燃气燃烧技术发展及合理利用
责任编辑：液化天然气 浏览：4196次 时间： 2008-04-15 19:35:49
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摘要:引 言 随着科学技术的进步，城市燃气燃烧技术不断在发展。从50年代的红外线无焰燃烧到70年代的远红外催化燃烧，使燃气燃烧技术更好地为干燥与采暖工艺服务。工业炉中的燃烧方式，从50年代的浸没式燃挠、60年代的平面燃烧及高速燃烧一直到80年代的脉冲式燃烧，都不同..
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引 言 随着科学技术的进步，城市燃气燃烧技术不断在发展。从50年代的红外线无焰燃烧到70年代的远红外催化燃烧，使燃气燃烧技术更好地为干燥与采暖工艺服务。工业炉中的燃烧方式，从50年代的浸没式燃挠、60年代的平面燃烧及高速燃烧一直到80年代的脉冲式燃烧，都不同程度地、因地制宜地提高了热效率、节约了能源。此外，由于环境保护的要求不断提高，从70年代开始就发展低NOx燃烧器，这就是说不仅要求燃气燃烧产物中CO浓度要低于标淮允许值，而且要求NOx浓度也不应超过一定的范围。这些不同的燃烧方式与各种各样的燃烧器，都有自身的特点。燃气工作者必须掌握它们的特点，根根工艺加热的要求，选择、设计合理的燃烧器，以期充分发挥燃气燃烧的独特的优势，从而达到节约能源与降低污染的目的。本文目的在于介绍各种燃烧器的基本原理，阐明其特殊功能与使用范围。 整理后记：这篇文章是在1985年发表的。现在看来红外线燃烧器、平面燃烧器等都已经投入生产。但是，脉冲燃烧器没有工业性生产。流化床燃烧装置也没有问世。说明我国的工业燃烧器尚待开发。 一、温度的辐射燃烧器[1] (一)红外线无焰燃烧器  图1是一种双金属网的红外线无焰燃烧器。 它利用大孔径的外网防止脱火与小孔径的内网防止回火的原理，将火焰控制在内、外网之间。使网面温度达800℃左右，发出波长2.7m为主的红外线电磁波。这种燃烧器辐射传热能力较高，民用多用于局部采暖或烘烤食品，工业多用于干燥物料和高大厂房的采暖。 红外线无焰燃烧器，特别适合在宽广的空间中做局部采暖。例如，溜冰场中的观众台、街道上的报亭、车站上的站台以及高大厂房的工作区等。这种燃烧器的缺点是作采暖用时，表面温度过高，容易烫伤。另外必须具备烟道将烟气排出室外。 除了双金属网外。多孔的陶瓷板也可以做红外线无焰燃烧器的头部。 (二)远红外催化燃烧器[2] 催化燃烧器的表面只有400℃左右，所以它发出波长等于4.27m为主的电磁波。这种燃烧器有两种型式：扩散式与预混式。图2是扩散式催化燃烧器的示意图，它主要用于天然气或沼气。  图2 是扩散式催化燃烧器 燃气从燃气管流出后穿过纤维层内进行催化燃烧。启动时，先用电加热丝加热，把温度升高至250℃左右，燃气经过纤维时，在纤维板中催化剂的作用下，进行低温催化燃烧，使纤维板面温度达400℃左右。这时电加热自动停止，而燃烧器可以正常工作。由于表面温度比较低，所以对人没有烘烤感，比较舒适，有利于家庭中的采暖。作烘烤干燥用时，被干燥物料可以接近加热表面。当辐射的电磁波与被烘干的物科的频率特性相匹配时，效率可以显著提高，从而节约燃气。目前我国已有几个单位相继试制成功，取得可喜的成绩。 因为其表面温度低，发出远红外的辐射线，所以对干燥易燃物料(例如粮食、食品及布匹等)特别有利。 二、不同传热方式的燃烧器[2]、[3] (一)高速燃烧器 一般高温加热炉主要靠辐射传热，为此要实现快速加热，必须提高炉膛内壁的表面温度并增加表面面积、另外从完全燃烧角度出发也希较大的炉膛。但是，过大炉膛的热惰性会带来两个问题：一为启动时要消耗大量的热量；一为熄火时，工件仍受炉壁辐射传热而造成过热，工件被氧化和脱碳，降低物料的表面硬度与光滑度。为解决这两个问题，60年代提出快速燃烧加热技术，它以对流传热为基础，利用高速燃烧器出口的高温高速烟气流直吹工件表面，破坏表面的贴附层，增大对流传热系数，使对流传热量占总传热量的80一90％，从而缩小工业炉的炉膛，提高热效率，避免过热，提高了被加热金属的质量。因此高速燃烧器得到较大的发展，图3是这种高速燃烧器的示意图。  在燃烧器中，燃气与空气两股气流垂直相交，空气压力高于燃气压力，故对燃气有引射能力。燃气与空气在混合通道内，激烈混合，在燃烧室中完全燃烧，出口烟气速度达100m/s以上。 烟气的温度可以通过二次空气来调节，其过剩空气系数可由1.02调至7.4，可见其调节范围较大。燃烧室的容积热强度很大，可达3108kcal/m3•h(12.5 108kJ/m3•h)，所以燃烧器的体积小，节约占地面积与体积。但是，燃烧器的噪音很大，需要采取消音措施。这种燃烧器在上海使用得很好，可节约燃气20—25%。 当被加热的工件不希望被烟气冲刷时，不宜采用这种高速燃饶器。 (二)平面燃烧器 平面燃烧器控制火焰沿炉膛内表面发展，使灼热的火焰直接冲刷护膛内壁， 提高表面温度，加大辐射传热强度。图4为两种平面燃烧器的示意图。其中图4A为鼓风型的平面燃烧器，空气自蜗壳引入与燃气混合后，以旋转气流形式逸出喇叭状的火道。火焰呈盘状，贴附于炉内壁。 图4B为引射型的平面燃烧器，空气靠引射器吸入，燃气与空气温合物从喷头侧向逸出，形成平面火焰。引射型平面燃烧器不需要空气鼓风，节省了电力。但是，最大的缺点是不易预热空气，所以从节约燃气角度看是不可取的。 烧嘴砖是关键部件之一，其作用类似无焰燃烧器的火道，起点火与稳焰的作用。同时也是辐射源。为了加强点火与稳焰的作用，在烧嘴砖上设有凸出物或沟槽，它还可以增加辐射强度。  平面燃烧器直接加热炉膛内壁表面，故内壁温度高，辐射强度大，升温快。例如，锻造炉采用平面燃烧器后，内壁表面温度可提高200一300℃，使锻造时间缩短近一倍。 一般工业炉，为了提高炉膛内壁表面温度与辐射强度，需要增加炉膛高度。结果同时也增加了热惰性及冷风吸入量。采用平面燃烧器即可避免这方面的缺点，从而提高了热效率、节约了燃气；并且使产品质量提高。另外它还有被加热工件不被冲刷的特点。我国上海与四川推行了这种燃烧器，取得了良好效果。 三、不同接触方式的燃烧器[2] (一)浸没式燃烧器 在化学工业中，有许多浓度大或者有一定腐蚀性的液体需要加热，用普通的液体加热法，即容器加热或水管加热方法很难达到良好效果。为此，在50年代化工行业就采用这种浸没式燃烧方法。图5为浸没式燃烧器的示意图。  燃气与空气靠压力进入燃烧室，经过点火后在燃烧火道内燃烧，烟气自水底以鼓泡方式逸出。目前新式的浸没式燃烧器加护板与发泡筛，防止液面波动过大。此种燃烧器烟气直接与被加热的液体接触，故传热效率 高，热效率达90％以上。但是，烟气中的各种成分也可能溶解于被加热的液体中，当工艺上允许时，这种方法可以节约能源。当对水质要求不高时，也可用此种燃烧器加热水，例如我国东北地区用浸没式燃烧器加热水，结合红外线辐射燃烧器解决了寒冷地带火车机车车辆的冲洗问题。 这种燃烧器的另一个缺点是噪声较大。 (二)辐射管燃烧器 有些工艺要求烟气与被加热物质完全隔绝。这时应采用辐射管燃烧器，燃气与空气进入燃烧火道后燃烧，烟气通过外壳汇合一起而排出。使用时可将外壳做成U字形、直筒形或椭圆形，直接插入加热炉中。高温的外壳对被加热物质辐射传热，烟气完全与被加热干质隔绝。所以这种燃烧器适合用于渗碳热处理或需要特殊气氛的热处理炉。 辐射管分高温与低温两种。高温辐射管的温度达800—1100℃，把外壳管体烧成炽热，故对材质有较高要求。低温辐射管的温 度只有400℃，是远红外技术提出的课题。有时需要在外壳涂一层氧化物、碳化物或硼化物的催化剂涂料，以增加远红外射线的辐射强度。由于其温度不高，所以材料不是主要问题。  图6是这种燃烧器的示意图。 燃气与空气进入燃烧火道后燃烧，烟气通过外壳汇合一起而排出。使用时可将外壳做成U字形、直筒形或椭圆形，直接插入加热炉中。高温的外壳对被加热物质辐射传热，烟气完全与被加热干质隔绝。所以这种燃烧器适合用于渗碳热处理或需要特殊气氛的热处理炉。 辐射管分高温与低温两种。高温辐射管的温度达800—1100℃，把外壳管体烧成炽热，故对材质有较高要求。低温辐射管的温 度只有400℃，是远红外技术提出的课题。有时需要在外壳涂一层氧化物、碳化物或硼化物的催化剂涂料，以增加远红外射线的辐射强度。由于其温度不高，所以材料不是主要问题。 四、新型燃烧装置[4] (一)脉冲式燃烧装置  本世纪初期人们就在研究脉冲式燃烧方法。开始是用于导弹技术，近来为了追求更高的热效率以节约能源，于是国外有关燃气部门开始研究它用于民用的途径。现在日本已制成脉冲式燃烧的热水器，其热效率高达95％。图7表示了这种燃烧装置的原理。 燃气脉冲燃烧器由一个燃烧室与一个排烟管组成。煤气与空气经过活门进入燃烧室后，被电火花点燃并燃烧，形成正压，使活门关闭，烟气向排管流去。烟气经过热交换器放出热量后，温度降低，造成负压，打开活门又吸入燃气与空气，并能自动点燃。如此往返循环，正常工作时的脉冲频率达70次/分。在开始时需要把燃气与空气压入燃烧室，并且通过一个点火源点燃后即可连续地工作。这种燃烧过程近似定容燃烧，故燃烧强度高，装置体积小。它可以依靠燃烧室的压力排除烟气，能把烟气温度降至40一50℃。此外，其排烟速度是波动的，使传热系数加大，所以大大提高了热效率。噪音大、活门不耐久是这种燃挠器的技术关键。现在日本已经商品化的脉冲式燃烧器热水器的外形尺寸为350 550 900mm，其热水出率，在温差25℃下为13.31/min。 (二)流化床燃烧装置 这是一种国外正在研究的燃烧装置。燃气与空气混合物引入由耐火材料构成的砂层，点燃后，使砂层流态化(沸腾、鼓泡)。此流化层具有较强的换热能力，加入热交换器后可将热量迅速转入被加热流体，此时的传热系数大于烟气冲刷换热器时的传热系数，从而可提高热效率与热强度。为了进一步降低烟气温度，可加第二层换热层。图8表示了这种装置的原理。  这种装置的燃烧过程在流态化的砂层中进行，这不但加强了热交换能力，同时还具有很强的燃烧稳定性与燃气适应性，烟气中未完全燃烧的产物也很少。缺点是噪音大，热惰性强，不易进行负荷调节，火焰也不易检测。 五、低污染燃烧方法[2][5] 随着技术的发展与人民生话水平的提高，人们对空气污染的问题越来超重视。燃气燃烧产物(烟气)中除CO外，NOx也是毒性很大的有害气体。大型燃烧设备产生NOx的机会更多，为此国外发展低NOx燃烧器的信息，应该引起我国燃气界的重视。 氮的氧化物的种类很多，其中以NO与NO2为主总称为NOx。NO比NO2毒性小，而NO2多为NO氧化而成。NO2经太阳照射后会分离出游离氧，它与空气中的氧反应形成臭氧，对大气污染较严重。通过实验研究可知：当过剩空气系数在1.0—1.2之间NOx容易产生；此外在高温下，氮也易氧化为NOx。为了降低烟气中的NOx浓度，一般采取两种措施：一为分段燃烧法；一为烟气再循环法。图9表示了这两种方法的基本原理。  图9A是分段燃烧的型式。燃气先与一次空气混合燃烧，多余的燃气在后段与二次空气混合再燃烧，以防止产生过多的NOx。 图9B是烟气再循环的型式。燃烧产生的烟气又回流至入口，与燃气和空气混合，从而降低氧的浓度，抑止NOx的生长条件。再采取降低NOx的措施时，要注意CO浓度的增加，因为在抑制产生NOx的条件下，容易使CO浓度增加。 六、结语 随着科学技术的发展与人民生活水乎的不断提高，各种加热工艺的要求越来越多样化，相应地也会有各种各样的沪型与燃烧器出现。作为燃气应用工作者，必须掌握： 所使用燃气的各种特性； 加热工艺的特殊要求； 采用炉型的技术特点； 各种燃烧器的性能，优、缺点和采用范围。 根据以上资料，要按照实际条件，尽量发挥燃气燃烧器的特长，合理地组合炉型与燃挠器，满足工艺的各项要求，同时还要达到节约能源与降低大气污染的目的。 参考资料 [1] 城市煤气燃烧器具，天津市政工程设计院编 [2] 煤气燃烧及燃烧器，天津大学土建系编，1975 [3] Combustion Techn0logy Manual， Roland R.Ruche，1975 [4] Industrial Gas Utilization ，R.Pr5tchard [5) がス燃烧にょるNOx对策わょぴの考察；古田繁夫，燃料及燃烧，41卷2号，1974 |
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