燃烧器的发展简史.doc

燃烧器的发展简史冯良,张冬霞(同济大学 机械工程学院,上海 201804)摘要： 简要叙述了燃烧器的发展历史，以及相应的理论成果，揭示了燃烧器发展过程中的推动及阻碍因素。关键词： 预混燃烧器 喷嘴混合燃烧器 低NOx 燃烧器The development history of burnerFENG Liang, ZHANG Dong-xia(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China) Abstract： Presents the development of burner, and the relevant theory. Point out the factors that drive and block the development of burner.Keywords: premix burner nozzle mix burner low NOx burner 0 概述燃烧器从开始使用到现在的多样化形式，走过了漫长的历程。从早期熔炉和烤炉简单装配的几套空气与燃气开口，到本森发明的预混燃烧器，及后来类似的喷嘴混合燃烧器，和现在为满足不同需求的特种燃烧器。燃烧器在理论及结构上都发生了深刻的变化，在很大程度上促进了现在工业的发展。1 早期燃烧器的发展19世纪中叶燃气才被作为一种工业燃料而使用，那时使用的大多是由空气或者蒸汽与煤、焦炭或者木炭反应制成的人工燃气。燃气的可燃组分是一氧化碳和氢气，由于二氧化碳和氮气的含量很高，气体的热值比较低。当时很少有设备被称为燃烧器，熔炉和烤炉简单装配了几套空气与燃气开口（图1），而后两股气流在炉子内部混合燃烧。这种技术几年前仍存在于一些再生式玻璃熔炉和开式钢铁制造熔炉中。这种燃烧方式的火焰太大而且混合太慢不能满足很多燃烧室和更低热值的燃气，熔炉或燃料必须预热过否则很容易熄火。预混式燃烧器是第一个为特定目的设计的燃烧器，它能追溯到100多年前本生及类似的实验室燃烧器，是今天预混式工业燃烧器的雏形。预混式燃烧器由头部及混合管两部分组成,在某些情况下，它们是各自独立的单元。混和器运用压力混和燃气和空气并把它们送到燃烧喷嘴处，在那找到稳定点对火焰点燃并控制火焰的形状。罗伯特.本生设计的混和管是用燃气射流来卷吸空气形成预混，而后，预混气体通过喷嘴被点燃，这就是现在所说的大气式燃烧器（图2）。它只能预混理论空气的40左右，剩下的由喷嘴周围区域供给。这种燃烧器主要用在有大量自由空气的环境中。在有高压燃气供给的地方，燃烧器可以在完全预混的工况下工作。完全预混中的混合管与大气式燃烧器中的文丘里管很相似，我们称其为引射管（图3）。高压燃气从喷嘴流出，依靠本身的能量吸入燃烧所需的全部空气,并在引射管内进行混合，从而保证了较高的燃烧强度和燃烧温度，这种燃烧器更适合于工业工艺。19世纪20年代早期，出现了一种适用于低压燃气的成比例混和管（图4）。它依照文丘里管的原理工作，就像一个引射器，不同之处在于它是空气卷吸燃气。即一定压力下的空气通过风机流过混和管的喉部，产生吸力吸入燃气。这种装置配合燃气调整器称大气调整器。它使得燃气在大气压下供给，确保了燃气与空气的比例不会有太大波动。这种系统允许燃烧器在100预混的情况下工作，并且比大气式系统有着更好的灵活性，但用风机驱动增加了费用。1.1早期燃烧器的改进所有的燃烧器都有独特的特性曲线、流动范围与燃气空气比例。在任何特性曲线外（工况）都会使燃烧器熄火。稳定燃烧率是由燃料可燃性的极限定义的，比如空气和天然气化学计量比大约是10:1，但是在5: 1的富燃状态到15:1的贫燃状态范围内混合物就可能燃烧。这些性质是燃气空气混合物的化学物理性质决定的。此外如果燃烧反应不能产生足够的热量以保持链反应进行，燃烧器将熄火。事实上，这些限制只能在严格控制的实验室条件下才能得到。在现实的工业生产条件下，由于火焰的热量被周围的烤炉或熔炉吸收，这些限制更为严格。燃气空气混合物的流速对燃烧器的工作范围也有影响。在低流速情况下，预混燃烧器有最广泛的稳定燃烧范围。随着燃烧负荷的增加，混和气体穿过燃烧器的速度增加，此时容易出现离焰。为了保持火焰稳定在燃烧器喷嘴处，将需要更多的热量传给后继引入的燃气空气混合物，这就要求有更热的火焰以及混合物的比例更接近于化学计量比。其结果如图5所示的特性曲线。最终混合物速度很高使得燃烧器的富贫比率极限汇聚成一点。在此流速下，燃烧器很难设置，极轻微的扰动都会使燃烧器熄火。在更高的流速下，气体根本不能点燃，这就是我们定义的预混燃烧器的最大着火率。通过对混合物低速区的一体化设计可以改善燃烧器的工作范围(如图6)。通常为了使火焰稳定,应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度之间的平衡。隧道式燃烧器的喷嘴末端有一个突然的扩大,这样提供了一个保护区，在保护区内混合物以低速度循环燃烧，就像是混合物主流的点火环一样。辅助火焰型燃烧器依靠一圈小孔使部分混合气沿喷嘴进入环形缝隙，在那里形成一圈稳定的火焰,为通过中心的主体混合气提供了可靠的点火源。线性红外燃烧器有大量的小孔,其中一些火焰通过保护区或孔口周围的阶梯来稳定，其它的依靠反射屏反射火焰的热量来稳定。1.2 热工艺炉内工况的改进使用稀薄空气的烤炉可以从燃烧器周围吸入空气，冷却小的热点并搅拌炉内空气使其更为均匀（图7-1）；但当熔炉在更高温度下工作时，唯一避免过热的方法就是周期性的关闭燃烧器；有复合燃烧器的熔炉中的问题，是长时间在小着火率下工作，燃烧室内的温度极不均匀，,燃烧器前方极热而其它地方则很冷。对于有着大燃烧室的直燃熔炉的限制是，快速预混火焰太短且紧凑，不能在燃烧室内均匀地投射热量，这样即使在高着火率下也有可能发生温度的不一致性。增大燃烧器有助于这个问题的解决，但是回火问题就会出现。 为了解决上述问题,设计者对烤炉、熔炉及燃烧器进行了大量不同工作区的模拟。在一台受温度不均匀和微火情况下出力不足所困扰的复合燃烧器熔炉中，设计者在接近燃烧器的地方开了些小直径的孔,助燃空气经小孔流入燃烧室形成发散冷却的同时,还在燃烧室内壁形成一层冷却保护膜,防止炽热烟气对内壁的破坏（图7-2）。在需要更长更亮的火焰的地方，设计者有时采取额外燃气或燃料油喷射，给火焰注入二次燃料（图7-3）。但这个方法有许多缺点，它可能产生黑烟，高耗油率以及派烟中存在大量的一氧化碳、氢气和其它一些可燃气体。2 近代燃烧器的发展20世纪20年代早期，有几款单机喷嘴混合燃烧器开始了商业销售。大多数是相当简单的，本质上就是两个同心管，一个走空气，另一个走燃气（图8）。这两股气流保持分离状态直到点火处，所以不会出现回火现象。除此以外，这种燃烧器与预混燃烧器在设计中没有什么改进。在高着火率的条件下，火焰也不容易脱火，但混合比率的波动仍旧是有极限的，空气与燃气的速度一定要小心控制，以确保洁净稳定的火焰。此后，设计者们很快意识到，在燃气与空气出口处安装一些火焰稳定设备，如漩流叶片、圆盘或者突出物来辅助混合过程，有助于延展着火范围和混合比例范围。对于扩展中的火焰，这些稳定器同时也产生一些安全点来自我稳定，这使得燃烧器的稳定性大有改善。随着时间的推移，更多巧妙复杂的稳定器被设计出来，燃烧器的特性曲线也得到了延展。它们可以得到比较高的着火率，并在比预混式燃烧器更宽泛的燃气空气比率下工作。 二次世界大战和朝鲜战争促使新金属与新材料得到发展，与此同时，工业热循环逐步被人们所认识。这就产生了使燃烧器要在比以前更宽泛的燃气空气比例下工作的要求（特别是空气过剩的情况下）。通常通过控制气流速度以及节流燃气来满足工艺温度的需要，设计者使燃烧器能在化学计量比和极贫状况下工作。分阶段混合使燃烧器能在空气燃气比例在50、100、200比1甚至更高的情况下工作。其基本理念就是控制燃气与空气的流速，这样在任何地点空燃比都不会超出着火极限。如图9，燃烧器穿孔的火焰稳定器把一股气流分散为几小股气流。当燃烧器在微火状况下时，只有很少量的燃气穿过它，火焰后退很接近喷嘴，只有少量的空气与其接触，此处的空燃比接近化学计量比，火焰是稳定且清洁的。燃烧产物在移向燃烧器的过程中遇到了过量空气，这样燃烧产物与空气混合可以把温度降低到任何一个工艺需求值。如果热负荷增大并且需要更高的温度，控制系统就会增加燃气的流量，随着燃气寻找足够的空气进行燃烧，火焰就会拉长，但在沿着气流路径的所有的点上，实际与燃气混合的空气量并不超过完全燃烧所需空气量。3 当代燃烧器的发展随着着火率与空燃比问题的解决，设计者们继续迎接使火焰成形以适应特别工艺的挑战。从20世纪20年代开始到50年代产生了许多有着高火焰稳定性、宽泛的着火率和空燃比的燃烧器。通过控制燃气与空气的速度与方向，可以得到各种形状的火焰，从平板型、碟型到长型与细铅笔型（图10）。燃烧器的多样性使它们适用于多种工艺。20世纪60年代开始出现了高速或者高动量燃烧器，这种燃烧器相当于在一个鼓风式燃烧器的出口处增设一个带有烟气喷嘴的燃烧室。燃气和空气在燃烧室内进行强烈的混合和燃烧，完全燃烧的高温烟气以高流速喷进炉内，与工件进行强烈的对流换热。这种燃烧器的负荷可达2330KW。到了20世纪80年代，大部分工业操作的灵活性和传热需要得到了满足。燃烧器设计与发展的脚步好像要放慢了，但一个新的挑战出现了-减少NOX的排放。这是相当难的一个课题：许多支持高燃烧效率、低一氧化碳及烃类排放的燃烧器都会提高NOX的排放级别。在高温应用情况下，燃烧预热是一种流行的节能方法，但是它提高了火焰的温度，而高火焰温度是高NOX排放的主要因素。大多数NOX形成于火焰温度达到峰值1538到1760的几秒钟里。如果温度能控制在1538以下，或者使达到峰值温度以上的时间最小化（图11），将会减少NOX的排放。目前国内外已采用的多种新型低NOX 燃烧器，其抑制原理大都是采用促进混合，分割火焰，烟气再循环，阶段燃烧，浓淡燃烧以及它们的组合形式。阶段燃烧可以降低燃烧温度，允许火焰有辐射热损失。空气分段燃烧器就是依照这个原理工作的。首先只有一部分空气与燃气接触，形成了富燃低温火焰，这种火焰允许燃气完成燃烧过程之前释放部分热量；燃料分段燃烧器则是燃气流被分开，所以在燃烧器运行的早期是贫燃的，剩下的燃气通过一个小的通道加入到火焰的下游，这时火焰已经放出了部分热量并且降低了温度；此外在火焰达到最高燃烧温度之前，向火焰内注射一些热阻性物质(运用最广泛的是冷的燃气)也可以减少NOX的排放，这就是燃气再循环技术。燃烧空气的低氧含量也可以降低火焰温度，称其为空气损伤。这个技术通常包含烟气与空气的混合，有代表性的是空气的氧含量被稀释到18至19。一些预混式燃烧器在此过程中获得了新生，贫燃预混燃烧器在很接近贫燃稳定极限的状态下工作，形成了低NOX排放且相对冷的火焰。红外辐射燃烧器在接近正常比例或高火焰温度情况下仍有着极低的NOX排放性能。它们的火焰是燃烧的燃气薄层，紧紧贴缚在燃烧器的表面。火焰中燃气的停留时间很短，随着火焰向外辐射能量火焰迅速冷却。典型的有催化氧化红外辐射燃烧器，燃气在表面催化层的催化作用下进行燃烧,不出现火焰,由表面催化层向外辐射能量,这种辐射器为扩散式燃烧不会回火且表面温度较低,产生极少量的NOX。4 结语为了满足不同工艺的要求,人们设计了各种各样的燃烧器,并且随着燃气工业的发展，又不断地创造出新型