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典型的燃烧装置与器具
来源: | 作者:pmo7b17cb | 发布时间: 2017-09-19 | 172 次浏览 | 分享到:
燃烧装置与器具的类型很多,分类方法也各不相同。依据燃料种类可将燃烧装置与器具分为气体、液体及固体燃料的三大类型。下面重点介绍气体燃料的典型燃烧器和简要介绍液体燃料的常用燃烧器。

  燃烧装置与器具的类型很多,分类方法也各不相同。依据燃料种类可将燃烧装置与器具分为气体、液体及固体燃料的三大类型。下面重点介绍气体燃料的典型燃烧器和简要介绍液体燃料的常用燃烧器。

6.1.3.1 气体燃料的燃烧器

    气体燃料的燃烧器的种类很多,按其燃烧方式有如下几种常用的燃烧器。

    (1)扩散式燃烧器

    1)工作原理及构造 按照扩散式燃烧方法设计制作的燃烧器称为扩散式燃烧器;扩散式燃烧器由于一次空气系数α′=0,因此,燃气靠扩散作用和燃烧所需要的空气边混合边燃烧。根据燃烧过程中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。

    a.自然引风式扩散燃烧器,依靠自然抽力或扩散供给空气,燃烧前燃气与空气不进行预混。根据加热工艺需要可做成常见的不同形状管子组成的管式自然引风扩散燃烧器。

    直管式扩散燃烧器,它是在一根钢管或铜管上钻有一排火孔而制成;图6-15为搏管式扩散燃烧器,它是由若干根钻有火孔的排管焊在一根集气管上所组成的;图6-16为涡卷管式扩散燃烧器,它是由若干根钻有火孔的涡卷形管子焊在一根集气管上所组成。

     b.鼓风式扩散燃烧器,燃气燃烧所需要的全部空气是靠鼓风机一次供给,但燃烧前燃气与空气并不实现完全预混,故此燃烧过程并不属于预混燃烧,而为扩散燃烧。根据其燃烧强化过程所采取的措施及加热工艺对火焰的要求可做成套管式、旋流式及平流式等多种鼓风式扩散燃烧器。

   鼓风式套管扩散燃烧器,它是由大管和小管相套面成,且通常是燃气从中间小管流出,空气从管夹套中流出,并在火道或燃烧室内边混合边燃烧;图6-18为鼓风式导流叶片旋流燃烧器,它是由节漉阀、导流叶片及燃气旋流器等所组成,且燃气燃烧所需空气经过导流叶片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。

    2)热质传递原理及特点

    a.扩散式燃烧器的热质传递原理视其燃烧器种类和加热工艺要求有所不同。如自然引风管式扩散燃烧器,当其火头敞开燃烧对工件加热和房间采暖时,其热质传递主要靠燃烧反应放出热量,使烟气热流体的质点宏观运动所引起对流传热对工件和室内空气进行加热;强制鼓风式扩散燃烧器,多安装在炉膛或燃烧室内,其热质传递主要靠前面所述的烟气热流体的对流传热,首先加热工件和炉壁,而后炉壁的热能以电磁波形式传递能量,将热能转变为辐射能,故此种工况的热质传递主要包含对流和辐射传热两种形式。当燃烧温度不高时,主要以对流传热为主。

     b.扩散式燃烧器的特点,依据燃烧器种类及加热工艺要求不同而有所区别:

    自然引风式扩散燃烧器的主要特点是:燃烧稳定,不会回火,运行可靠;结构简单,制造容易;操作简单,点火容易;可利用低压燃气,如燃气压力为200~400Pa或更低时仍能正常工作;不需要鼓风;但燃烧强度低,火焰长,需要较大的燃烧室,并容易产生不完全燃烧,加之过剩空气系数较大,使燃烧温度低:故此种燃烧器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、纺织业和食品业的加热设备及小型采暖锅炉等。

    强制鼓风式扩散燃烧器的特点是:与热负荷相同的自然引风式燃烧器相比,其结构紧凑、体形轻巧、占地面积小;热负荷调节范围大,调节系数一般大于5;可以预热空气或预热燃气;要求燃气压力较低。但需要鼓风、电耗大;火焰较长,燃烧室容积需用量大。故此种燃烧器主要用于各种工业炉及锅炉中。

 

 (2)大气燃烧器

    1)工作原理及构造 根据预混燃烧方法设计制做的燃烧器称为大气式燃烧器,其一靠燃气自身能量吸人一次空气,并在引射器内相互混合。然后经头部火孔流出,进行燃烧。且一次空气系数α′通常为0.45~0.75。大气式燃烧器由头部和引射器两部分组成,如图6-19所示。

图6-19 大气式燃烧器

    2)热质传递原理及特点 大气式燃烧器多用于民用及公用的燃气用具。因此其热质传递原理主要以燃烧火焰的热流体的质点宏观运动靠对流传热方式首先将锅壁和器皿表壁进行加热,然后锅体和器具因内外壁面温差而进行能量迁移的分子导热来实现工艺要求的热质传递。当其燃烧火焰温度很高时,被加热的锅壁或炉灶可将热能转变为辐射能,伴有对加热物品和环境进行辐射传热;此种工况对加热物品辐射传热有利加热,但辐射能对环境的辐射传热将使热损失增加。

    大气燃烧器的主要特点是:由于燃烧前燃气预混了燃烧所需的部分空气,因此比扩散式燃烧器的火焰短,火力强,燃烧温度高;可以燃烧不同性质的燃气,燃烧比较完全。烟气中CO含量较少,燃烧效率较高;一次空气靠燃气吸人和外锥焰燃烧所需空气从大气中获得,即空气的获得不需要鼓风设备:但由于只预混了燃烧所需的部分空气,故火孔热强度及燃烧温度仍受到一定限制。

    (3)完全预混式燃烧器

    1)工作原理及构造 根据完全预混燃烧方法设计制做的燃烧器称为完全预混式燃烧器。此种燃烧器在燃烧之前燃气与空气实现完全预混,即过剩空气系数α=Ω′≥1,通常α=1.05~1.10。其构造由混合装置和头部两部分组成,根据燃烧器使用的压力、混合装置及头部结构的不同而有多种形式。不同的结构形式其工作原理也有所区别。图6-20为引射式单火道完全预混式燃烧器,它是由引射器、喷头及火道三部分组成。高(中)压燃气从喷嘴喷出,依靠自身的能量吸人燃气燃烧所需的全部空气,并在引射器内混合。混合均匀的燃气一空气混合物经喷头进入火道,在赤热的火道壁面和高温回流烟气的稳焰作用下进行燃烧:撞击式完全预混燃烧器,它是靠燃气一空气混合物与炉内赤热的耐火材料表面发生撞击而引起燃烧,

 

(a)耐火砖碎块稳焰

(b)拱顶稳焰

    2)热质传递原理及特点 由于完全预混合式燃烧器有不同的结构形式,故热质传递原理也是有别的。火道式完全预混燃烧器,由于可燃混合物的加热、着火和燃烧均在火道内进行,燃烧产生的高温回流烟气不仅将从引射器送来的混合气加热,而且更重要的是高温烟气靠对流传热将火道壁加热。当火道壁面温度上升至900-1000℃时,热能将转变为辐射能,靠两固体间的辐射传热方式实现了使不希望火焰与工件直接接触的无焰加热工艺。被加热工件内部是靠分子、原子、自由电子等微观粒子的热运动而将整个工件加热均匀。可见,此种燃烧器对加热工件的热质传递过程具有对流、辐射、传导三种方式,当火道温度高出900~1000℃时,辐射传热的方式是热质传递的主体。撞击式完全预混燃烧器,由于靠燃气一空气混合物与炉内赤热的耐火材料表面发生撞击而引起燃烧,燃烧产生的高温烟气流首先靠对流传热方式使炉内耐火材料温度进一步升高,同时也加热炉内工件和炉壁。当其炉内耐火材料、炉壁被加热900~1000℃时,使炉内工件在辐射传热及工件内部自身的热传导过程中,实现了整个工件加热的均匀性。至于此种燃烧器热质传递过程的三种方式,其传热方式的主体应视炉内炉气温度及加热工艺要求所确定。

    完全预混式燃烧器无论其结构形式的不同,均有共同的主要特点:燃烧完全,化学不完全燃烧物授少;过剩空气系数较小,α=1.05~1.10,当用于工业炉内直接加热工件时,不会引起工件过分氧化,产品质量好;燃烧温度高,容易满足高温加热工艺要求;燃烧热强度大,可缩小燃烧室容积;火道式完全预混燃烧器,能燃烧低热值燃气。但要求燃气热值和密度稳定:燃烧时发生回火的可能性大,而且调节范围较小;对于热负荷大的燃烧器,结构庞大而笨重;高压和高负荷时噪声较大。故此种燃烧器主要应用在工业加热装置上。

 

(4)其他类型的燃气燃烧器

    为了满足不同加热工艺的需要,人们还设计了各种各样的新型燃气燃烧器:

    1)平面火焰燃烧器,人们习惯称平焰燃烧器此种燃烧器有各种各样的形式,常见的有引射型平焰燃烧器、双旋平焰燃烧器及螺旋叶片平焰燃烧器等。

    引射型平焰燃烧器,它是由引射器、喷头及梅花型火道砖所组成。燃气经喷嘴吸人一次空气,混合后经喷头夹条形火孔流出,而二次空气依靠炉内负压吸人,在火孔出口处与燃气相遇,二者边混合边进入梅花型火道砖内进行燃烧,图6—23为双旋干焰燃烧器,它是由旋流器及火道两部分组成。空气和燃气经旋流器呈旋流向前流动,二者经强烈混合后进人喇叭形火道开始燃烧,在火道出口处旋转气流在离心力及烟气流的作用下向四周扩散而形成平面火焰。图6-24为螺旋叶片平焰燃烧器,它是由螺旋叶片、喷头及火道等所组成。空气经过螺旋叶片产生旋转,燃气从径向喷孔射入空气旋流中,在旋流中二者进行强烈混合后进人喇叭形火道开始燃烧而形成平面火焰。

    采用平焰燃烧器的加热炉,由于平焰的形成过程与烟气的扩展流动均是沿着炉壁内表面进行的,灼热的平面火焰及热烟气对炉壁的对流传热比普通直焰炉强烈得多。同时,平焰与炉壁直接接触,对炉壁的辐射传热也比直焰炉强烈:因此,在加热过程中,炉壁温度提高很快,炉温也随之快速升高。当炉温>1000℃时,整个炉内的辊射传热更加明显。据文献[8]第三章介绍,在高温的平焰炉中,对流传热在总传热量中不足5%,而辐射传热占总传热量的95%以上。另外,从平焰炉加热工件的热质传递过程分析得知,在整个加热过程中包含着炉气对炉壁的辐射和对流传热、炉壁对炉气和工件的辐射传热、工件对炉壁的辐射传热、炉壁的自身辐射及炉墙对大气的辐射散热;可见,辐射传热是平焰炉的传热主体。

    平焰燃烧器无论其结构形式的不同,燃烧过程中形成平面火焰是共同的,故其主要特点是:加热均匀,防止局部过热,可提高加热质量和加热速度;炉子升温及物料加热速度快,可提高质量;平面火焰离受热工件的距离比一般火焰小得多,因此加热快、节能效果好;烟气中NOx含量较其它火焰少;燃烧稳定,噪声小。但平焰燃烧器制造、安装技术要求高,在工业炉上布置方位受限制。因此,它主要用于钢铁及机械工业的加热炉上,也可用于玻璃、陶瓷及化工等工业窑炉上。

    2)浸没式燃烧器 它是根据浸没燃烧原理设计制怍的一种液体加热燃烧器。图6-25所示为浸没燃烧热水炉,它是由燃烧器、鼓泡管及水槽三部分组成。而燃烧器为浸没式,它是由混合室、喷头及火道组成。火道出口与鼓泡管连接,鼓泡管置于液体当中。燃气燃烧产生的烟气经过鼓泡管上的小孔直接喷入液体,将液体加热。图6-26所示为浸泡燃烧浓缩溶液设备,它是由燃烧器、筒体、排烟管、除沫器、鼓泡管及溢流管等所组成。其工作原理与浸没燃烧热水炉基本相同,是通过加热蒸发水分,将稀溶液浓缩成浓溶液。

    从上述的两种浸没燃烧装置的工作原理可看出,浸没燃烧法的燃烧过程属于无焰燃烧,而其传热过程中属于直接接触的传热,在浸没燃烧加热与蒸发过程中,包括了流体力学过程、传热过程和传质过程。其中传质过程是指蒸汽通过气泡表面进行的扩散过程,其扩散速率(蒸发速率)可用式(6-1)计算:

(6-1)

式中 W:扩散速率或蒸发速率;

KD:传热系数:

FD:传质面积;

Cl:气泡表面处的蒸汽质量浓度;

Cg:气泡内的蒸汽质量浓度。

传热过程是烟气将热量传给液体的过程,此过程是通过高温烟气靠浸没管壁和管外气液相流体间的间接传热和气液问的直接接触传热两个途径来实现,即传热过程的总传热量Q为:

(6-2)

式中,Q:总传热量;QW:间接传热量;QB:直接传热量。

且传热过程的传热量Q亦可用传热速率式计算。

(6-3)

式中 Q:单位时间内的传热量,kJ/s;K:传热系数;tg:气相温度,℃;tl:液相温度,℃;
F:传热面积,m2。

    浸没燃烧器的主要特点是:气液两相直接接触时所形成的无数气泡表面就是传热传质面,故传热传质面大,加之气泡在水(或溶液)中强烈扰动,使换热系数增大,可提高加热设备的热效率和蒸发效率,节能效果好。在浸没燃烧设备中,气空间系烟气与溶液蒸汽共存,溶液蒸汽分压力低于大气压力,可使溶液沸点下降,对蒸发、浓缩溶液工艺有利;浸在溶液中的只有鼓泡管,不需要加热面,可节约大量贵重金属。但浸没燃烧要求较高的燃气、空气压力,电耗大、点火困难、噪声较大。故浸泡燃烧设备在液体加热和蒸发上得到广泛应用,尤其适用于腐蚀性强、易结晶、枯稠和泡沫多的液体浓缩和蒸发。

    3)催化燃烧器 它是根据催比燃烧原理制做的一种无焰燃烧器,根据空气供给方式不同分为扩散式和引射式两种结构型式。

    图6-27为扩散式催化无焰燃烧器,它的结构主要由燃气分配管、辐射器及镀有催化剂的燃烧板(辐射板)等所组成。其工作原理是:燃气经过燃气分配管上的小孔进入辐射器,然后均匀地流向燃烧板,燃烧所需的氧气借助扩散作用由周围大气流向燃烧板,点火后,在催化剂燃烧板上进行催化燃烧反应。催化作用的结果,使燃烧反应在较低的温度下(400℃左右)进行,以实现加热工艺要求的燃烧板温度。可见,上述的催化燃烧过程包括了燃料燃烧及热量传递两个方面,即燃气和空气不断地流向燃烧板面进行催化燃烧;燃烧板面连续地进行低温热辐射将燃烧产生的热量传给各种被加热物体。图6-28为引射式催化无焰燃烧器,其结构比扩散式催化无焰燃烧器多了引射系统,其工作原理和热质传递过程与扩散式无焰燃烧器基本相同,不同之处是在燃烧板上进行的催化燃烧是预混式,故此燃烧器是一种预混式催化无焰燃烧器。它的燃烧温度比扩散式高。

     催化燃烧板是催化燃烧器的关键部件,它是由特殊材料制成的多孔板,又是催化燃烧器热量传递的辐射面。

    催化燃烧器的主要特点是:燃烧温度低(扩散式一般在400℃以下、引射式在500℃以上);催化燃烧几乎看不见火焰,可将燃烧器接近被加热物体,可缩短加热时间,提高产品产量;催化燃烧板面温度均匀,可保证加热质量;燃烧完全,烟气中氮氧化物(NOx)含量低。

    4)脉冲燃烧器 它是一种节能高效低污染的新型燃烧器,如图6-29为脉冲燃烧器示意图。它主要由燃烧室、点火器、稳焰器及共振管等所组成。燃烧过程是:燃气和空气进入燃烧室,用电火花点火;开始燃烧后,由于气体膨胀、压力升高使进气阀关闭,同时推动烟气通过共振管而排出;由于惯性作用使燃烧室形成低压而将进气阀打开使燃气和空气吸入;混合气体被前一循环产生的热量点燃,燃烧继续新的循环,以后就不需要电火花点火了。

    脉冲燃烧器主要有三种类型:燃气和空气通过调节装置调节,燃气燃烧时关闭进口,烟气排出结束时再打开;燃烧室设置单独的进气、撑气口,燃烧过程的进气、排气没有自动调节装置,气流方向通过选择管道的截面积和长度来控制;燃烧室只开一个口,交替作为进气、排气口。图6-30所示的为第一种类型。

    脉冲燃烧器可使用气体燃料、液体燃料和固体燃料。燃气和空气可通过各种型式的阀门进入燃烧室。液体燃料和固体燃料可直接喷如燃烧室,也可随空气进入燃烧室。

    脉冲燃烧器的主要特点是:结构简单,容易制造;燃烧过程近乎定容燃烧,反应浓度高,燃烧强度高;燃烧过程的排烟速度是波动的,从而提高了传热系数,通常比稳定流态传热系数提高一倍,相应地可减少换热器的传热面;燃烧室中产生的压力,使烟气以较高速度流过排气管,换热器管的管长与直径的比值高,可提高换热器的传热效率;尽管在进、排气口安装消声器和贴内衬等消声措施,仍不能完全控制噪声,使应用受到了一定限制,但仍就十分广泛,比如燃烧的热能转变为推力,可作推进器、垂直提升装置的动力能源;燃烧的热量可使液体加热应用于热水采暖装置、蒸汽发生装置等;燃烧产生的热量可将空气直接或间接加热应用于住宅采暖、车辆采暖、物料的干燥装置、烘干装置等中。可见,脉冲燃烧器也是有着广泛应用前景的。因此,脉冲燃烧器在不同的应用环境中,根据其加热工艺的要求,热质的传递过程和方式也会有所不同的。

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