《第四章》附-气体燃料

1、二)燃气炉的燃烧设备气体燃料主要指天然气、人工煤气及石油液化气。由于它们是化工工业的 重要原料，价格也比煤和油贵，按我国目前的燃烧政策，一般不作为锅炉燃烧。然而，燃用气体燃料的锅炉可以取较大的炉膛容积热强度，易于采用各种强化 燃烧措施，因而炉膛可以相对做得小，甚至容量小于lOOtZh的气炉出能采用 组装式的。而且不存在燃料预处理、受热面结渣、磨损等问题，受热面吹灰、 烟气除尘及锅炉排渣也可免去，锅炉辅助设备精简了许多，使总投资节省。此 外，燃气锅炉负荷调节性能好，易于实现自动化，对环境保护有利。国外不少 大容量和中、小型锅炉也采用气体燃料，我国目前已有个别锅炉厂生产小型燃 气工业锅炉，也引进了

2、一批先进的气炉和油气两用锅炉。随着我国对环境保护 的日益重视和气体燃料资源的开发以及各种煤的气化技术的应用，将来，燃气 锅炉会有一定程度的发展。当然，燃气炉也有一些缺点，如一旦煤气管道爆裂 或其他原因引起气源中断，锅炉就得停炉。此外。在使用气体燃料时，还必须 有相应的防爆等安全措施。1气体燃料的燃烧(1)着火与燃烧气体燃料含灰分极少，不存在燃尽问题，因而燃烧过程由着火和燃烧组 成。燃气的热容量比煤小得多，只要很小的外界热源就能将其加热至着火点， 并以瞬时着火形态出现。各种气体燃料是由不同成分组成的，其着火温度没有 固定的数值，它取决于所含成分的性质以及所占比率的大小。表 21 7表示 一些可燃

3、气体的着火温度。燃气锅炉中，按燃气和空气是否在进燃烧室之前进行预混合，燃气的燃烧可分为三种，即扩散燃烧、无焰燃烧和大气燃烧。(1) 扩散燃烧。指事先没预混合而进入炉膛的燃烧。整个燃烧过程所需的 总时间近似等于燃气与空气之间扩散混合的时间。扩散燃烧有层流扩散和紊流 扩散两种，前者是分子之间的扩散，燃烧强度低；后者是气体分子团之间的扩 散，燃烧强度相对较高，但也只用于小容量工业锅炉。扩散燃烧比较稳定，不 易发生回火或脱火，但过量空气系数偏大，燃烧速度慢，一般不用此法来燃烧 高热值的天然气。(2) 无焰燃烧。指燃气与燃烧所需要的全部空气已完全混合后再进入炉膛 或火道燃烧。这时，混合所需的时间为零，而

4、化学反应所需的时间也缩短，只 要燃烧器出口有热源，燃烧也能在瞬间完成，而且没有火焰产生，称为无焰燃 烧。它具有燃烧速度高，燃烧强度大等特点，其炉膛容积热负荷可为扩散燃 烧热负荷的数百倍，而且燃烧完全，但易发生回火。(3) 大气燃烧。指燃气的燃烧所需的部分空气量预混合再进行的燃烧。其 一次空气率一般为 0506。燃烧时形成如图 2171 的大气火焰。这时 动力燃烧只先在火焰内锥面上，即燃烧的初始阶段；余下的燃气及燃烧产物混 合在一起，在火焰的外锥面靠二次空气补充进去进行扩散燃烧。大气燃烧的速 度、强度和过量空气系数均介于扩散燃烧与无焰燃烧之间，由于火焰的外锥仍 处于扩散燃烧，因而仍满足不了工业上

5、提高燃烧热强度的要求。当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量大于火焰传播速度时，就 会发现火焰不断地远离燃烧器火孔，到一定距离之后就发生完全熄灭，这种现 象称为脱火，脱火之后常引起曝炸，这是燃烧过程不允许的。因而，人们用脱 火极限(引起脱火的最小气流速度)作为燃烧器的一个重要指标：当气体混合物的流速在火焰面法线方向的分量小于火焰传播速度时，火焰会沿着燃烧器混合 管道逆向往回燃烧，造成设备损坏甚至引起燃烧，因而大气式燃烧器和引射式 燃烧器设计与运行时，管道内气流速度不能低于回火极限。几种可燃吒怵在空汽中前火温度工名称气岸称S得的毘小慎trtMJ朗虽人值吊得湖ftl小ffi詁得越ft人他氧河72

6、077U一軌比铢6t(1f)5w申 T660甲0 tJ5290f75.HJI乙510543-内悅5加矽1丁烷4的569己烷XK)63(1|L快浚501约7m实际运行中，脱火极限和回火极限不是同一个数值，它们与燃气性质、一次空气率大小、燃烧器出口孔径、炉内压力与温度等等因素有关。这两个值 之间存在着一个数值间隔范围(见图2172),在这个范围内选择气体混合物 的速度，就能实现稳定燃烧，即在正常运行情况下，一般不会发生脱火和回火现象。图2 1 -71大气火焰EDO0燃烧天然气时火焰的稳定范围3(2)稳定燃烧在静止的燃气和空气混合物着火之后，火焰依靠燃烧时产生的热量传给 相邻的未燃气层，使之也达到着

7、火温度并进人燃烧，形成了火焰面。这个过程 依次进行下去，就把火焰传播开来，这就是火焰传播速度。实际气炉中，燃气 和空气混合物是流动的，从图 2172中可知，一次空气含量减少时，稳定 着火有更大的范围(相应的脱火曲线与回火曲线间纵坐标差值增大)。但一次空 气过少，发生黄色火焰机会增大。此外，还可以看出，火孔尺寸小了，有助于 扩大稳定燃烧的范围。(2) 蜗壳式旋流燃烧器。图 2174 为中心供气蜗壳式旋流燃烧器。空气 经蜗壳形成旋流，燃气从中心燃气管上的许多小孔垂直喷人空气旋流中，从而 增大两种气流的接触面，使混合强化。燃气与空气混合后经缩放型喷口再进入 炉膛。这样既增强混合又使流速均匀提高，有利

8、于防止火道内产生回火。当燃 用天然气时，燃气压力约为15kPa空气流速为20-4Om/s。喷口处气流速 度为20-5Om/s。喷嘴出口处流速为1022m/&过量空气系数为1.1。喷人天然气的距离约在400-500m m以上。A% AB - B瀏柱烹空气ai#5吒I靜5孔妙1312孔 0S中心供气売式能流燃烧器作出燃烧的脱设计燃烧器时，要根据所用气体燃烧的性质及有关资料, 火和回火曲线，以确定稳定燃烧可以选用的气体混合物的流速。2.气体燃烧器气体燃烧器是燃气锅炉的重要设备，它必须保证锅炉在额定负荷下能经 济安全地连续运行。此外，还要求负荷调节性能好、自动控制程度高、结构紧 凑、成本低等等。气体燃

9、烧器种类繁多，以下按空气供给方式介绍工业锅炉上应用的几种 气体燃烧器。通常按燃烧方式将气体燃烧器分成火炬燃烧器、无焰燃烧器和鼓 风式燃烧器三种:(1)火焰燃烧器(1) 套管式燃烧器。图2173中所示套管式燃烧器，由相套的大管和小管组成。燃气从中间小管流出，空气从管子夹套中流出，两者在火道或燃烧室内边混合边燃烧。其特点是结构简单，工作稳定。缺点是燃气与空气属同心平行气流，混合效果较差，火炬较长，适用于 小型燃气锅炉。此时预混合已相当强烈，火焰已不发光。燃气曲IE套管式燃烧器(3) 大气式燃烧器。图2175为两种大气式燃烧器的结构示意图。大气 式燃烧器的特点是，不需配置鼓风装置送风,燃烧所需的空气

10、靠引射作用吸人。煤气可在较低压力下工作。在燃烧器内，仅一部分空气预先和煤气混合，在炉 膛内还需补入二次风，大气式燃烧器适用于燃烧各种特性的煤气。其优点是结 构十分简单，主要由引射器及头部两大部件组成，见图2176。但当燃烧 器热功率大时，结构显得笨重，故一般多用于小型锅炉。I型燃烧器：气流形状最佳，阻力系数最小，但长度最长。II型燃烧器：尺寸较小，但压力损失较大。(2)无焰燃烧器1燃烧道型无焰燃烧器。图2177为燃烧道型无焰燃烧器简图。该型燃烧器由混合装置、燃烧道和喷头三个部分组成。混合装置。其作用使燃气和空气良好混合。有两种方式:燃气和空气均被加压后在混合装置内混合；喷射器引射混合。可以是空

11、 气引射燃气，也可以是燃气引射空气。但多数以燃气作喷射介质，直接从大气 中吸人空气。要求：为保证吸人必要的空气，并防止回火，要求燃气具有一定的压力: 高炉煤气：510 kPa天然气：30100 kPa高炉一焦炉混合煤气：1520 kPa燃烧道的容积热强度为4. 187(500-100涉10条/口3时，用耐火材 料制成。其结构由若干层耐火隔墙构成，炽热的耐火隔墙既是可燃气体迅速稳定着火的点火源，又将可燃气流分割成许多薄层，增加可燃气体的燃烧表面积, 改善混合，从而大大强化燃烧。喷头作用，将燃气和空气混合物以一定的速度喷人燃烧道内。并要求:在最小负荷时，燃气、空气混合物流出喷头的速度应比火焰传播速

12、度高 出25%以上，以防止回火，但亦不宜过高，以避免火焰不稳定或造成脱火现 象；对热负荷大的喷头，需用空气或水来冷却，以防止烧坏喷头。(2) 带稳焰器的无焰燃烧器。图2178为带稳焰器的无焰燃烧器。由篦 状稳焰管、扩散管、喉管、收缩管、吸声罩和喷嘴等部件组成。吸声罩用毛毡 或玻璃纤维组成。篦状稳焰器用宽16mm厚0.5mm的耐高温薄钢板制成:间距约为1. 5mm,其主要性能及结构尺寸见表218。魄狀稳焰器扩散管带険焰器的无#6燃烧器的主要性能及结构尺寸105(1.0 丽卫 123.075.?133.0172.5147.0255.0 L 331.010.813.2 ；19.0 I稳焰篦尺寸h X

13、 6/jnnii涓声器B气进疋寸i mm/A/nim208 X 2D?刘J剤243 X 24J560-50344 X VN675hO/mm212724243200594765kg除端扌L桧总怪复L dp/miTi3矩形火孔无焰燃烧器。图2179为矩形火孔无焰燃烧器，由调风手柄、调风板、燃气管、喷嘴、混合管、水冷矩形头部等部件组成。其优点是喷嘴喷出的火焰呈扁平形，燃气与空气在扁平形引射器中能较好地混合。其主要特性见表219。调现板La风手柄喷4一燃气管混合管ZjijijLii水冷矩形头部uESf电号氏熱气就fi(MnPh)燃气喷孔火孔混合阶L_1 H-. 、L4.abr rGJ列tS02.S5f

14、t195 _225:30360一 1720H751002,06023027036370900ill1001203.27023032242；456930A；5t)1403.6SO3633S952534 1060V300i120,0,IJ541647f).70 &10 I24Su5(X140b 01256306S5 iSO8301495 l(W15108.2190 H55 :935 :no |i117()1980矩瑚火孔无焰燃烧器主要尺寸和性能K他尺寸(mm)汙:1 - 1 X禾仏天瘵气漩联为压力4(lkPd时之值一(4) 多引射器无焰燃烧器。图2180为多引射器无焰燃烧器，由喷孔、混合管、水冷头

15、部、稳焰锥体等部件组成。其优点是：采用多喷孔、混合管较短；混合气流遇到稳焰锥体后，相互撞击，强化燃烧。吒空吒E4 TW水待头其主要特性见表2110中所示。顼 目调节览穗筆S体立孑訊mm)1QniIV=V -37- m26 - 0467 !96T -=31 - 1401-1曲八35(15-603-60八同3ISTJl：3.6l：4”了，i：4,51-2.52102102S01I25035CSOllQ1SO150J5G务引射器无曙趙疑靄(3) 鼓风式燃烧器为了强化燃气与空气的混合，提高燃烧强度，使燃烧器结构紧凑，单个 热负荷高，工业锅炉的燃烧器常采用机械鼓风的办法。这时燃烧速度、燃烧完 善程度和火

16、焰长度完全取决于燃气与空气的混合。利用鼓风式燃烧器的主要部 件配风器和燃气分流器，可以使空气和燃气之间有一定的速度差，使燃气和空 气分成相互有交叉的细流，并使空气强烈旋转，以便混合得更加完善，保证气 体混合物在火道或炉内迅速地燃烧。鼓风式燃烧器可以利用空气预热器来的热 空气，具有较大的调节比，并能使用低压燃气，这种燃烧器是目前工业锅炉应用最广的燃烧器。其缺点就是因鼓风需增加电耗。鼓风式燃烧器一般由配风器、燃气分流器和火道组成。其种类繁多(见表21 11),常用的有旋流式和平流式两种。徒流式M冈式ffisagj的分类配凤雜ff? rI燃气分器昭式卑管式或爭TV云切向IT竭壳式轴商叶片切向叶岸中心

17、式周边式圆简式文丘利武中心周边联ft武中心式寥枪式中一周边联合式坏魅喷孔 矩形喷扎这两种燃烧器的配风器结构与油燃烧器基本相似，燃气分流器的基本形 式如表2-111所示，其结构均较简单。燃烧形成的火焰特征与通常旋流式 和直流式油燃烧器也相似，不再重述。以下列举两种常用的燃气燃烧器的例子。图2181是周边供气蜗壳式燃烧器。用它配容量为4t/h燃用天然气锅炉。天然气热值为 Qne。ar=3 52X 104kj/Nm3,燃气量为 0. 49 NIm3/&Eifi111!燃r牢气从图中可知，空气通过蜗壳产生强烈旋转，后进入内筒继续旋转向前, 燃气由管子进入内环套，并从内筒中部和端部的两排小孔径向高速喷人

18、旋转的空气流，两者强烈混合后进入火道燃烧。在内筒进口处的圆周上均布着一排曲 边矩形孔，一小部分空气从这些小孔通过进入外环套，作为二次空气在内筒端 部环缝流出，它有冷却燃烧器头部的作用。这种燃烧器混合强烈，燃烧完善；过量空气系数小，a =1. 05。但阻力 较大，燃气压力为1000OPa空气压力为1000Pa图2182为多枪平流燃烧器。高压可燃气由母管进入集气环，后再流 人分布在同一圆周上的6根喷枪，通过喷枪多孔头部高速喷出，其射流方向与 流经稳焰器的少部分空气所形成的旋转空气流的方向正好相交，提高了燃气与 空气之间的相对速度大大强化了混合。转动喷枪换向手柄，可以改变喷孔出来 的射流方向，借改变

19、混合程度来调节火焰的长度和亮度。燃气射流速度高，有 较强的刚性，它能穿人与其成正交状态的二次空气流，使混合得到改善，稳定 燃烧。这种燃烧器的过量空气系数可达1. 03。由于大部分空气不旋转，降低了鼓风电耗，空气压头为800Pa燃气为6000Pa燃气量为0. 43Nnf/s。这种燃烧器还可以达到更大容量，以适应大、中型锅炉的需要。集P孔! F枪换向于輛燃r畋枪观察孔调风手柄燃气用管3炉膛结构特点锅炉炉膛大小和形状与燃料性质关系很大，气体燃料的燃烧不像固体燃 料那样，需要依次经过干燥、挥发分析出、着火、固定碳燃烧和燃尽等过程， 也比液体燃料燃烧简单。因而燃烧所需的时间较短，炉膛容积值可以取得小些。

20、此外，气体燃烧基本不含灰分，这使受热面不受结渣影响，炉膛出口烟温可以 取得更高(1200C)。另一方面，在炉内燃烧区，由于烟气含有的固体粒子较 少，烟气辐射传热减少，而在炉膛后部，因烟气中氢气已全部燃尽，生成水蒸 气，它比c02的辐射力强，因而辐射传热有所增强。但总的说来，辐射传热比采用固体或液体燃料的燃烧产物为小。而且对 流受热面由于不存在飞灰磨损的限制，因而可以采用提高烟速来增加炉膛出口 之后受热面的对流传热量。综上所述，无论从燃烧方面，还是从传热方面，燃 气锅炉都可以选用较高的炉膛容积热强度，一般qv=1. 165. 81(MW/m3)。西方工业国家为了使燃气锅炉结构紧凑，便于组装运输，

21、 qv 一般取上限值。炉膛的形状与燃烧器的布置要结合起来考虑。以火焰(或烟气)充满度好、 火焰不冲刷到水冷壁为原则。火焰冲刷水冷壁面会引起水冷壁面结炭，影响传 热效果，并增加热损失。工业燃气锅炉一般宜选择一个燃烧器，这样结构和系 统简单，运行管理方便，成本低。若对较大容量工业锅炉，可以装两个燃烧器， 通常采用上下布置方式。因为水平布置时，若停用一个燃烧器就会发生火焰偏 离炉膛中心，影响水循环可靠性和过热汽温的调节。燃烧器可以布置在前墙、 底部；若烟气出口在炉膛底部的话，燃烧器也可以布置在炉顶。对微正压燃烧锅炉，也要考虑炉膛的严密性。新设计的天然气锅炉，有 的炉膛正压达400080OOPa炉内采

22、用各种强化燃烧措施，炉膛要有更可靠的 严密性，以防人身安全和设备的损坏。燃气锅炉尽管有自动控制系统来防止熄火爆炸，但还必须在炉膛合适的 位置加装防爆装置。94气体燃烧器一，气体燃料的燃烧气体燃料的主要成分是烃，与油的燃烧有共同的特点，在组织燃气的燃 烧时同样有如下的关键过程，即燃料与空气的及时，充分混合，加热和奢火， 燃尽。1燃料与空气的混合燃料气与空气流的混合方式通常有三种：即燃料气与空气流平行流动间 的湍流混合，燃料气与空气流按定角度或垂直相交流动及燃料气与空气流 均为旋转气流间的混合。燃料气流的速度及燃气与空气间的相对速度决定着混合的强弱 6 在气流 处于层流状态时，混合速度与流速无关，

23、流速愈大则火焰愈长，在湍流状态下， 混合很强烈，气流速度加大则火焰长度缩短。气、气的相对速度愈大，则混合 愈强烈。有时为缩短混合所需的时间，实践上常把大股的燃气分成多股小气流 喷入空气流中。气体燃料的着火温度及着火浓度限可见第四章。2气体燃料燃烧的火焰传播速度，回火和脱火1）火焰传播速度 是指燃烧火焰锋面在其法线方向上向未燃气体燃料方向传播的速度。层流状态下的火焰传播速度又称正常火焰传播速度，主要决定 于化学反应速度。一般火焰正常传播速度为0. 01-1. 0米/秒，火焰锋面的 厚度W1毫米。湍流下的火焰传播速度与雷诺数Re成正比，随着Re的增加, 在Re： 2X10 时，可达层流火焰传播速度

24、的3. 54. 0倍，按火焰传播的 理论，要维持火焰的稳定性，应保持燃料气向火焰锋面的运动速度与火焰传播 速度相等。2) 脱火：当煤气空气混合物在燃烧火焰锋面处，法线方向上的分速度大于 该混合物火焰传播速度时，火焰脱离喷口的现象称为脱火。一次风的过量空气 系数a 1h愈大，愈容易脱火，当口 1A相同时，增加燃料气量，即增大气流出 口速度，也容易脱火.。脱火时的速度称为脱火极限，是气体燃烧器的重要特 性指标。天然气火焰在脱火时，混合气中一次空气含量可按下式近似计算。lg(A7R) = (0.08 俺 0.0084)BB天然气空气混合物中，一次空气的含量，。R 一实际燃烧器热负荷与标准热负荷(16

25、, 75X10 kJ/b)之比,0. 0084适用于丙烷，天然气为0. 00&对炼焦煤气脱火时的一次空气含量按下式近似计算:Algr)=0.01BR5为防止脱火，从结构上常在燃烧器出口设有赤热的烧嘴砖或稳焰器，以 形成高温的稳定火焰源。提高燃料空气混合物的温度可以增大火焰传播速度、 减少脱火的危险。3）回火 是指燃料空气混合物在火焰锋面法线方向上的分速度小于该混 合物火焰，传播速度时，发生火焰缩回燃烧器内部的现象，称为回火。；回火 将引起爆炸-和振动，这是不安全的。火焰回火的可能性与火焰传播速度成正 比。工程上，含氢较多的人工煤气最易回火，天然气最易脱火。增大喷口直径， 即减小燃料空气混合物速度，易于回火，提高燃烧温度，火焰传播速度增大， 也易回火。为防止回火，结构上最好选用小直径燃料喷孔或在喷口处加水冷装 置，以减小火焰传播速度。图 9-21 是天然气燃烧火焰稳定范围曲线。斜线表示蜕火极限，凸形曲线 表示回火极限。从图可知，当一次空气量0：属相同时，脱火极限随喷口直 径的增加而增大，一次空气量a 1k愈小，则发生脱火和回火的可能性都减小。喷口直径愈小，稳定范围增大些。图中三种形状曲线所包围的区域是既不发生 脱火，也不