扩散式燃烧器.docx
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扩散式燃烧器
编号:
SM-ZD-79237
扩散式燃烧器
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扩散式燃烧器
简介:
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按扩散式燃烧原理设计,一次空气系数α′=0的燃烧器称为扩散式燃烧器。
根据空气供给方式不同,可分为自然通风和强制鼓风两类。
自然通风式,依靠自然抽力或扩散供给空气,多用于民用。
强制鼓风式,依靠鼓风机供给空气,多用于工业。
一、自然通风式扩散燃烧器
(一)构造及工作原理
根据工艺的要求,可做成多种形式。
1.管式扩散燃烧器
最简单的扩散式燃烧器为直管式扩散式燃烧器,俗称火管,是在一根金属管上钻一排(或多排)火孔而制成,如图3—6—1(a)所示。
燃气在一定压力下进入管内,经火孔逸出时,相当于多股自由射流与周围空气扩散混合,经点火后,进行扩散燃烧。
其结构十分简单,但管内燃气压力不易均匀,火焰高度不一。
图3-6-1管式扩散燃烧器
(a)直管式;(b)排管式;(c)环管式;(d)涡卷管式
排管燃烧器示于图3—6—1(b)。
它是由若干根钻有火孔的小管焊在一根集气管上制成的。
为了使燃烧所需的空气相对每一个火孔都畅通,要求排管间的净距离为其外径的0.6~1.0倍。
环管燃烧器示于图3—6—1(c)。
其头部呈环状,燃气压力分布较均匀,火焰高度较整齐。
图3—6—1(d)为涡卷管式燃烧器,其头部为若干根钻有火孔的涡卷形管子焊在一根集气管上。
这样,火孔布满了整个圆面,而且每个火焰都能充分接触空气,燃烧较完全。
火管一般由内径φ4~8mm的铜管或钢管制成,集气管的内截面积应大于各火管内截面积之和。
2.撞焰式扩散燃烧器
如图3—6—2所示,采用两个扩散火焰相撞的方法来加强气流扰动,强化燃气与空气的混合,从而提高燃烧稳定性和强化燃烧过程,提高燃烧温度。
两个火焰喷出方向的夹角θ一般为50°~70°,两根火管的中心距约为其外径的两倍。
为使燃气均匀地分布在各火孔上,火孔总面积必须小于管子截面积。
3.薄焰式扩散燃烧器
这种燃烧器的火孔一般用陶瓷制成,呈扇状扩散缝。
其火焰极薄,形似鱼尾,如图3—6—3所示,由于增加了火焰与空气的接触面积,使燃烧完全而稳定。
图3-6-2撞焰式扩散燃烧器
1-分配管;2-管状火孔
图3-6-3薄焰自燃通风式扩散燃烧器
4.炉床式扩散燃烧器
这种燃烧器,主要用于小型燃煤锅炉改烧燃气。
其构造如图3—6—4,由直管式扩散燃烧器和火道组成。
该燃烧器工作时,空气靠炉内负压吸入,咀可用鼓风机供给。
燃气经火孔逸出后与空气成一定角度相遇,进行紊流扩散燃烧。
图3-6-4单管炉床式扩散燃烧器
1-炉箅;2-火管;3-砖隙
除上述几种型式外,自然引风扩散式燃烧器还有孔罩式、多缝式等。
(二)特点和应用范围
自然通风式扩散燃烧器结构简单,制造方便,容易点火,操作简单,便于调节;燃烧火焰不会回火,燃烧稳定;热负荷调节范围大,对烟气压力无特殊要求;不需要鼓风,节省电能。
但一般燃烧热强度低,火焰长,需要较大的燃烧室;容易产生不完全燃烧,甚至出现冒黑烟;需较高的空气过剩系数(α=1.2~1.6),燃烧温度低,徘烟热损失较大。
这种燃烧器适用于湿度要求不高的设备。
二、鼓风式扩散燃烧器
(一)构造及工作原理
在鼓风式扩散燃烧器中,燃气燃烧所儒的全部空气由鼓风机一次供给,这时燃烧强度与火焰长度均由燃气与空气的混合强度决定。
鼓风式扩散燃烧器主要由配风器、燃气分流器以及火道组成,如图3—6—5所示。
空气由鼓风供给,在配风器作用下,与从分流器流出的燃气混合,并进入火道或直接进入炉膛燃烧。
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人空气流中,或采用空气旋流等。
根据强化混合所采取的措施及对火焰的要求,鼓风式扩散燃烧器可分为套管式、旋流式、平流式等。
图3-6-5鼓风式扩散燃烧器示意图
1-配风器;2-燃气分流器;3-火道
1.套管鼓风式扩散燃烧器
在鼓风式扩散燃烧器中,应用最广泛,结构最简单,使用最可靠的是套管式燃烧器。
它由大管套小管组成,通常燃气从中间一根或数根小管流出,空气从大管子与小管子的夹套中流出。
两者在火道或燃烧室内边混合边燃烧。
圆套管式燃烧器,如图3—6—6。
它适用各种低压燃气,燃烧稳定;但燃气与空气混合缓慢,火焰较长,需要较大的燃烧空间。
图3-6-6套管式燃烧器 此外,还有扁套管式燃烧器,由一个扁火孔套着三根燃气管组成,如图3—6—7所示。
喷出的火焰呈扇状,适用于以炉底加热为主的锻工炉等。
还有群管式燃烧器、台式工灯等,使扩散燃烧过程能满足不同的工艺要求。
2.旋流式燃烧器
其结构特点是燃烧器本身带有旋流配风器,往往采用的是蜗壳或者是导流叶片。
空气在配风器作用下产生旋流,燃气则从分流器的喷孔或缝隙中喷出,二者强烈混合进入火道或炉膛中燃烧。
根据旋流器的结构和供气方式,这种燃烧器可做成多种形式。
如导流叶片旋流式燃烧器,可分为轴向叶片旋流和切向叶片族流,其中又都有中心供燃气和周边供燃气两种不同结构,如图3—6—8为中心供气导流叶片式。
图3-6-7扁套管式燃烧器
图3-6-8中心供气导流叶片旋流式燃烧器
1-节流圈;2-导流叶片;3-燃气旋流器;4-喷口
空气以2000Pa的压力供入,经过导流叶片2形成旋流,并与中心孔口流出的燃气进行混合,然后经喷口4进入火道或燃烧室继续进行混合和燃烧。
使用人工燃气时,其压力约为800Pa;使用天然气时,其压力约为3000Pa。
当使用天然气时,中心孔口需安装燃气旋流器,使燃气也形成旋流,以加强气流混合。
此外,还有蜗壳旋流式,分中心供燃气蜗壳旋流式(如图3—6—9)及周边供燃气蜗壳旋流式等。
3.平流式燃烧器
这种燃烧器在风道中心装有稳焰器。
稳焰器可以是一个直径较小的轴向叶片旋流器,也可以是1到2块多孔板等。
稳焰器能使一小部分空气形成旋流或低速回流,以稳定火焰;大部分空气则平行流动,以较高的流速进入火道与燃气混合燃烧。
与旋流式比较,平流燃烧器更合理地组织了空气流动,空气通道阻力小,鼓风耗电也少。
多孔板式有单块和双块,这类燃烧器包括多孔板式、多枪式、文丘里管式等。
图3—6—10所示为单块多孔板子流式燃烧器。
燃气从中心管一端上的16个切向方孔喷出,大部分空气经导流片从周边流出与燃气混合,而少部分空气则经多孔稳焰板流出,空气与燃气混合后进入火道或炉膛燃烧。
由于通过小孔的空气产生紊流,形成了局部低速回流,使燃烧火焰稳定,火焰呈黄色,有较强辐射能力。
图3-6-9中心供气蜗壳旋流式燃烧器
1-调风板手柄;2-观火孔;3-蜗壳;4-圆柱形空气通道;5-燃气分配室;6-火道
图3-6-10单块多孔板平流式燃烧器
(二)鼓风式燃烧器的特点和应用范围
鼓风式燃烧器热负荷调节范围大,调节系数一般大于5%,单体热负荷大时燃烧器结构紧凑;可以预热空气或燃气,预热温度甚至可接近燃气着火温度,这对高温工业炉是很必要的;可利用低压燃气;能适应正压炉膛;容易实现煤粉—燃气、油—燃气联合燃烧。
但它需要鼓风,消耗电能;燃烧室容积热强度通常比完全预混燃烧器小,火焰较长,因而需要较大的燃烧室容积;一般情况下,本身不具备燃、空混合比的自调性,需配置调节装置。
根据上述特点,鼓风式燃烧器主要用于各类工业炉及锅炉。
三、扩散式燃烧器的设计计算
如图3—6—5,鼓风式扩散燃烧器主要由配风器、燃气分流器及火道组成。
旋流配风器的结构有蜗壳和导流叶片两种。
下面以边缘供气蜗壳式燃烧器为例,阐述这类燃烧器的设计计算方法。
(一)空气系统计算
1.计算空气通道面积Fp
式中Q——燃烧器热负荷,kW;
Qp——喷头热强度,通常QP=(35~40)×103
,kW/m²
2.确定蜗壳结构比
蜗壳供气的型式如图3—6—11,进风管截面积与蜗壳内圆直径平方之比即
称为蜗壳结构比。
它直接影响空气的旋流程度,a值越小,蜗壳结构比就越小,空气流相对于燃烧器中心轴线的力矩越大,旋转加剧,加快了气流混合,燃烧火焰亦短;但阻力损失也将增大。
所以蜗壳结构比也不宜过小,通常取为0.35~0.4。
根据结构比,就可确定蜗壳尺寸。
图3-6-11蜗壳供气型式
(a)等速蜗壳供气;(b)切向蜗壳供气
3.确定空气实际通道的宽度△
由于空气流的旋转,它在通道内是螺旋向前的,这样中心出现一个回流区,它是一个稳定的,强烈点火源。
所以,空气的实际通道只是沿着边缘的环形通道,其宽度,
式中Dbf——回流区直径,cm。
回流区的尺寸与蜗壳结构有关,可按表3—6—5确定。
表3-6-5蜗壳供气时的回流区尺寸
4.计算空气的实际流速va
空气在环形通道内螺旋运动,实际流速:
式中β——空气螺旋运动的平均上升角。
β值与蜗壳结构有关,可按表3—6—6确定。
空气螺旋运动的气流轴线与燃烧器轴线的交角为90°-β
表3-6-6空气螺旋运动的平均上升角β 5.计算燃烧器前空气所需的压力Ha
式中ζ——空气入口动压力下的阻力系数。
当蜗壳结构系数
=0.35时:
对等速蜗壳供气ζ=2.8~2.9;对切向供气ζ=1.8~2.0。
vin——燃烧器入口的空气流速:
(二)燃气系统计算
为了使燃气在空气流通截面上均匀分布,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和数目,使燃气按需要进入每个假想环中与空气混合。
1.计算燃气分配室截面积Fg′
式中vg′——燃气分配室内燃气的流速,一般取vg′=15~20m/s
2.计算燃气射流穿透深度h
在旋转气流中,从不同位置周边上、不同口径喷出的燃气细小流束,形成多股射流与受限气流的相交气流,如图3—6—12。
图3-6-12施转空气流中的燃气射流
根据相交气流的混合规律可知,改变孔口直径能使射流穿透深度发生变化。
用下角码表示孔口排列顺序,可有:
同时,燃气射流与空气混合的完善程度还取决于孔口到喷头的距离,距离愈远,混合愈均匀。
根据射流穿透深度A和直径D的关系D=0.75h,可得出,在射流边界上的最大穿透深度:
hmax=h+0.5D=1.375h
对于蜗壳旋流,空气的主要质量集中在环形通道的边缘上,其宽度约0.5△,因此燃气的主要质量也应分布于这一区域内。
一般将燃气孔口排成两圈,于是可得:
3.确定燃气孔口的数目
每圈燃气孔口的最多数目,以在射流达到穿透深度时,不使流束重叠为条件。
在上升角为β的旋转空气流中,燃气射流达到穿透深度时的射流直径为;
因此,为防止射流重叠,其最小间距smin应为:
每圈燃气孔口最多数为:
式中(Dp-2h)——燃气射流穿透深度达到h时,每圈燃气射流轴心所在的圆周长。
4.确定燃气孔口直径
燃气孔口一般为两圈,如图3—6—12,大直径孔口的燃气流量约占燃气总量的70%;小直径孔口流量约占30%。
由于各圈孔口是均分在同一燃气分配室上,所以各圈孔口的燃气出口速度都相等,因此大直径孔口的面积也应占孔口总面积的70%:
小直径孔口面积占30%。
这样,对大直径孔口就有,F2=0.7F=Z2·πd²₂/4,燃气孔口总面积为,F=εpLg/vg,其中,εF为燃气的压缩系数。
推导可得,大直径孔口
式中Ks——多股射流在相交气流中混合的有关系数。
同理,按相交气流穿透深度公式,可计算小孔口直径d1再根据F1=0.3F计算小孔口数目,最后计算孔口间距,并校核流股是否合并。
5.计算燃烧器前所需燃气压力Hg
式中εH——考虑燃气可压缩性引入的校正系数;
μg——与孔口结构特性有关的燃气孔口流量系数。
对在分配室上直接钻;μg=0.65~0.700
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