高速氣體燃燒器研制

摘要 介紹一種高速氣體燃燒器的技術特點、設計要點和具體的設計方法，并利用液體火箭發動機的燃燒技術，為工業加熱爐開發了一種高效、節能、低污染的新型高速氣體燃燒器，填補了我國民用燃燒器技術的一項空白，已成功地應用在油田、鋼鐵、陶瓷等行業。
關鍵詞 液體火箭發動機，燃燒器，燃燒試驗。

1 前 言

高速氣體燃燒器是現代燃燒技術在工業燃燒器產業的體現，其出口處高溫燃燒產物的噴射速度可達100 m/s～300 m/s，具有節能、高效、火焰動量可控等技術優勢,在發達已經廣泛地應用在航空、鋼鐵、化工、輕工等行業的各種加熱爐上。我國在80年代引進此項技術,并有一些仿制的產品投入市場,但是由于其成本高、耐火材料內襯易壞、使用壽命短，影響了推廣。

高速氣體燃燒器是一種把燃料的化學能轉換成燃燒產物的勢能和動能的裝置，液體火箭發動機是一種把推進劑的化學能轉換成燃燒產物的熱能和動能的裝置，兩者在工作原理上有相似之處。利用在液體火箭發動機研制方面的豐富經驗，開發研制了一種多金屬結構，采用再生冷卻的高性能的高速氣體燃燒器。

1.1 高速氣體燃燒器的技術特點

a) 好確組織燃燒，燃燒效率99.9％；
b) 寬運行工況：熱負荷調節比1∶20， 空氣系數0.5～10；
c) 采用分級燃燒，有害氣體（NOx）排放符合環保標準；
d) 具有煙氣引射回流功能，可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內；
e) 多金屬結構，連續使用壽命3年。

1.2 高速燃燒器提高換熱效率的機理

在傳統的工業爐設計中，燃燒器的火焰速度大約為每秒幾米，當燃燒產物溫度在600 °C～800 °C時，爐內對流換熱與輻射換熱各占50％；在燃燒產物溫度為800 ℃以上時，以輻射換熱為主；在燃燒產物溫度達到1 400 ℃時，輻射換熱是對流換熱的10倍,所以大部分爐窯設計中,是以輻射換熱為基礎。但是在采用高速氣體燃燒器后，即使在高溫區，爐內被強化的對流換熱在綜合換熱中所占的比重大大提高，具體說明如下。

采用普通燃燒器時，火焰速度低，燃燒產物在被加熱物表面的流動為層流，層流的對流換熱系數為

h1-Nu*λ/d

式中 努謝爾特數Nu=0.332Pr1/3*Re1/2；Pr為普朗特數；Re為雷諾數；λ為氣體的導熱系數；d為流道當量直徑。

采用高速氣體燃燒器, 火焰噴射速度高(100 m/s～300 m/s),被加熱體表面流動以紊流為主，紊流附面層局部放熱系數為

h2=Nu*λ/d

式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)

設加熱爐內腔尺寸為6.45m×2.3m×2.9m，燃燒產物溫度為1 790 ℃，被加熱體溫度為900 ℃。

采用普通燃燒器，燃燒產物流速為5 m／s時，燃燒產物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為

q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/h*m2

采用高速氣體燃燒器，燃燒產物流速為150 m/s時，燃燒產物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為

q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/h*m2

q2是q1的4倍。

國外曾就輻射加熱爐和高速對流加熱爐進行過比較試驗，在0 ℃～1 200 ℃的加熱過程中，輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的6倍，在750 ℃～1 200 ℃的加熱過程中，輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的10倍。

1980年，國內引進高速氣體燃燒器在井式加熱爐上進行技術改造，原有的輻射加熱爐從0 ℃～650 ℃升溫需要24 h，而采用了高速氣體燃燒器的加熱爐從0 ℃～650 ℃升溫只需4 h，并且燃料消耗量也由于采用了高速氣體燃燒器可以節省25%～30％。

在油田，用高速氣體燃燒器改造成三合一加熱爐，加熱效率提高了1倍，而燃料消耗量節約了20％。

高速氣體燃燒器的燃燒產物高速沖進加熱爐內，攪動多倍的爐內氣體隨之摻混，可以大大提高爐內溫度均勻度。國外一家工廠用高速氣體燃燒器改造加熱爐后，爐內溫度均勻度可由±15 ℃提高到±2 ℃。國內井式加熱爐采用高速氣體燃燒器后，爐溫均勻度達到±7 ℃。

2 高速氣體燃燒器設計要點

2.1 好確組織燃燒

新研制的高速氣體燃燒器,為了達到完多燃燒，使燃氣和空氣通過眾多的噴孔分別進入燃燒室，燃氣射流與空氣射流一一撞擊，均勻混合，合成射流矢量方向應與燃燒室主軸線平行，避免一射流穿透另一射流，造成混合不均。為了減少NOx的生成，采取分區燃燒，前區燃燒溫度低于后區燃燒溫度，在燃燒室出口燃燒溫度 高。前區是貧氧燃燒，后區增加供氧，在燃燒室出口達到過?？諝庀禂?alpha;＝1。

如此設計，既能夠合理配風，保證完多燃燒，防止CO生成，又能夠維持較低的燃燒溫度，減少有害氣體NOx的生成。

2.2 燃燒室室壁冷卻

燃燒室內充滿高溫的燃燒產物,其金屬室壁必須有足夠的冷卻，才能安多工作。效仿液體火箭發動機的再生冷卻，在高速氣體燃燒器的設計中，利用空氣在燃燒室外腔流動，吸收室壁傳導的熱量，保證室壁在安多的溫度范圍內工作。同時將空氣預熱能夠促進完多燃燒和提高理論燃燒溫度。

在燃燒室噴口局部高溫區，專門設計有空氣膜保護金屬壁。

由于采取了以上的設計，高速氣體燃燒器的使用壽命可達3年，而其他單位設計生產的高速氣體燃燒器的燃燒室由耐火材料作內襯，使用壽命為幾個月，甚至有的產品，其耐火材料內襯工作不足3個月就開裂。

2.3 流阻設計

在高速氣體燃燒器設計中，為了使燃燒產物具有足夠的動量，燃燒室應該有一定的壓力。根據用戶提供的燃氣物理化學參數和速度要求，進行燃燒計算確定燃燒產物的各個熱力參數后，燃燒室內燃燒產物的壓力可以求出，即

pc=pa/[1-(k-1)w2/2kRT]k/(k-1)

式中pc為燃燒室壓力；pa為環境壓力；k為燃燒產物絕熱指數；R為燃燒產物氣體常數；T為燃燒溫度；w為燃燒產物在噴口處的流速。

空氣和燃氣進入燃燒器，流經各自的通道，經過噴孔進入燃燒室，沿途存在一定的流阻。圖1給出了燃燒器空氣流量Qk和空氣壓降Δpk的關系；圖2給出了燃燒器燃氣流量Qr和燃氣壓降Δpr的關系。

 

圖1 燃燒器空氣流路流量與壓降的關系(20 ℃) 圖2 燃燒器天然氣流路流量與壓降的關系(20 ℃)

燃燒器的空氣入口壓力pk是燃燒室壓力pc和空氣壓降Δpk之和，燃燒器的燃氣入口壓力pr是燃燒室壓力pc和燃氣壓降Δpr之和。即：

pk=pc+Δpk
pr=pc+Δpr

pk和pr不能過高，應該滿足用戶提供的使用條件。

高速氣體燃燒器在使用天然氣作燃氣時，燃燒產物速度為100 m／s，其天然氣入口壓力為2 500 Pa，空氣入口壓力為2 100 Pa。

3 設計計算

3.1 燃燒計算

通過燃燒計算確定燃氣燃燒的空氣需要量L0、燃燒產物量Vα、燃燒產物密度ρ、氣體常數R、絕熱指數K和理論燃燒溫度T。

a) 根據選定的燃氣，確定低位熱值Qyd和組成成份的容積百分比。
b) 確定燃燒1m3燃氣所需的理論空氣量L0為

L0=4.672/100*[1/2*CO+1/2*H2+(n+m/4)CnHm+3/2*H2S-O2]

式中 CO，H2，CnHm為燃氣成份容積百分比。

c) 確定燃燒1m3燃氣產生的燃燒產物量Vy為

Vy=αL0+0.38+0.075Qyd/1000

e) 確定理論燃燒溫度T為

T=(Qyd+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α>1)
T=(Qy+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α<1)

式中 Cr，Ck，Cy分別是燃氣、空氣、燃燒產物的平均比熱；Tr、Tk分別是燃氣和空氣的起始溫度；Qy為燃氣的有效發熱量。

Qy=Qyd-QVy

式中 Q為燃燒產物所含的熱量。

Q=3022Xco + 2581Xh2

式中 Xco、Xh2為燃燒CO、H2的容積百分比含量)。

f) 確定燃燒產物密度為

α＝1 時 ρy=(44Xco2 + 18XH2O +28XN2)/22.4

α<1 時 ρy=(44Xco2 + 28Xco + 18XH2O + 2XH20 + 28XN2)/22.4

式中Xco2、Xco、Xh2O、Xh2、Xn2分別為CO2、CO、H2O、H2、N2在燃燒產物中的容積百分比含量。

g) 確定燃燒產物氣體常數R為

R=8.314/Meq

式中Meq為燃燒產物的折合分子量。

 

式中Xi為第i種成分在燃燒產物中的容積百分比含量；Mi為第i種成分的分子量。

h) 確定燃燒產物絕熱指數k為

 

式中Cpi為燃燒產物中第i種成份的比熱。

3.2 燃燒室結構設計計算

a) 選定燃燒器的熱負荷Q0。
b) 確定燃氣消耗量Vr(體積)、Gr(質量)為

 

式中 ρr為燃氣密度。

c) 確定空氣消耗量Vk(體積)、Gk(質量)為

Vk=L0Vr
Gk=Vkρk

式中ρk為空氣密度。

d) 確定燃燒產物生成量Gy為 Gy=Gr+Gk
e) 根據使用條件選定燃燒產物在噴口的速度ｗe。

f) 確定燃燒室出口截面積Fe、直徑de為

Fe=GyWe/ρy(1+T/273)

g) 確定燃燒室圓筒段截面積F1、直徑d1為

 

h) 確定燃燒室圓筒段長度L1為 L1=(1~1.4)d1

3.3 燃燒室噴孔設計計算

3.3.1 燃氣噴孔設計計算

a) 燃氣噴射速度wrj的選定。

選定的原則是：燃氣射流與相應的空氣射流撞擊后，合成射流方向與燃燒室軸線平行。

b) 確定燃氣噴孔總面積Frj為 Frj=Vr/wrj
c) 確定燃氣噴射流量沿燃氣噴管長度的百分比分布。

 

根據圖3，燃氣流量在燃燒室混燃區的百分比分布，確定燃氣噴射流量沿燃氣噴管長度的百分比分布。

 

圖3 燃燒室內空氣燃氣流量的分配

d) 確定燃氣噴孔沿燃氣噴管長度的分布。

沿燃氣噴管長度方向共有ｎ組燃氣噴孔，間距約為20 mm；沿燃氣噴管圓周方向，每組共有ｍ個噴孔，ｍ＝12～24。

e) 確定各組燃氣噴孔直徑。

根據燃氣流量沿噴管長度的百分比分布，可以知道噴孔的面積百分比分布，知道每組噴孔的總面積，設同組噴孔直徑相同，則該噴孔直徑可求。

3.3.2 空氣噴孔設計計算

a) 空氣噴射速度wkj的選定。

選定的原則同3.3.1，在額定設計狀態下，建議wkj≈15m/s。

b) 確定空氣噴孔總面積Fkj為 Fkj=Vk/wkj
c) 確定空氣噴射流量在燃燒室內壁的分布。

根據圖3確定空氣流量，在額定設計狀態下，建議在點火區的空氣過剩系數α≈0.6；在混燃區末端α≈0.8；在尾燃室末端α≈1。圖4為燃燒室內氣體流程圖。

 

圖4 燃燒室內氣體流程圖

d) 混燃區空氣噴孔分組。

根據燃料噴孔分組確定空氣噴孔分組，每組空氣噴孔個數為m。

e) 尾燃區空氣噴孔的確定。

尾燃區空氣流量約占空氣總流量的20%～30%，空氣噴孔應該直徑小、數量大，在尾燃區筒內壁形成均勻的空氣冷卻膜。

4 燃燒試驗

高速氣體燃燒器經天然氣燃燒試驗，證明其工作可靠、操作簡便。

4.1 點火方式

燃燒試驗采用了兩種電點火方式，一種是高能

點火器DHZ-103，點火頻率1.5次/s，貯能12J/次；另一種是火焰監測點火器HJ-1，點火電壓15 000 V，點火嘴為汽車火花塞。

4.2 點火程序

a) 按額定負荷所需總空氣量的1/4供風；
b) 電點火器通電；
c) 打開天然氣開關，在α≈0.6時，即可成功點火。

4.3 熱負荷調節

額定熱負荷為30 m3/h的燃燒器，在試驗中，天然氣量減少至1.6　m3/h時，仍能維持燃燒(α≈14)。

4.4 空氣系數調節

試驗中，燃燒器的空氣系數調節范圍為0.5～20，均可維持燃燒。

4.5 燃氣溫度調節

試驗中，燃燒器出口實測溫度變化范圍為90 ℃～1 300 ℃(α≥2)。

5 結 論

高速氣體燃燒器是利用液體火箭發動機的燃燒技術為工業加熱爐開發的一種高效、節能、低污染燃燒器。經天然氣燃燒試驗，證明其工作可靠、操作簡單、熱負荷調節范圍大、空氣過剩系數及燃氣溫度調節范圍大。該燃燒器目前已成功地應用在油田、陶瓷、鋼鐵等行業的加熱爐上。

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