耐火材料与燃烧概论3资料

第13章气体燃料的燃烧气体燃料在日常生活和工农业生产中有着广泛的应用。与其它类型燃料相比，气体燃料具有一系列优点，如燃烧装置结构比较简洁，输送和调整限制比较便利，燃烧产物中的污染物含量较低，有利于爱护环境；运用气体燃料还可以减轻操作人员的劳动强度，因此开发和利用气体燃料具有重要意义。常用的气体燃料有三大类，即自然气、液化石油气和人工煤气。其可燃成分主要是H2、CO、CH4和低分子碳氢化合物。耐火材料探讨室13.1扩散燃烧和动力燃烧在气体燃料的燃烧中，由于燃料与氧化剂(空气或氧气)同为气相，所以这是一种均相燃烧。燃气和氧化剂可以在送入燃烧室之前预先混合，也可以分别送入燃烧室再进行混合。通常依据燃料与氧化剂有否预先混合可把燃烧分为两类：一类为预混燃烧，另一类为非预混燃烧。预混燃烧的特点是燃料与氧化剂预先按确定比例匀整混合，形成可燃混合气后燃烧，故燃烧速率确定于化学反应速率，燃烧受化学动力学因素限制。非预混燃烧的特点是燃料与氧化剂在燃烧装置内边扩散混合边燃烧。这时燃烧过程受到化学动力学因素与扩散混合因素的影响。假如燃烧过程主要受扩散混合因素限制，则称为扩散燃烧。反之假如主要受化学动力学因素限制，则称为动力燃烧。耐火材料探讨室气体燃料、液体燃料与固体燃料的燃烧中，依据燃烧条件可能都会出现动力燃烧和扩散燃烧，或处于两者之间的过渡燃烧。本章只探讨气体燃料的扩散燃烧，它是探讨扩散燃烧的基础。一般来说，燃烧所需的全部时间通常包括两部分：即气体燃料与氧化剂混合所需时间τmix以及燃料进行化学反应所需时间τche。假如不考虑这两种过程的重叠，则整个燃烧时间τ就是上述两种时间之和，即τ=τmix+τche。假如τmix<<τche，则τ≈τche，即燃烧过程受化学动力学因素限制，而为动力燃烧工况。这是在预混与非预混燃烧中都可能存在的状况。这时燃烧速率将猛烈地受到化学动力学因素限制，可燃混合气的性质、温度、压力、浓度等的变更将猛烈地影响燃烧速率，而气流速度、气流流过的物体形态和尺寸等与扩散混合有关的因素，对燃烧速率并无显著影响。耐火材料探讨室反之，如τmix≥τche，则τ≈τmix，即化学反应进行很快，燃烧过程受混合扩散因素限制，为扩散燃烧工况，这时燃烧速率与化学动力学因素的关系不大，而流体动力学因素对燃烧速率起主要作用。这种混合过程是通过分子扩散或气团扩散完成的。例如对非预混燃烧，当燃烧区温度高到足以使化学反应瞬间完成，这时即处于这种燃烧工况。事实上，有些燃烧过程可能处于上述两种极端状况之间，这时τmix与τche相差不大，故燃烧过程同时要受到化学动力学因素与流体力学因素影响，这是一种最困难的燃烧工况。燃料的燃烧处于哪一种燃烧工况并不完全取决于是否与氧化剂预混，而取决于τche与τmix在整个燃烧时间中所占比例，而且在确定条件下还会相互转换。通过下面的探讨有助于理解这一问题。燃料与氧化剂是否预混以及预混气中燃料与氧化剂的协作比例可用空气系数α(当氧化剂为空气时)表示。在图13-1中表示出将不同α的预混可燃气喷入空气中进行燃烧时，燃烧工况的变更。耐火材料探讨室图13-1 气体燃料燃烧火焰在不同空气系数条件下的变更状况ⅠⅠⅠⅠⅠⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅡⅡⅡⅡ123456α1>1α2=1α3<1α4<α3α5<α4α6=0耐火材料探讨室13.1.1α≥1的状况当α≥1时为纯动力燃烧(图13-1中1和2两种工况)。这时只有一层动力燃烧火焰前锋I，并且随着α的增加，动力燃烧火焰前锋将伸长。在燃烧技术中常依据火焰的外观将它分为有焰燃烧和无焰燃烧。所谓有焰燃烧．事实上即指非预混燃烧，这是由于燃料在进行边混合边燃烧过程中，因燃料经受较长时间的加热而分解，在火焰中生成较多的固体碳粒，碳粒的发光效应使火焰光明且有显明轮廓，有焰燃烧也由此而得名。也有人称它为火炬式燃烧。所谓无焰燃烧，事实上是指α>1的预混气燃烧，因为这时燃烧的火焰中含发光碳粒较少且火焰较短，在炙热的炉壁背景下几乎看不出火焰，无焰燃烧也因此而得名。耐火材料探讨室13.1.2α<1的状况对于α<1的状况，由于可燃混合气中空气不足，这时在燃烧火焰中将出现动力燃烧火焰前锋I与扩散燃烧火焰前锋II两层火焰前锋。这是由于在动力燃烧火焰前锋处只能把可燃混合气中相当于化学当量比的那部分燃料烧掉，而形成动力燃烧火焰前锋I，其余没有烧掉的燃料就与完全燃烧后生成的燃烧产物混合起来，形成一种相当于掺杂了惰性气体的气体燃料。这种气体燃料将与四周空气相互混合并接着燃烧，形成扩散火焰前锋II。随着α的减小，由于火焰传播速度的降低，动力燃烧火焰前锋变长，与此同时在动力燃烧火焰上未燃烧的剩余燃料将增加，故需从四周空气中扩散进来更多的空气才能使燃料完全燃烧，因此扩散燃烧火焰前锋也将伸长。到极端状况α=0时(即非预混燃烧)，燃烧过程就变成纯扩散燃烧。这时只有一层扩散燃烧火焰前锋II。这种现象如图13-1上的3，4，5和6所示。

耐火材料探讨室13.2扩散燃烧火焰结构在实际的气体燃料燃烧装置中，燃料与空气通常都接受射流形式供入。由于燃烧装置结构的差异，射流的形式有多种多样。诸如圆柱形射流，平行射流，交叉射流，旋转射流等，射流的流淌以及燃料与空气间的动量、质量和能量交换各有特点，因此其燃烧过程亦有差异。在扩散燃烧中，燃料与空气的混合依靠它们之间的质量扩散，因此扩散燃烧的速度也主要取决于扩散速度。流淌介质中的质量扩散过程与流淌状态有关，在层流状态，以分子扩散方式进行，在湍流状态，由于大量气团的无规则运动，强化了质量扩散，使燃料与空气之间的质量扩散速度大为增加。耐火材料探讨室燃料作圆柱形射流时的层流扩散燃烧火焰结构如图13-2中所示。气体燃料从直径为df的喷口喷出后，与四周的空气进行分子间扩散混合，通过着火燃烧后形成扩散火焰。假如对于志向状况，可认为化学反应速率很高，故火焰前锋厚度极薄，可视为一无限薄的几何面。这一火焰前锋位于燃料与空气经扩散混合而达到化学当量比的那一层表面处，否则假如火焰前锋不能稳定。假如火焰前锋处有过剩燃料，则它将扩散到火焰前锋外侧的空间，遇到空气接着燃烧，故火焰前锋必定向外移动而不能稳定在这一位置。反之，火焰前锋将向内移动。由此可见，火焰前锋面对燃料和空气都是不行渗透的，故火焰前锋内侧只有燃料与燃烧产物，不存在氧气。在火焰前锋外侧则为空气与燃烧产物，不存在燃料。耐火材料探讨室图13-2志向状况下的层流扩散火焰气体燃料W0dfhl静止空气火焰前锋耐火材料探讨室图13-3 志向状况下层流扩散火焰断面上的浓度与温度分布

Cf–燃料浓度;Co–氧浓度;CP–燃烧产物浓度;CN–氮浓度;T–温度;

f–火焰锋面CfCOCOCNCNCPCPTffOrr耐火材料探讨室扩散火焰某断面处的气体浓度和温度分布如图13-3所示。图中Cf、Co、Cp、CN分别表示燃料、氧气、燃烧产物以及氮的浓度，T表示温度，f表示火焰前锋位置。从图可以看出在火焰前锋面上化学反应特别快速，燃烧产物浓度Cp和温度均最高，并由燃料侧向火焰锋面渐渐递增，而氧浓度由空气侧向火焰锋面渐渐递减，在火焰锋面上Cf与Co均接近于零。在图13-2中由喷口到火焰前锋顶部的距离则被称为火焰高度hf，它是燃烧装置选择燃烧器的重要依据。

耐火材料探讨室层流区过渡区湍流区火孔出流速度火焰高度图13-4实际射流扩散火焰结构1–火焰顶点2–由层流向湍流的转变点.耐火材料探讨室事实上的扩散火焰有确定厚度，如图13-4所示的A、B面分别为火焰前锋的内、外表面。由图可以看出，在燃料一侧的预热区为一含氧极少的高温区，因为几乎很少有氧气能通过火焰锋面进入燃料区，故缺氧。在高温而缺氧的状况下燃料将会产生热分解，热分解的程度则视燃料与温度而不同，一般来说，碳氢化合物分子量越大，稳定性越差，温度越高，热分解反应越猛烈。甲烷的分解温度为683℃，在950℃约分解26%，在1150℃时分解99%；乙烷分解温度为485℃；丙烷为400℃；丁烷为435℃。氢和一氧化碳的热稳定性则较好，它们在2500-3000℃的高温下也能稳定。碳氢化合物分解产生的游离碳粒，如来不及燃烧，将被烟气带走，这不仅会造成不完全燃烧损失，而且形成的黑烟还会污染大气。在高温下碳粒燃烧时会产生光明的淡黄色火焰，可增加火焰辐射传热强度，故对增加炉内传热有其有利的一面。在管口直径不变时，如渐渐提高气体燃料流出速度，当雷诺数超过某一临界值，气体的流淌将从层流转变为湍流，扩散过程便由分子扩散变为气团扩散，这时燃烧状态由层流射流扩散转变为湍流射流扩散。耐火材料探讨室O理想火焰前锋实际火焰前锋CfCarAB对称轴图13-5扩散火焰长度与火孔流出速度的关系1–志向火焰前锋;2–实际火焰前锋耐火材料探讨室图13-5表示火焰高度和火焰状态随管口流出速度(管径不变时)的变更。在层流区，火焰前锋清晰，光滑和稳定，火焰高度hf几乎同流速(或雷诺数)成正比。在过渡区，火焰末端出现局部湍流，火焰前锋明显起皱，并随着流出速度的增加，火焰末端的湍流区长度增加，即由层流转变为湍流的“转变点”向管口移动，而火焰的总高度hf明显降低。当到达湍流区之后，火焰总高度hf几乎与流出速度无关，“转变点”与管口的距离则随流速的增加稍有缩短，这时几乎整个火焰前锋都产生严峻皱折，火焰亮度明显降低，并且出现燃烧噪声。以下进一步探讨扩散火焰高度问题。依据射流理论可以计算出圆柱形燃料自由射流扩散火焰的高度。在这里仅简略导出结论。耐火材料探讨室13.2.1湍流扩散火馅高度如前所述，火焰高度是指火焰在中心轴上(r=0)火焰前锋距喷嘴出口的距离。如图13-2所示。为了计算火焰的高度hf，就必需先求出火焰中的速度和组分的分布规律，然后依据火焰前锋在中心轴上的特征，确定火焰高度。为此，可利用在常流淌和不行压缩状况下，湍流圆柱形自由射流扩散火焰的动量，能量，质量守恒方程来求出射流扩散火焰中的速度和组分分布规律。由湍流自由射流的探讨可知，对射流基本段各断面的气流速度分布可近似表示为(13-1)式中，wm—该断面中心轴线上的最大速度；b—火焰在该断面处的宽度。

耐火材料探讨室式中，d0，w0—喷嘴直径和喷嘴出口处速度；Cox,Cox,o,Cox,∞—氧化剂浓度，喷嘴出口处和环境处氧化剂浓度；Cf,Cf,0—燃料浓度、喷嘴出口处浓度；β—消耗单位质量燃料所需氧的质量；C—常数，0.0128。

经推导(具体推导略)可得耐火材料探讨室式中，Whf为火焰前锋面中心处的速度。由此得出湍流圆柱形燃料自由射流扩散火焰高度

(13-3)

考虑到火焰前锋在中心轴处(r=0，h=hf)有Cox,f=0(于此其次下角标表示对应于火焰前峰面的参数)以及喷口处有Cf,0=0，Cox,0=0的条件，因(13-2)耐火材料探讨室13.2.2层流扩散火焰高度同理可求得层流圆柱形燃料自由射程扩散火焰高度为(13-4)式中，为燃料粘性系数，m2/s。式(13-3)、(13-4)表明hfl和燃料的容积流量成正比，但hft和燃料容积流量无关，hfl和燃料喷嘴直径成正比。这些结论都被试验所证明，因此这些结论对确定燃烧器的尺寸有很大参考价值。耐火材料探讨室13.2.3扩散火焰的主要特点 13.2.3.1扩散火焰的稳定性 稳定性是指火焰既不会脱火，也不产生回火，而始终“悬挂”在管口的状况。扩散燃烧时由于燃料在管内不与空气预先混合，因此不行能产生回火，这是扩散燃烧的最大优点。但管口流出速度超过某一极限值时，火焰可能脱离管口并最终熄灭。此外，扩散火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。 湍流扩散燃烧是当前工业上广泛接受的燃烧方法之一，并常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性。

耐火材料探讨室13.2.3.2碳氢化合物的热分解碳氢化合物在高温顺缺氧的环境中会分解成低分子化合物，并产生游离的碳粒。假如这些碳粒来不及完全燃烧而被燃烧产物带走，导致能量损失，造成环境污染。扩散燃烧时，火焰的根部及火焰的内侧简洁析碳，因此，如何限制碳粒生成及防止冒烟乃是扩散燃烧中值得留意的问题。耐火材料探讨室13.3气体燃料燃烧器

燃烧器因用途不同而种类繁多。对燃烧器的评价标准也因要求不同而各异，根根运用它的设备的各项要求来判定。评价一种燃烧器要看其火焰形态及其温度分布能否满足热加工的要求；以及燃烧器负荷的调整范围能否满足炉子供热制度的要求等。有时在某种条件下运用认为是比较好的燃烧器，在另一种生产条件下可能完全不能运用。因此在选择燃烧器和分析其结构特点时，必需和运用条件结合起来。一特性能良好的燃烧器应能保证燃料(煤气)和空气进行充分的混合，为混合供应必要的条件，并应在规定的负荷变更范围(调整比)内保证着火，燃烧稳定既不脱火也不回火，还应保证在规定的负荷条件下燃烧效率高。燃烧器可以从不同角度进行分类。耐火材料探讨室13.3.1有焰燃烧器在有焰燃烧器中煤气和空气是在燃烧器以外边混合边燃烧，形成可见的较长火焰，故又称火炬燃烧器。在锅炉上特殊是大型电站锅炉上燃用高发热量的自然气时，一般都接受火炬燃烧器。有焰烧嘴的具体结构型式繁多。为便于驾驭各种烧嘴的基本特点，可将有焰烧嘴按下列特征进行分类。13.3.1.1按煤气的发热量分类①高发热量煤气烧嘴(自然气、焦炉煤气、石油气烧嘴)；②中发热量煤气烧嘴(混合煤气烧嘴)；③低发热量煤气烧嘴(发生炉煤气、高炉煤气烧嘴)。耐火材料探讨室13.3.1.2按烧嘴的燃烧实力分类①小型烧嘴(100m3/h以下)；②中型烧嘴(100-500m3/h)；③大型烧嘴(500-1000m3/h)。13.3.1.3按火焰长度分类①短焰烧嘴；②长焰烧嘴。13.3.1.4按火焰长度的可调性分类①火焰长度固定(煤气量不变时)的烧嘴；②火焰长度可调的烧嘴。耐火材料探讨室13.3.1.5按煤气和空气的混合原理来分类①煤气和空气分别送入炉内的燃烧器；②煤气和空气分成若干同心气流进入炉内的燃烧器；③煤气和空气以两股平行或相交气流送入炉内的燃烧器；④煤气和空气呈很多交织状小气流而分层输入的燃烧器；⑤一种介质呈细流状进入另一种介质的燃烧器；⑥旋流式燃烧器；⑦用机械方法混合的燃烧器。耐火材料探讨室13.3.1.6按空气和煤气的预热状况分类①空气和煤气不预热的烧嘴；②空气和煤气预热的烧嘴。依据我国的燃料政策，作为燃烧用的燃料是以煤为主，因而锅炉一般不用气体燃料，但是，有一些工业窑炉，由于工艺要求，不允许用固体燃料，只能燃用液体或气体燃料，如玻璃窑炉，就不宜烧煤．近年来由于环境爱护的要求，某些宾馆及旅游点运用的锅炉也常接受气体燃料。下面介绍的燃烧器多用于工业窑炉。耐火材料探讨室(1)直管式燃烧器最简洁的有焰燃烧器，如图13-6所示。在一根直管上钻一排或互成90º-120º交叉排列的两排孔，气体燃料在确定压力下进入管内，经这些孔(称火孔)喷出后，在大气或炉膛中扩散燃烧。燃烧所需的空气，依靠扩散(或自然抽力)从四周空间或从炉排下面吸入，故又称自然引风式扩散燃烧器。这种燃烧器生产实力小，热效率低，常用于小型工业炉和民用生活炉。假如炉膛是圆形，还可将直管加工成圆环形，称圆环形燃烧器，以满足该炉的热工要求，如图13-7所示。耐火材料探讨室煤气煤气图13-7 圆环形燃烧器图13-6 直管式扩散燃烧器煤气耐火材料探讨室(2)套管式扩散燃烧器套管式燃烧器是一种强制鼓风式有焰燃烧器。其煤气通道和空气通道是两个同心套管，煤气和空气为两股平行气流，当其离开喷嘴后才起先混合，如图13-8所示。这种结构目的是有意使混合放慢，把火焰拉长。这种燃烧器不易产生回火，结构简洁，气体流淌阻力小，但混合较差。煤气和空气的压力较低，一般只需800-l000Pa，它主要用于民用生活炉及小型工业炉窑，如沸水器，热水器及纺织，食品等工业的加热设备。耐火材料探讨室

图13-8单套管燃烧器图13-9低压涡流式燃烧器空气煤气空气煤气112耐火材料探讨室(3)旋流式燃烧器旋流式燃烧器是目前工业炉窑上应用比较广泛的一类强制鼓风式有焰燃烧器，因其结构和燃烧实力不同，旋流燃烧器又分多种类型。以下简洁介绍四种。①带旋流片的旋流式燃烧器，又称低压涡流式烧嘴(DW−I型)。煤气由中心喷口喷出，空气流经空气通道上的旋流片(图中零件1)后与煤气混合，因此煤气和空气在烧嘴内部就起先混合，如图13-9所示。由于空气道装有旋流片，使空气产生了切向分速，在旋转前进中与煤气相遇，强化了混合过程，因而可以得到比较短的火焰，但是也增加了流淌阻力。它可燃用发生炉煤气，混合煤气和焦炉煤气，如把烧嘴尺寸减小，也可用来燃烧自然气。燃烧器设计的煤气压力为800Pa，空气约为2000Pa。耐火材料探讨室②扁缝旋流式燃烧器，又称扁缝涡流式燃烧器(DW-II型)，其结构如图13-10所示。在燃烧器的煤气通道中安装一个锥形的煤气分流短管，煤气沿其外壁形成中空的筒状旋转气流。空气则沿着蜗壳形通道，以与煤气相切的方向通过煤气管壁上的扁缝，并分成若干片状气流进入混合室，在混合室中与中空的筒状煤气起先进行混合，因此混合条件较好，火焰很短。这种燃烧器较适合燃烧热值为5450-8380kJ/Nm3的发生炉煤气和混合煤气。煤气和空气压力均在500-2000Pa。耐火材料探讨室

图13-10扁缝旋流式燃烧器1–锥形煤气分流短管；2–蜗壳形空气；3–缝状空气入口；4–混合室空气煤气1234耐火材料探讨室③环缝旋流式燃烧器。这种燃烧器的结构示于图13-11，煤气由管1引入，在圆柱形分流短管的作用下，形成中空筒状气流，并经过喷头的环状缝隙3进入烧嘴头4，空气从蜗壳形空气室5通过空气环缝6旋转喷出，在烧嘴头4中与煤气相遇而起先混合。这种燃烧器主要用来烧低热值煤气(其发热值为3770~9220kJ/Nm3)，出口断面缩小后也可用于焦炉煤气和自然气。燃烧器出口的煤气和空气压力约为2000~4000Pa。煤气应清洗干净，否则简洁堵塞喷口。为防止回火，最小出口速度为10m/s左右。耐火材料探讨室

图13-11环缝旋流式燃烧器1–煤气入口；2–煤气喷头；3–环缝；4–烧嘴头；5–涡壳形空气室；6–空气环缝12356空气4D耐火材料探讨室④中心进气旋流燃烧器。这是一种燃烧自然气的燃烧器，如图13-12所示。自然气是高热值气体燃料，燃烧时须要大量空气(V0＝9-10Nm3/Nm3)，由于自然气与空气的混合物的着火浓度范围小，燃烧温度高，因此如何使少量的自然气与大量的空气混合好是自然气燃烧的主要问题，这就是高热值燃烧器的特点。在中心进气旋流式燃烧器中，自然气是从中心的一个圆管送入，然后从管子末端的多排小孔喷入作旋转运动的空气流中。空气是用蜗壳来产生旋转流淌的，自然气与空气混合后，经缩放型喷口，进一步加强两者的混合后进入燃烧室。这种燃烧器还有各种不同的结构形式，耐火材料探讨室图13-12中心进气旋流式燃烧器自然气空气自然气喷孔耐火材料探讨室13.3.2无焰燃烧器13.3.2.1无焰燃烧的主要特点无焰燃烧是在燃烧之前先将燃料与空气按确定比例(α≥1)预先混合成可燃混合气，然后再从燃烧器喷出进行燃烧，属动力燃烧类型。它具有以下主要特点：①燃料与空气在进入燃烧室之前已进行预先混合，在燃烧过程中已不须要混合时间，因此燃烧过程总的时间事实上确定于化学反应的时间。②燃料完全燃烧时所需空气系数很小，一般α=1.05-1.15，甚至可低到α=1.03-1.05，而燃尽程度却很高，其化学不完全燃烧损失接近于零。耐火材料探讨室③由于可燃混合气α很小，当它在绝热的燃烧道内燃烧时，燃烧温度很高，接近于理论燃烧温度，所以无焰燃烧器的容积热强度(指在单位燃烧室体积内单位时间的燃烧放热量)很高，可以比有焰燃烧器的容积热强度高100倍以上，即在较小体积内可达到较高的燃烧完全程度。④燃烧火焰很短，在炙热的燃烧道背景下，甚至看不到火焰，所以称无焰燃烧，其火炬的热辐射力较差。⑤燃烧稳定性较差，简洁回火。耐火材料探讨室无焰燃烧器主要由三部分组成，即混合部分，喷头和燃烧道。(1)混合部分。包括混合器和混合管，其作用是使煤气和空气良好的混合，一般说来说，混合方法通常有三种，即：①利用煤气和空气流的交角和速度差，使两者混合。这种方法简洁，但可能因煤气和空气压力不稳定，从而使燃烧难于限制，所以这种方法很少接受。②空气利用鼓风机增压后再与煤气混合，这种燃烧器具有结构紧凑，单个燃烧器热负荷高，调整比大，空气可以加热等优点，故广泛用于各工业部门。③利用引射原理，空气被煤气引射吸入并与之混合，这种燃烧器应用也极广。13.3.1.2无焰燃烧器的结构耐火材料探讨室(2)喷头。喷头是用来使可燃混合气以确定的速度送入燃烧道的设备。一般为收缩状，其出口断面上的流速分布比较匀整，有利于防止回火。从喷头喷出的流速必需超过火焰传播速度(为避开回火)。更准确地说，燃烧器在最小负荷时，混合物的喷出速度至少要比火焰传播速度高出25%，但不宜超过100%。可燃混合气出口的流速一般为30-50m/s。由于燃烧是在喷头出口处旁边进行，故喷头易被高温烧坏，为此对生产率不大的喷头可接受喷头上的散热片散热，对于生产率大的喷头可做成水冷喷头，它同时也是防止结焦和回火的一个有效措施。耐火材料探讨室(3)燃烧道。燃烧道的作用是加热可燃混合气，并在其中进行燃烧。其容积强度可达60×l03kW/m3以上。这表明在这里气体燃料的燃烧速率很高。为了保证快速地燃烧，燃烧道必需很快地使冷的可燃混合气加热至着火温度，这可依靠燃烧道壁面的高温辐射，或者利用旋转气流的中心回流作用，将高温燃烧产物回流到火焰根部加热可燃混合气，同时它也是一个牢靠的点火源。在燃烧道内的温度接近于燃烧的理论温度，因此燃烧道的材料必需具有高耐火性，且导热性要小。为了增加燃烧道的内表面积，使更多的可燃混合气受热，要求内表面积有确定的粗糙度。耐火材料探讨室图13-13 引射式无焰燃烧器结构示意图1234567空气煤气4耐火材料探讨室图13-13为引射式无焰燃烧器结构示意图。这种燃烧器结构简洁，操作便利，故广泛用于工业与民用炉。现将图13-13中各部分结构简介如下：图中：1为煤气喷嘴，为一收缩形喷嘴。当煤气由此喷出时，出口断面上的气流分布比较匀整，流速高，从而提高喷射效率。这一部件的尺寸干脆影响燃烧器的热负荷，是燃烧器的关键部件。2为空气调整阀，用以变更空气的吸入量，以便依据燃烧过程的须要调整空气系数。3为收缩管，是空气吸入口，为了削减空气阻力，常做成渐缩式锥形管。试验指出，收缩角为25º时阻力最小。4为混合管；使煤气和空气进行混合。一般为圆柱形，气流通过圆柱形喉管时，能得到较匀整的速度场。5为扩压管，气流通过扩压管时，流速降低，一部分动压头变成静压头，以满足所须要的压力。耐火材料探讨室试验证明，扩张角6º-8º时效率最高。6为喷头，呈收缩状，主要是为了使出口断面上流速分布比较匀整，以利防止回火。7为燃烧道。用耐火材料砌成，可燃混合气在这里被快速加热到着火温度，并完成燃烧反应。试验指出，燃烧道的张角不宜小于90º。引射式无焰燃烧器，因运用条件不同又有不同类型。例如依据煤气发热量凹凸可分为高发热量煤气引射式和低发热量煤气引射式燃烧器。引射式燃烧器具有以下优点：①吸入的空气量能随煤气量的变更自动调整，因此空气系数能自动保持恒定，即燃烧器具有自调性。②混合装置简洁牢靠、混合匀整，所需空气系数小，燃烧速度快。③不须要风机，管路系统和自控系统简洁。耐火材料探讨室引射式燃烧器的主要缺点是：①大容量喷射式燃烧器的外形尺寸很大，故安装、操作不甚便利。对大容量锅炉来说单个燃烧器容量又太小，而燃烧器数量太多安装又有困难。②与有焰烧嘴相比，无焰烧嘴须要较高的煤气压力，因此煤气系统的动力消耗大，有时需设加压站。③燃烧器负荷调整比小，即烧嘴最大和最小燃烧实力的比值不如有焰烧嘴大，简洁发生回火。④空气和煤气的预热温度受到限制。⑤对煤气发热量、预热温度、炉压等的波动特别敏感；烧嘴的喷射比(自调性)实际状况偏离设计条件时便不能保持。耐火材料探讨室13.3.3引射式大气燃烧器引射式大气燃烧器是最为常见的一种好用燃烧器，在工业和生活燃烧装置中有着广泛的应用。它由引射器和头部两部分组成，如图13-14所示。其工作原理是具有确定压力的气体燃料以确定的速度从喷嘴喷出，进入收缩型吸气管，并借助燃料射流的吸卷作用带入一次空气。燃料与空气在引射器内混合，把动能转变为压力能，然后从头部的火孔流出，并从四周大气中获得二次空气，完成整个燃烧过程，其相应的一次空气系数为0.45-0.75，总空气系数约为1.3-1.8。耐火材料探讨室一次空气煤气引射器头部12345图13-14 大气式燃烧器1–调整板；2–一次空气进口；3–引射式喉部；4–煤气喷嘴；5–火孔耐火材料探讨室由以上引射式大气燃烧器工作原理可以看出它是一种带有部分预混的燃烧器。它具有以下特点：①和纯扩散式燃烧器相比，引射式大气燃烧器的火焰温度高，火焰短，火力强，燃烧比较完全，燃烧产物中CO含量低，但结构较困难，燃烧稳定性稍差。②与强制鼓风式燃烧器相比，它不须要专设空气鼓风机，从而削减了投资；但热负荷不宜太大，否则结构相当笨重。③与火道式无焰燃烧器相比，其热负荷调解范围较宽，可燃烧低压煤气，但热强度和燃烧温度则较低。④依据理论分析，低压煤气引射式大气燃烧器的引射实力只与燃烧器的结构参数有关。也就是说，这种燃烧器的一次空气系数基本上不随煤气压力而变，具有珍贵的自动调整特性。耐火材料探讨室13.3.4平焰燃烧器平焰燃烧技术是60年头中期在热加工领域中出现的一种燃烧技术，由于它有很多显著的优点，因此这种燃烧技术自出现后发展特别快速，70年头已得到广泛的应用。在我国，70年头末期已有不少机械和冶金工厂在轧钢，热处理炉，隧道窑等要求炉内温度场匀整的工业炉中起先应用，目前应用更为广泛。平焰燃烧器的最突出优点是对工件的加热比较匀整。这是因为，一方面火焰附着于炉壁表面，不与被加热工件接触；另一方面，炉内气体产生有规律的循环流淌，促进了搅动混合过程，使得炉内温度场相当匀整。此外，接受平焰燃烧器的工业炉中，燃烧过程与燃烧产物的扩展均是贴着壁内表面进行，灼热的火焰及热燃烧产物对炉壁的对流换热极为猛烈，对炉壁的辐射也大为增加，因此在启动加热过程中整个炉膛的升温时间大为缩短。并由于炉壁吸热增加，排烟温度也明显下降，这对节能是特别有利的。耐火材料探讨室平焰燃烧器的形式多种多样，假如按空气供应方式分类，则有引射式平焰燃烧器(燃烧所需空气由煤气射流吸入)和强制鼓风式平焰燃烧器(燃烧所需空气由鼓风机送入)。按燃烧方法又可分为扩散式，全预混式和大气式等等。各种平焰燃烧器结构虽有不同，但原理基本一样。为了获得圆盘式的平面火焰，基本条件是必需在烧嘴砖出口形成平展气流。为此可以使空气沿切线方向或经螺旋导向片从燃烧器旋转喷出，造成旋转气流，然后经过喇叭形或大张角的烧嘴砖喷出，一方面由于旋转气流产生了较大的离心力，使气流获得较大的径向速度，另一方面由于气体的附壁效应，气体向炉墙表面靠拢，因而形成平展气流。煤气可以沿轴向喷出，然后靠空气旋转时形成的负压把它引到平展气流内，与空气边混合边燃烧，形成平面水焰。有的还在煤气喷孔中加旋转叶片，开径向孔，或在喷孔前加分流挡板，让煤气喷出后有较大的张角，以利于煤气与平展气流的混合。螺旋叶片式平焰燃烧器的工作原理为，空气切向进入装有螺旋叶片的风道而旋转喷出，煤气从中心管端头的径向孔流出，在燃烧器喷嘴出口处与空气达到良好的混合后，沿喇叭烧嘴旋转喷出，按扇形绽开，形成平面火焰。耐火材料探讨室13.4.1火焰的稳定性所谓火焰的稳定性，是指在规定的燃烧条件下火焰能保持确定的位置和体积，既不回火，也不断火。导致回火的根本缘由是火焰传播速度与气流喷出速度之间的动平衡遭到破坏，火焰传播速度大于气流喷出速度所致。因此，为了防止回火，可燃混合气体从烧嘴喷出的速度必需大于某一临界速度，后者与煤气成分、预热温度、烧嘴口径及气流性质等因素有关。除了使气流出口速度不小于回火临界速度以外，还应留意保证出口断面上速度的匀整分布，避开使气流受到外界的扰动。对于燃烧实力较大的烧嘴来说，将烧嘴头进行冷却也是防止回火的重要措施之一。当烧嘴口径较小时可用空气冷却，较大时则用水冷。13.4火焰的稳定性、火焰监测和保焰技术耐火材料探讨室在断火方面(火焰脱离和熄灭)，以有焰燃烧时的火焰比较稳定。这是因为在扩散燃烧条件下，烧嘴出口旁边的煤气和空气在混合过程中能形成各种浓度的可燃混合气体，其中包括火焰传播速度最大的气体，因而有利于构成稳定的点火热源。与此相反，无焰燃烧时，从烧嘴流出的是已经按化学当量比混合好的可燃气体，甚至是稍贫的气体(空气过剩系数大于1)，这种气体由于受到大气的冲淡，其火焰传播速度明显下降，因而简洁造成火焰的脱离和熄灭。在生产条件下，为了防止断火，除了应使气体的喷出速度与火焰传播速度相适应外，还应实行某些措施来构成强有力的点火热源，常用方法有：①将燃烧通道做成突扩式以保证使部分高温燃烧产物回流到火焰根部；②接受带涡流稳定器或带点火环的烧嘴；③在燃烧器上安装协助性点火烧嘴