煤气烧嘴）时，其特性参数（煤气、空气压力和空、煤气预热温度等）一定要根据生产现场的条件。
选择相应的燃烧装置；反之，当燃烧装置选定后，生产现场的工艺条件一定要满足其特性参数的要求。
根据煤气和空气在燃烧前的混合程度的不同，分为有焰燃烧和无焰燃烧，相应的烧嘴也分为有焰烧嘴和无焰烧嘴。
7.1.1有焰燃烧及其烧嘴
（1）有焰燃烧的特点
①煤气和空气在烧嘴里分两路各自流出（套管式烧嘴：
中间走煤气，外环走空气），在炉内边运行边混合边燃烧，所以混合速度慢，燃烧火焰长，在火焰长度上其温度分布较均匀。
②要达到完全燃烧，要求空气消耗系数较大，一般情况下n=1.15~1.25。
③由于燃烧速度慢，煤气中的碳氢化合物易热解而析出炭粒，提高了火焰黑度，可增加火焰对物料的辐射传热。
④由于煤气与空气在烧嘴外（炉内）混合，所以空气和煤气的预热温度可不受限制，因此可根据工艺情况，尽量提高空、煤气预热温度，节约燃料。
⑤要求空、煤气的压力较低（煤气压力为500~3000Pa，空气压力为2000~5000Pa），动力消耗较低。
⑥烧嘴能力大，结构紧凑、布置安装方便。
（2）有焰烧嘴
①煤气低压涡流式烧嘴（DW-I型）
这种烧嘴目前在工业炉上应用较广。
其特点是结构简单、紧凑（烧嘴安装间距可小于400mm），要求烧嘴前煤气压力低（最小压力为400Pa，正常为800Pa，最大压力不大于1000Pa），要求烧嘴前空气压力正常为2000Pa，当空气压力大于2500Pa时，燃烧能力增加。
这种烧嘴可燃烧干净的发生炉煤气、混合煤气、焦炉煤气。
若把煤气喷口缩小或在煤气喷口中加涡流片或节流圈，也可以燃烧天然气。
该烧嘴型号及燃烧能力见表7-1。
表7-1煤气低压涡流式烧嘴燃烧能力（标m3/h）及煤气喷口直径（mm）
烧嘴类型
煤气种类
型号
DW-I
-1
DW-I
-2
DW-I
-3
DW-I
-4
DW-I
-5
DW-I
-6
DW-I
-7
DW-I
-8
DW-I
-9
焦炉煤气（Q低=16800）
6（9）
12（12）
18（13）
25（15）
50（21）
85（28）
125（33）
190（40）
250（46）
混合煤气（Q低=8400）
11（12）
22（17）
32（19）
45（22）
90（30）
150（40）
230（50）
350（61）
480（70）
混合煤气（Q低=5460）
-
-
45（23）
60（26）
120（36）
200（48）
300（58）
450（72）
600（83）
注：
煤气低发热值单位为kJ/标m3，（）中数据为煤气喷口直径。
说明：
表7-1中的数值是烧嘴在煤气压力为800Pa，空气压力为2000Pa，空（煤）气不预热（常温），且对应一定煤气低发热值Q低情况下的额定燃烧能力。
如果空气（或煤气）预热，燃烧能力将有所降低。
空气或煤气预热后的实际燃烧能力可按下式计算：
标m3/h（7-1）
式中：
Vt—空气或煤气预热后的燃烧能力，标m3/h；
t—空气或煤气预热温度，℃；
V额—表7-1中标注的额定燃烧能力，标m3/h。
如果空气或煤气预热后仍要保持原定烧嘴的燃烧能力，则可提高烧嘴前空气或煤气压力。
所需压力按下式计算：
（7-2）
式中：
P冷，Pt—分别为空气或煤气不预热时（P冷煤气=800Pa，P冷空气=2000Pa）和预热到t℃的压力，Pa；
t—预热温度，℃。
其它条件不变时，通过改变风压可改变烧嘴的燃烧能力。
即：
（7-3）
式中：
P实—实际供风压力，Pa。
如果实际煤气低发热值Q低实与烧嘴对应燃烧能力下的额定低发热值Q低有一定差别时，为了保持烧嘴燃烧能力（标m3/h）不变，供风压力可近似按下式计算：
（7-4）
②热脏煤气烧嘴（MDK型）
表7-2热脏煤气烧嘴技术指标
烧嘴型号
MDK
-100
MDK
-150
MDK
-200
MDK
-270
MDK
-350
MDK
-470
MDK
-600
MDK
-800
MDK
-1000
MDK
-1400
燃烧能力（标m3/h）
85~115
110~150
150~200
200~270
260~350
350~470
470~660
660~880
880~1170
1170~1560
使用条件
煤气：
温度—400~500℃；Q低—5000~7100kJ/标m3；压力—98~490Pa
空气：
温度—300℃；压力—1570Pa
这种烧嘴适合使用未经净化的发生炉煤气。
其结构简单、阻力小。
其燃烧能力和使用条件见表7-2。
③低压天然气烧嘴（DT型）
表7-3低压天然气烧嘴技术条件
烧嘴型号
DT50
DT65
DT80
DT100
DT125
DT150
燃烧能力（标m3/h）
12
18
26
50
75
120
天然气压力（Pa）
4000
空气压力（Pa）
3000
该烧嘴适合使用天然气（Q低≈35500kJ/标m3），天然气和空气在烧嘴内开始混合。
其燃烧能力和技术指标见表7-3。
④天然气平焰烧嘴（TP2型）
表7-4天然气平焰烧嘴技术条件
烧嘴型号
TP2-10
TP2-15
TP2-25
TP2-35
TP2-50
TP2-75
TP2-100
TP2-150
燃烧能力（标m3/h）
10
15
25
35
50
75
100
150
火焰直径（mm）
600
800
1000
1200
1400
1800
2000
2500
火焰厚度（mm）
100-150
110-160
天然气压力（Pa）
2943
空气压力（Pa）
1324
7.1.2无焰燃烧及其烧嘴
（1）无焰燃烧的特点
①燃烧速度快，整个燃烧过程在烧嘴砖内就可完成，火焰很短，进入炉膛内只是高温气体，看不到火焰，故称无焰燃烧；
②因为煤气和空气在烧嘴内已混合均匀，所以达到完全燃烧时空气消耗系数较小，一般取n=1.03~1.05；
③高温区比较集中，由于n值较小，燃烧温度比有焰燃烧时高；
④由于燃烧速度快，火焰中的游离炭粒较少，所以火焰的黑度比有焰燃烧时小；
⑤因为煤气和空气在烧嘴内预先进行混合，所以空气和煤气的预热温度不能太高，最高温度一般要低于350~450℃，否则易产生回火；
⑥为了防止因回火而发生爆炸，烧嘴能力一般比较小。
（2）无焰燃烧烧嘴
目前广泛使用的无焰燃烧烧嘴是喷射式无焰烧嘴。
喷射介质可以是煤气，也可以是空气。
一般是煤气（冷煤气或预热煤气）作为喷射介质，空气被带入（冷空气从大气中吸入，热空气由空气管道供送）。
表7-5煤气喷射式烧嘴技术指标
煤气低热值
（KJ/标m3）
煤气温度
（℃）
烧嘴规格及其燃烧能力（m3/h）
Φ15
Φ18
Φ21
Φ24
Φ28
Φ32
Φ37
Φ42
Φ48
Φ56
Φ65
3780
5040
5880
6720
5040
5880
6720
7560
8400
300
300
300
300
20
20
20
20
20
23
16
13
12
17
13
11
9
7
33
23
19
17
24
19
16
13
10
45
32
26
23
32
25
21
17
14
59
42
34
29
42
33
28
22
18
80
57
47
40
58
45
38
30
25
104
74
61
52
75
58
49
39
32
139
99
82
70
101
78
66
53
44
179
127
105
90
129
101
84
68
56
234
166
137
117
169
132
110
89
73
319
227
188
160
230
180
181121
100
428
304
252
215
310
241
202
163
134
①MPS型煤气喷射式烧嘴
利用煤气喷出的高速气流将燃烧所需的空气量按比例吸入，因此不需要设置风机和供风系统。
其技术指标见表7-5。
②TGP-I天然气高压喷射式烧嘴
燃烧用空气为冷空气时，其技术指标见表7-6。
表7-6天然气高压喷射式烧嘴技术指标
天然气压力
（Mpa）
烧嘴规格及其燃烧能力（m3/h）
Φ15
Φ18
Φ21
Φ24
Φ28
Φ32
Φ37
Φ42
Φ48
Φ56
Φ65
Φ75
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.69
0.85
0.98
1.08
1.19
1.29
1.39
1.50
1.01
1.21
1.39
1.57
1.70
1.86
1.02
1.16
1.36
0.64
1.88
2.12
1.30
2.54
2.77
1.99
1.82
2.14
2.44
2.76
3.06
3.36
3.63
3.91
2.42
2.96
3.36
3.77
4.14
4.45
4.89
5.25
3.28
3.89
4.42
4.97
5.50
6.05
6.56
7.12
4.34
5.15
5.86
6.56
7.17
7.88
8.48
9.19
5.55
6.77
7.78
8.58
9.39
10.2
11.0
11.9
7.07
8.86
10.1
11.1
12.1
13.2
14.4
15.6
9.79
11.9
13.6
15.1
16.8
18.4
20.0
21.6
13.1
16.2
18.4
20.6
22.6
24.6
26.7
28.7
17.7
21.2
23.8
26.8
29.8
35.8
37.8
39.8
③TGW-I型天然气半喷射式烧嘴
该烧嘴利用天然气的喷射力吸入部分空气进行混合，再与鼓入的二次空气进一步混合在炉内燃烧，其烧嘴性能及技术指标见表7-7。
表7-7天然气半喷射式烧嘴技术指标
型号
二次风量（标m3/h）
燃烧能力（标m3/h）
风温300℃
风温20℃
风温300℃
风温20℃
TGW-I-1
TGW-I-2
TGW-I-3
TGW-I-4
TGW-I-5
TGW-I-6
TGW-I-7
TGW-I-8
175
265
440
700
980
1400
1940
2640
250
370
620
1000
1360
2000
2700
3700
20
30
50
80
120
160
220
300
28
42
70
112
154
224
308
420
7.2燃油燃烧装置
作为火焰炉的燃料油主要有重油、柴油等。
其中在连续加热炉上使用的燃料油主要是重油。
在锻造加热炉，尤其是热处理炉等周期工作的炉子上使用柴油居多。
燃料油的燃烧过程分为雾化、与空气混合、蒸发、热解裂化、着火燃烧。
其中，燃料油的雾化质量，雾化颗粒度的大小，以及与空气的混合状态是保证燃料油稳定燃烧的基本条件。
所以根据燃料油的雾化方法以及与空气混合条件的不同，燃油燃烧装置（即燃油喷嘴）分为：
低压油烧嘴，高压油烧嘴、油压式机械雾化油烧嘴等。
在工业炉上一般使用低压油烧嘴，其次是高压油烧嘴，油压式机械雾化油烧嘴一般不用。
7.2.1低压油烧嘴
低压油烧嘴是用鼓风机供给的空气做雾化剂，同时也作为助燃空气。
烧嘴前的空气压力一般为4000~10000Pa，最高不超过12000Pa。
因为燃油用的雾化剂压力低，所以称之低压油烧嘴。
（1）低压油烧嘴的特点
①助燃用的全部空气都作为雾化剂，雾化质量好，雾化剂费用低；
②由于雾化质量好，同时油雾与空气混合也好，在达到完全燃烧条件下，空气消耗系数较小，一般取n=1.1~1.15；
③火焰刚度较小，长度较短，燃烧过程易调节；
④烧嘴外形尺寸较大，燃烧能力较低，最大不超过200kg/h；
⑤空气预热温度受限制，一般不超过500℃。
（2）低压油烧嘴常用类型
低压油烧嘴的类型较多，下面介绍常用的几种：
①R型低压机械比例调节油烧嘴
这种烧嘴点火容易，调节比大（达1∶8），风量和油量与调节阀开度（0~90°）之间呈线性关系，易实现自动调节。
但结构较复杂，助燃空气温度一般小于150℃。
由于火焰长度短，适合于要求短火焰的炉子，例如，室状加热炉、连续加热炉、热处理炉、耐火材料焙烧炉等。
技术性能及燃烧能力见表7-8。
表7-8R型油烧嘴技术性能
风压（Pa）
4000
6000
8000
10000
12000
燃烧能力（l/h）
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
最大值
最小值
烧嘴型号
R-40
7.2
0.9
8.5
1.0
9.8
1.2
10.7
1.3
11.4
1.4
R-50
11.8
1.5
14.2
1.8
16.5
2.1
17.8
2.2
19
2.4
R-80
26.9
3.4
32.4
4.0
37.5
4.7
40.3
5.1
43.6
5.5
R-100
46
5.8
55.2
6.9
63.5
7.9
69.5
8.7
75
9.4
R-150
100
10.5
121
15.1
140
17.5
153
19.1
164
20.5
注：
①烧嘴前油压为0.02～0.1MPa；②燃油粘度≤6°E（重油预热温度>120℃）；③允许吸入二次风时，表中的燃烧能力可提高35%～50%。
②DBR型全热风机械比例调节油烧嘴
该型油烧嘴是R型的改进型，助燃空气温度可达到200~500℃。
其技术性能见表7-9。
③F-RF型油压自动比例调节油烧嘴
这种油烧嘴燃烧性能基本同R型油烧嘴，但风油比例调节方法不同，该烧嘴通过调节嘴前供油压力，使空气量与燃油量自动呈比例配合，所以更易实现自动化。
技术性能见表7-10。
表7-9DBR型油烧嘴燃烧能力（kg/h）
燃烧能力（l/h）
风温（℃）
20
200
300
350
400
450
500
烧嘴型号
DBR-50
11
8.7
7.9
7.5
7.2
7
6.8
DBR-80
25
19.7
17.9
17
16.5
15.9
15.4
DBR-100
43
33.8
30.7
29.5
28.3
27.3
26.4
DBR-125
64
50.4
45.8
43.9
42.2
40.7
39.4
DBR-150
97
76.3
69.4
66.5
63.9
61.7
59.7
DBR-200
163
128
117
112
107
104
100
注：
①表中燃烧能力是在风压为4000Pa时的能力，风压每增加1000Pa，能力增加10%；②嘴前油压：
0.1～0.3MPa；③油粘度≤6°E；④烧嘴内油管保护蒸汽压力：
0.05～0.15Mpa。
表7-10F-RF型油压自动比例调节烧嘴技术性能
技术指标
供油压力
（kPa）
燃烧能力
（kg/h）
空气流量
（标m3/h）
空气压力
（kPa）
空气温度
（℃）
调节比
燃油粘度
（mm2/h）
火焰张角
火焰长度
（m）
烧
嘴
型
号
F-RF50
49
3.7
44
6.9
<300
1：
6
36.2
（≈5°E）
25~30°
≤1.5
98
7.5
86
147
11.2
130
196
15.0
174
245
18.7
217
294
22.5
260
F-RF80
49
7.5
89
≤2
98
15.3
175
147
23.2
264
196
30.2
355
245
38.4
440
294
46.0
530
F-RF100
49
10.8
123
≤3
98
21.3
247
147
32.0
370
196
43.0
494
245
53.7
618
294
64
740
F-RF150
49
18.4
210
≤4
98
36.7
420
147
55.0
630
196
74.0
840
245
92.0
1050
294
110
1260
④QRF型高风温全热风油压自动比例调节油烧嘴
技术性能见表7-11。
表7-11QRF型高风温全热风油压自动比例调节油烧嘴技术性能
型号
QRF-100
QRF-150
QRF-200
技术指标
供油压力（MPa）
0.05-0.3
0.05-0.3
0.05-0.3
燃烧能力（kg/h）
5-30
11-65
19-112
空气流量（标m3/h）
58-345
123-740
210-1260
空气温度（℃）
500
500
500
空气压力（kPa）
6.9
6.9
6.9
蒸汽压力（MPa）
0.1
0.1
0.1
蒸汽流量（kg/h）
-4.5
-9.6
-16.5
火焰张角
20-25°
20-25°
20-25°
火焰长度（m）
≤1.5
≤2.8
≤4
燃油粘度（mm2/s）
36.2（≈5°E）
36.2（≈5°E）
36.2（≈5°E）
注：
表中蒸汽用于保护嘴内油管，以免风温高而结焦堵塞，并非起雾化作用。
当实际供风压力和供风温度与表中不等时，油烧嘴的实际燃烧能力乘以表7-12中的系数k计算得出。
表7-12QRF油烧嘴实际燃烧能力换算系数k
换算系数k
风温（℃）
350
400
450
550
风压（kPa）
3.9
0.842
0.809
0.782
0.755
4.9
0.939
0.905
0.873
0.845
5.9
1.03
0.99
0.957
0.927
6.9
1.113
1.071
1.033
1.0000
7.2.2高压油烧嘴
高压油烧嘴的燃油雾化剂通常用压缩空气或蒸汽（一般为饱和蒸汽，最好用过热蒸汽）。
用压缩空气做雾化剂时，嘴前压力一般为0.3~0.7Mpa；用蒸汽做雾化剂时，嘴前压力一般为0.3~1.2Mpa。
由于雾化剂的压力较高（>0.1MPa），所以该烧嘴称高压油烧嘴。
雾化剂的单位用量（kg/kg油）随工作压力及烧嘴结构型式的不同而不同。
高压油烧嘴的进油压力：
外混式烧嘴，一般小于0.1MPa；内混式烧嘴，接近于雾化剂压力。
（1）高压油烧嘴的特点
①结构紧凑，体积小（指烧嘴本身，不包括配风套）；
②烧嘴能力变化范围大（一般几十公斤~几百公斤，高者达几千公斤），调节比高（一般为1∶4~5，最高可达1∶10）；
③空气预热温度一般不受限制；
④与低压烧嘴相比，空气与油雾（雾化后的油）混合条件较差，为保证完全燃烧，空气消耗系数要求大些（一般取n=1.20~1.25）。
又由于雾化剂的压力高，喷出速度较大（接近于音速），所以高压油烧嘴的燃烧火焰张角较小，火焰较长（小烧嘴为2~4米，大烧嘴长达7米左右），刚度较大。
因此，高压油烧嘴，尤其是外混式烧嘴不宜用于小型炉子，一般用于熔炼炉或大型加热炉上。
⑤噪音较大。
（2）高压油烧嘴常用类型
①GW-I型高压外混旋涡式油烧嘴
技术性能见表7-13。
表7-13GW-I型高压外混旋涡式油烧嘴技术性能
高压油烧嘴型号
嘴前油压（0.03MPa），雾化剂压力（0.3MPa）
油压（0.05MPa），雾化剂压力（0.4MPa）
最大燃油量（kg/h）
压缩空气用量（kg/h）
蒸汽用量（kg/h）
最大燃油量（kg/h）
压缩空气用量（kg/h）
蒸汽用量（kg/h）
GW-I-1
15
4.5
3.5
19
5.5
4.5
GW-I-2
30
8.5
6.5
38
11
9
GW-I-3
59
17
13
76
22
17.5
GW-I-4
118
34
26
153
44.5
35
GW-I-5
176
51
39
231
67
52
GW-I-6
235
68
52
306
89
69
GW-I-7
352
101
77
460
132
103
注：
燃油粘度<8°E。
②GW-Ⅱ型高压外混热风油烧嘴
技术性能见表7-14。
表7-14GW-Ⅱ型高压外混热风油烧嘴技术性能
高压油烧嘴型号
嘴前油压（0.03~0.05MPa），雾化剂压力（
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