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燃气燃烧应用(yìngyòng)装置1.扩散式燃烧器第一页，共43页。燃烧器的分类与技术(jìshù)要求不同的应用场合需要相适应的燃烧方法，因而燃气燃烧器的类型各式各样，常见的分类方法有三种。（1）按一次空气系数分类：①扩散式燃烧器。燃气中不预混空气，一次空气系数α’=0。②部分预混式燃烧器，常又称作大气式燃烧器。燃烧前，燃气中预先混入一部分空气，燃烧所需其余空气后续供入，通常一次空气系数α’=0.45~0.75。③完全预混式燃烧器，又称为无焰燃烧器。燃烧所需的全部空气与燃气在点火(diǎnhuǒ)前预先充分混合，一次空气系数α’≥1.0。第二页，共43页。（2）按空气的供应方式分类①自然引风式燃烧器。依靠炉膛负压将环境空气吸入燃烧区域进行燃烧。②鼓风式燃烧器。采用鼓风设备将空气强制送至燃烧反应区。③引射式燃烧器。通常利用燃气高速流动形成的负压引射空气进行混合；也可用空气射流(shèliú)引射燃气。（3）按燃气供应压力分类①低压燃烧器。燃气压力在5000Pa以下。②高（中）压燃烧器。燃气压力高于5000Pa。第三页，共43页。技术要求（1）能够达到所要求的热负荷，满足正常的加热要求。（2）燃烧稳定。当燃气压力和热值在正常范围变动时，不会发生回火和脱火等不稳定燃烧现象。（3）燃烧完全，效率高，对环境污染小。严格控制污染气体的排放量，符合国家标准的要求。较高水平的燃烧效率，有助于控制温室气体CO2的排放量。（4）结构紧凑，金属耗量低。结构紧凑，便于燃烧器的布置；规模化生产(shēngchǎn)则必须考虑金属耗量，以控制生产(shēngchǎn)成本。（5）工况调节方便，噪声低。第四页，共43页。用来实现燃烧过程的装置，统称为燃烧装置。对于燃气而言，它的燃烧装置主要是指燃气燃烧器，在工业上又常称为燃气烧嘴。集合(jíhé)了送风设备、调节控制机构和燃烧器的紧凑整体又称为燃烧机。燃气燃烧器的类型很多，通常按其燃烧方式的不同分为三类，即：扩散式燃烧器；（部分预混）大气式燃烧器；完全预混式燃烧器。第五页，共43页。按照扩散式燃烧方法 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的燃烧器称为扩散式燃烧器。扩散式燃烧器的一次空气系数’＝0，燃烧所需要的空气全部在燃烧过程中供给。根据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。自然引风式，依靠自然抽力，扩散供给空气，多用于民用(mínyòng)，常简称为扩散式燃烧器。强制鼓风式，依靠鼓风机供给空气，多用于工业，常简称为鼓风式燃烧器。1.扩散式燃烧器第六页，共43页。直管式扩散(kuòsàn)燃烧器自然(zìrán)引风扩散式燃烧器构造与工作(gōngzuò)原理最简单的扩散式燃烧器是在一根钢管上钻一排火孔而制成的。燃气在一定压力下进入管内，经火孔逸出后从周围空气中获得氧气而燃烧，形成扩散火焰。根据加热工艺的需要，自然引风式扩散燃烧器可以做成多种形式。第七页，共43页。排管扩散式燃烧器涡卷式扩散(kuòsàn)燃烧器根据加热工艺的需要(xūyào)，自然引风式扩散燃烧器可以做成多种形式。第八页，共43页。结构简单，制造方便；燃烧稳定，不会回火(huíhuǒ)且点火容易，调节方便；可利用低压燃气；不需要鼓风，无动力消耗。特点(tèdiǎn)及应用范围燃烧热强度低，火焰长，需要较大的燃烧室；容易产生不完全燃烧，甚至冒黑烟；为使燃烧完全，必须供给较多的过剩(guòshèng)空气。过剩(guòshèng)空气系数较大，燃烧温度低，排烟热损失大。第九页，共43页。自然引风扩散式燃烧器主要适用于：温度要求(yāoqiú)不高，但要求(yāoqiú)温度均匀、火焰稳定的场合，如用于沸水器、热水器、纺织业和食品业中的加热及在小型采暖锅炉中用作点火器。有些工业窑炉要求(yāoqiú)火焰具有一定亮度或某种保护性气氛时，也可采用自然引风扩散式燃烧器。由于它结构简单、操作方便，也常用于临时性加热设备。层流扩散式燃烧器一般不适用于天然气和液化石油气。因为这两种燃气燃烧速度慢，容易产生(chǎnshēng)不完全燃烧和烟炱。第十页，共43页。燃烧器的设计(shèjì)燃烧器的功用是实现燃气的燃烧，获得必要的热能。因此，满足一定流量燃气的燃烧，保证所需要的加热负荷是对燃烧器最基本的要求。而实现燃烧的过程中还必须考虑燃烧安全和工况调节的问题。不同种类与来源的燃气，组成成分存在差异，必然导致具有不同的燃烧特性，实现稳定(wěndìng)燃烧所需要考虑的具体问题也不同。因此，燃烧器的设计都是针对特定种类的燃气，以一定的燃气成分为基础进行设计的。第十一页，共43页。燃烧器设计的最终成果要落实在图纸上，以图纸拿到工厂可以直接据以加工生产为目的。因此，设计之初必须要有整个设计的蓝图，落实在图纸上最基本的就是要确定燃烧器的形状、火孔如何布置、火孔的大小、火孔的数量、火孔之间的间距等等。这些参数的确定，有些基础的数据要根据大量实验所得到的经验数据选取(xuǎnqǔ)，可查相应的技术图表，其它参数则要通过计算获得。设计计算中所考虑到的一切细节问题都是为了满足(mǎnzú)加热负荷的要求，特别是稳定燃烧的要求。第十二页，共43页。一般取mm。火孔太大不容易(róngyì)燃烧完全；火孔太小又容易(róngyì)被堵塞。最简单(jiǎndān)的直管式扩散燃烧器的设计计算步骤：自然引风式扩散燃烧器的形式虽然很多，但其计算大同小异，均是以动量定理、连续性方程及火焰的稳定性为基础(jīchǔ)，目的是确定火孔直径、数目、间距及燃烧器前燃气所需要的压力。（1）选取火孔直径火孔间距以保证顺利传火和防止火焰合并为原则，一般取（2）选取火孔间距第十三页，共43页。（3）根据自然引风扩散燃烧(ránshāo)稳定范围，选取火孔热强度，计算火孔出口速度—火孔热强度（kW/mm2）第十四页，共43页。第十五页，共43页。（4）计算(jìsuàn)火孔总面积（5）计算(jìsuàn)火孔数目（6）计算(jìsuàn)燃烧器头部燃气分配管截面积为使燃气在每个火孔上均匀分布，以保证每个火孔的火焰高度整齐，头部截面积应不小于火孔总面积的两倍，即：第十六页，共43页。在管子(guǎnzi)上直接钻较小的孔时（）（7）计算燃烧器前燃气所需要(xūyào)压力通常(tōngcháng)燃气在头部流动的方向与火孔垂直，故燃气在头部的动压不能利用，这时头部所需要的压力为：—炉膛压力（Pa），当炉膛为负压时，取负值。——火孔流量系数，与火孔的结构特性有关。在管子上直接钻孔时，对于直径小、孔深浅的火孔，取较小值。对于管嘴，为了保证火孔的热强度，即保证火孔出口速度，燃气压力必须等于头部所需的压力。如果，可用阀门或节流圈减压。第十七页，共43页。【例题1】设计一直管式扩散燃烧器。已知：燃气热值kJ/m3；燃气压力Pa；燃气密度kg/m3；火孔前燃气温度Tg=313K；燃烧器热负荷kW；炉膛背压⊿h=0。（8）布置(bùzhì)火孔和绘制燃烧器简图。第十八页，共43页。鼓风式燃烧器中燃气燃烧所需要的全部空气均由鼓风机一次供给，但燃烧前燃气与空气并不实现预混，因此燃烧过程并不属于预混燃烧，而为扩散燃烧。鼓风式燃烧器的燃烧强度与火焰长度均由燃气与空气的混合(hùnhé)强度决定。为了强化燃烧过程和缩短火焰长度，常采用各种措施来加速燃气与空气的混合(hùnhé)，例如，将燃气分成很多细小流束射入空气流中或采用空气旋流等。根据强化混合(hùnhé)过程所采取的措施及工艺对火焰的要求，鼓风式燃烧器可以做成套管式、旋流式、平流式等各种式样。鼓风(ɡǔfēnɡ)扩散式燃烧器构造(gòuzào)及工作原理第十九页，共43页。中心供（燃）气蜗壳(wōké)式旋流燃烧器第二十页，共43页。边缘供气(ɡònɡqì)蜗壳式旋流燃烧器第二十一页，共43页。与自然引风扩散式燃烧器相比，鼓风式燃烧器燃烧热强度大，火焰长短可调节。与热负荷相同的引射式燃烧器相比，其结构紧凑，体形轻巧，占地面积小。特别是当热负荷较大时，此优点更为突出。鼓风式燃烧器要求燃气压力低，热负荷调节范围大，能适应正压炉膛，容易实现粉煤-燃气或油-燃气联合燃烧。可以采用(cǎiyòng)预热空气或燃气，预热温度甚至可接近燃气着火温度，因此可以极大地提高燃烧温度，这对高温工业炉来说是很必要的。特点及应用(yìngyòng)范围鼓风式燃烧器需要鼓风，耗费电能。燃烧室容积热强度通常比完全预混燃烧器小，火焰(huǒyàn)较长，因此需要较大的燃烧室容积。鼓风式燃烧器本身不具备燃气与空气成比例变化的自动调节特性，需配置自动比例调节装置。主要用于各种工业炉及锅炉中。第二十二页，共43页。鼓风式燃烧器的种类很多，其计算方法也略有差异。但是，设计任何一种鼓风式燃烧器都必须充分考虑到，要使空气、燃气两股气流在有限的空间(kōngjiān)内充分混合。以蜗壳式燃烧器为例介绍鼓风式燃烧器的设计计算方法。鼓风(ɡǔfēnɡ)扩散式燃烧器的设计计算第二十三页，共43页。燃气流束在空气流中的分布(fēnbù)第二十四页，共43页。当射流轴线变得与主气流方向一致时，喷嘴出口(chūkǒu)平面到射流轴线之间的法向距离h定义为绝对穿透深度。绝对穿透深度h与喷嘴直径d之比，定义为相对穿透深度。在射流轴线上定出一点，使该点的轴速度在x方向(fāngxiàng)上的分速度υx为出口速度υ2的5%，以喷嘴平面至该点的相对法向距离，定义为射程。第二十五页，共43页。燃气与空气(kōngqì)的混合原则采用不同直径的燃气射流，以便在燃烧器截面上形成离管壁距离不等的几个环形混合层，并使每一混合层中的空气(kōngqì)和燃气均按预定比例混合。应采用不同孔径的喷嘴，将燃气喷入空气流中，否则无法形成均匀的混合物；孔与孔之间的距离应保证各股燃气射流互不重叠；在保证各股射流互不重叠的前提下，确定燃气喷嘴直径；射流喷出速度应保证射流在空气流中的穿透深度达到预定(yùdìng)数值，以便在燃烧器截面上形成若干个燃气-空气混合层。在设计燃烧装置时，应根据相交气流混合过程的规律，确定燃气出口速度、空气流动速度、燃气射流孔口直径、孔间距以及燃气射流与空气流的夹角。第二十六页，共43页。（1）空气系统(xìtǒng)计算1）计算圆柱形空气(kōngqì)通道直径（喷头直径）—圆柱形通道截面假想平均热强度，与燃气种类、燃烧器型式、负荷调节比等有关，通常取第二十七页，共43页。2）确定(quèdìng)蜗壳结构比空气的旋转(xuánzhuǎn)程度与蜗壳结构比有关。根据结构比就可以确定蜗壳尺寸。力矩就越大，旋转程度也越大，混合就进行得越快，火焰也越短。但随着值的减小，旋转程度增大，阻力损失将增大。为此，通常取值越小，结构比就越小，空气流相对于燃烧器中心轴的第二十八页，共43页。由于空气流的旋转，空气在通道内是按螺旋形向前流动的。因此，在圆柱形通道中心形成了一个回流(huíliú)区。由于存在回流(huíliú)区，所以空气并非沿整个圆柱形通道向前流动，而只是沿边缘环形通道向前流动。环形通道的宽度按下式计算：3）确定空气(kōngqì)实际通道的宽度——回流区直径回流区的尺寸(chǐcun)与蜗壳结构有关。蜗壳供空气时的回流区尺寸第二十九页，共43页。空气在环形(huánxínɡ)通道内螺旋运动的速度4）计算空气(kōngqì)的实际流速—空气螺旋运动的实际速度（m/s），其气流轴线与燃烧器轴线的交角为—空气螺旋运动的平均上升角，其值与蜗壳结构有关。空气(kōngqì)螺旋运动的平均上升角第三十页，共43页。5）计算燃烧器前空气(kōngqì)所需的压力—空气入口动压下的阻力系数，对蜗壳供气，时，对切向供气，时，第三十一页，共43页。合理的燃烧器结构应使燃气射流均匀地分布(fēnbù)在空气流中，应严格防止燃气射流在空气射流中相互重叠。根据射流穿透理论，当射流孔径不同时，射流穿透深度不同。计算时把环形空气通道分成若干假想环，然后选取不同的燃气孔口直径及数目，使燃气按需要量进入每个假想环中，与该假想环在内的空气进行混合。（2）燃气系统(xìtǒng)计算第三十二页，共43页。第三十三页，共43页。1）计算(jìsuàn)燃气分配室截面积—燃气分配室内燃气的流速（m/s），一般取m/s。如果燃气孔口布置在同一燃气总管上，则燃气孔口的出口速度相等。改变孔口直径，可以改变射流穿透深度。对不同(bùtónɡ)直径的孔口存在下列关系：2）计算射流(shèliú)穿透深度第三十四页，共43页。为了使燃气均匀地分布在空气流中，燃气孔口的排列应考虑以下主要原则：在空气流中的各燃气射流应有一定的间隙，彼此既不相交，也不合并；燃气射流的流量和与其接触的空气流量之间应保持一定的比例(bǐlì)。燃气射流与空气混合的完善程度取决于孔口到喷头的距离，距离越远，混合越均匀。燃气与不预热的空气混合时，混合基本完善的距离是：时，；时，第三十五页，共43页。空气旋转时，空气通道中间存在回流区，空气只能沿边缘环形通道向前流动。在环形通道内，由于空气旋转，空气的主要质量集中在环形通道的边缘上，其宽度约为。因此，燃气的主要质量也应分布在这一区域内。这样(zhèyàng)，可保证燃气在最小的过剩空气条件下完全燃烧。根据(gēnjù)射流穿透深度及射流直径可得射流边界的最大穿透深度：—射流穿透深度；—射流直径。第三十六页，共43页。（9-15）燃气孔口一般(yībān)排成两排，于是可得：第三十七页，共43页。每排燃气孔口(kǒnɡkǒu)的最大数目:每排燃气孔口的最大数目以在射流达到穿透深度时，不使流束重叠为条件。在上升(shàngshēng)角为β的旋转空气流中，燃气射流达到穿透深度时，其直径为：3）确定燃气孔口(kǒnɡkǒu)的数目因此，防止射流重叠，射流最小间距应为：—燃气射流穿透深度为时，每排燃气射流轴心所在圆的周长。第三十八页，共43页。燃气孔口一般(yībān)为两排，大直径孔口的燃气流量约占燃气总量的70%，小直径孔口的燃气流量约占燃气总量的30%。由于各排燃气孔口均分布在同一个燃气分配室上，所以，各排孔口的燃气出口速度都相等。因此，大直径孔口的面积应占孔口总面积的70%，而小直径孔口应占30%。4）确定(quèdìng)每排燃气孔口直径第三十九页，共43页。（9-21）大直径孔口，其孔口面积为：燃气孔口的总面积：第四十页，共43页。根据射流穿透深度(shēndù)公式计算小直径孔口，再根据，计算小孔口数目，最后计算孔口间距，并校核流股是否合并。—系数；—燃气射流与空气流的交角。Ks与s/d的关系(guānxì)第四十一页，共43页。5）计算(jìsuàn)燃烧器前燃气所需压力—压缩系数；—燃气孔口流量系数。第四十二页，共43页。【例题2】设计一边缘供燃气的蜗壳式燃烧器。已知：燃气耗量qV,g=200m3/h；燃气热值=35800kJ/m3；燃气密度=0.72kg/m3；理论空气需要量V0=9.5m3/m3；燃气温度Tg=288K；空气温度Ta=288K；过剩空气系数=1.1。第四十三页，共43页。