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高速气体燃烧器的研制
北京液体火箭发动机研究所罗哲王家兴

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摘要介绍一种高速气体燃烧器的技术特点、设计要点和具体的设计方法，并利用液体火箭发动机的燃烧技术，为工业加热炉开发了一种高效、节能、低污染的新型高速气体燃烧器，填补了我国民用燃烧器技术的一项空白，已成功地应用在油田、钢铁、陶瓷等行业。关键词液体火箭发动机，燃烧器，燃烧试验。 1 前言高速气体燃烧器是现代燃烧技术在工业燃烧器产业的体现，其出口处高温燃烧产物的喷射速度可达100 m/s～300 m/s，具有节能、高效、火焰动量可控等技术优势,在发达国家已经广泛地应用在航空、钢铁、化工、轻工等行业的各种加热炉上。我国在80年代引进此项技术,并有一些仿制的产品投入市场,但是由于其成本高、耐火材料内衬易坏、使用寿命短，影响了推广。高速气体燃烧器是一种把燃料的化学能转换成燃烧产物的势能和动能的装置，液体火箭发动机是一种把推进剂的化学能转换成燃烧产物的热能和动能的装置，两者在工作原理上有相似之处。利用在液体火箭发动机研制方面的丰富经验，开发研制了一种全金属结构，采用再生冷却的高性能的高速气体燃烧器。 1.1 高速气体燃烧器的技术特点 a) 精确组织燃烧，燃烧效率99.9％； b) 宽运行工况：热负荷调节比1∶20，空气系数0.5～10； c) 采用分级燃烧，有害气体（NOx）排放符合国家环保标准； d) 具有烟气引射回流功能，可以将废烟气从炉后引回重新投入炉内； e) 全金属结构，连续使用寿命3年。 1.2 高速燃烧器提高换热效率的机理在传统的工业炉设计中，燃烧器的火焰速度大约为每秒几米，当燃烧产物温度在600 °C～800 °C时，炉内对流换热与辐射换热各占50％；在燃烧产物温度为800 ℃以上时，以辐射换热为主；在燃烧产物温度达到1 400 ℃时，辐射换热是对流换热的10倍,所以大部分炉窑设计中,是以辐射换热为基础。但是在采用高速气体燃烧器后，即使在高温区，炉内被强化的对流换热在综合换热中所占的比重大大提高，具体说明如下。采用普通燃烧器时，火焰速度低，燃烧产物在被加热物表面的流动为层流，层流的对流换热系数为 h1-Nuλ/d 式中努谢尔特数Nu=0.332Pr^1/3Re^1/2；Pr为普朗特数；Re为雷诺数；λ为气体的导热系数；d为流道当量直径。采用高速气体燃烧器, 火焰喷射速度高(100 m/s～300 m/s),被加热体表面流动以紊流为主，紊流附面层局部放热系数为 h2=Nuλ/d 式中Nu=Pr^1/3(0.036Re^0.8-836) 设加热炉内腔尺寸为6.45m×2.3m×2.9m，燃烧产物温度为1 790 ℃，被加热体温度为900 ℃。采用普通燃烧器，燃烧产物流速为5 m／s时，燃烧产物与被加热体表面之间的对流换热比热流为 q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/hm² 采用高速气体燃烧器，燃烧产物流速为150 m/s时，燃烧产物与被加热体表面之间的对流换热比热流为 q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/hm² q2是q1的4倍。国外曾就辐射加热炉和高速对流加热炉进行过比较试验，在0 ℃～1 200 ℃的加热过程中，辐射加热炉所需加热时间是高速对流加热炉的6倍，在750 ℃～1 200 ℃的加热过程中，辐射加热炉所需加热时间是高速对流加热炉的10倍。 1980年，国内引进高速气体燃烧器在井式加热炉上进行技术改造，原有的辐射加热炉从0 ℃～650 ℃升温需要24 h，而采用了高速气体燃烧器的加热炉从0 ℃～650 ℃升温只需4 h，并且燃料消耗量也由于采用了高速气体燃烧器可以节省25%～30％。在油田，用高速气体燃烧器改造成三合一加热炉，加热效率提高了1倍，而燃料消耗量节约了20％。高速气体燃烧器的燃烧产物高速冲进加热炉内，搅动多倍的炉内气体随之掺混，可以大大提高炉内温度均匀度。国外一家工厂用高速气体燃烧器改造加热炉后，炉内温度均匀度可由±15 ℃提高到±2 ℃。国内井式加热炉采用高速气体燃烧器后，炉温均匀度达到±7 ℃。 2 高速气体燃烧器设计要点 2.1 精确组织燃烧新研制的高速气体燃烧器,为了达到完全燃烧，使燃气和空气通过众多的喷孔分别进入燃烧室，燃气射流与空气射流一一撞击，均匀混合，合成射流矢量方向应与燃烧室主轴线平行，避免一射流穿透另一射流，造成混合不均。为了减少NOx的生成，采取分区燃烧，前区燃烧温度低于后区燃烧温度，在燃烧室出口燃烧温度最高。前区是贫氧燃烧，后区增加供氧，在燃烧室出口达到过剩空气系数α＝1。如此设计，既能够合理配风，保证完全燃烧，防止CO生成，又能够维持较低的燃烧温度，减少有害气体NOx的生成。 2.2 燃烧室室壁冷却燃烧室内充满高温的燃烧产物,其金属室壁必须有足够的冷却，才能安全工作。效仿液体火箭发动机的再生冷却，在高速气体燃烧器的设计中，利用空气在燃烧室外腔流动，吸收室壁传导的热量，保证室壁在安全的温度范围内工作。同时将空气预热能够促进完全燃烧和提高理论燃烧温度。在燃烧室喷口局部高温区，专门设计有空气膜保护金属壁。由于采取了以上的设计，高速气体燃烧器的使用寿命可达3年，而其他单位设计生产的高速气体燃烧器的燃烧室由耐火材料作内衬，使用寿命为几个月，甚至有的产品，其耐火材料内衬工作不足3个月就开裂。 2.3 流阻设计在高速气体燃烧器设计中，为了使燃烧产物具有足够的动量，燃烧室应该有一定的压力。根据用户提供的燃气物理化学参数和速度要求，进行燃烧计算确定燃烧产物的各个热力参数后，燃烧室内燃烧产物的压力可以求出，即 pc=pa/[1-(k-1)w²/2kRT]^k/(k-1) 式中pc为燃烧室压力；pa为环境压力；k为燃烧产物绝热指数；R为燃烧产物气体常数；T为燃烧温度；w为燃烧产物在喷口处的流速。空气和燃气进入燃烧器，流经各自的通道，经过喷孔进入燃烧室，沿途存在一定的流阻。图1给出了燃烧器空气流量Qk和空气压降Δpk的关系；图2给出了燃烧器燃气流量Qr和燃气压降Δpr的关系。（图片）图1 燃烧器空气流路流量与压降的关系(20 ℃) 图2 燃烧器天然气流路流量与压降的关系(20 ℃) 燃烧器的空气入口压力pk是燃烧室压力pc和空气压降Δpk之和，燃烧器的燃气入口压力pr是燃烧室压力pc和燃气压降Δpr之和。即： pk=pc+Δpk pr=pc+Δpr pk和pr不能过高，应该满足用户提供的使用条件。高速气体燃烧器在使用天然气作燃气时，燃烧产物速度为100 m／s，其天然气入口压力为2 500 Pa，空气入口压力为2 100 Pa。 3 设计计算 3.1 燃烧计算通过燃烧计算确定燃气燃烧的空气需要量L0、燃烧产物量Vα、燃烧产物密度ρ、气体常数R、绝热指数K和理论燃烧温度T。 a) 根据选定的燃气，确定低位热值Qyd和组成成份的容积百分比。 b) 确定燃烧1m3燃气所需的理论空气量L0为 L0=4.672/100[1/2CO+1/2H2+(n+m/4)CnHm+3/2*H2S-O2] 式中 CO，H2，CnHm为燃气成份容积百分比。 c) 确定燃烧1m³燃气产生的燃烧产物量Vy为 Vy=αL0+0.38+0.075Q^yd/1000 e) 确定理论燃烧温度T为 T=(Q^yd+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α>1) T=(Q^y+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α<1) 式中 Cr，Ck，Cy分别是燃气、空气、燃烧产物的平均比热；Tr、Tk分别是燃气和空气的起始温度；Qy为燃气的有效发热量。 Q^y=Q^yd-QVy 式中 Q为燃烧产物所含的热量。 Q=3022Xco + 2581Xh2 式中 Xco、Xh2为燃烧CO、H2的容积百分比含量)。 f) 确定燃烧产物密度为 α＝1 时 ρy=(44Xco2 + 18X_H2O +28X_N2)/22.4 α<1 时 ρy=(44Xco2 + 28Xco + 18X_H2O + 2XH20 + 28X_N2)/22.4 式中Xco2、Xco、Xh2O、Xh2、Xn2分别为CO2、CO、H2O、H2、N2在燃烧产物中的容积百分比含量。 g) 确定燃烧产物气体常数R为 R=8.314/Meq 式中Meq为燃烧产物的折合分子量。（图片）式中Xi为第i种成分在燃烧产物中的容积百分比含量；Mi为第i种成分的分子量。 h) 确定燃烧产物绝热指数k为（图片）式中Cpi为燃烧产物中第i种成份的比热。 3.2 燃烧室结构设计计算 a) 选定燃烧器的热负荷Q0。 b) 确定燃气消耗量Vr(体积)、Gr(质量)为（图片）式中 ρr为燃气密度。 c) 确定空气消耗量Vk(体积)、Gk(质量)为 Vk=L0Vr Gk=Vkρk 式中ρk为空气密度。 d) 确定燃烧产物生成量Gy为 Gy=Gr+Gk e) 根据使用条件选定燃烧产物在喷口的速度ｗe。 f) 确定燃烧室出口截面积Fe、直径de为 Fe=GyWe/ρy(1+T/273) g) 确定燃烧室圆筒段截面积F1、直径d1为（图片） h) 确定燃烧室圆筒段长度L1为 L1=(1~1.4)d1 3.3 燃烧室喷孔设计计算 3.3.1 燃气喷孔设计计算 a) 燃气喷射速度wrj的选定。选定的原则是：燃气射流与相应的空气射流撞击后，合成射流方向与燃烧室轴线平行。 b) 确定燃气喷孔总面积Frj为 Frj=Vr/wrj c) 确定燃气喷射流量沿燃气喷管长度的百分比分布。根据图3，燃气流量在燃烧室混燃区的百分比分布，确定燃气喷射流量沿燃气喷管长度的百分比分布。（图片）图3 燃烧室内空气燃气流量的分配 d) 确定燃气喷孔沿燃气喷管长度的分布。沿燃气喷管长度方向共有ｎ组燃气喷孔，间距约为20 mm；沿燃气喷管圆周方向，每组共有ｍ个喷孔，ｍ＝12～24。 e) 确定各组燃气喷孔直径。根据燃气流量沿喷管长度的百分比分布，可以知道喷孔的面积百分比分布，知道每组喷孔的总面积，设同组喷孔直径相同，则该喷孔直径可求。 3.3.2 空气喷孔设计计算 a) 空气喷射速度wkj的选定。选定的原则同3.3.1，在额定设计状态下，建议wkj≈15m/s。 b) 确定空气喷孔总面积Fkj为 Fkj=Vk/wkj c) 确定空气喷射流量在燃烧室内壁的分布。根据图3确定空气流量，在额定设计状态下，建议在点火区的空气过剩系数α≈0.6；在混燃区末端α≈0.8；在尾燃室末端α≈1。图4为燃烧室内气体流程图。（图片）图4 燃烧室内气体流程图 d) 混燃区空气喷孔分组。根据燃料喷孔分组确定空气喷孔分组，每组空气喷孔个数为m。 e) 尾燃区空气喷孔的确定。尾燃区空气流量约占空气总流量的20%～30%，空气喷孔应该直径小、数量大，在尾燃区筒内壁形成均匀的空气冷却膜。 4 燃烧试验高速气体燃烧器经天然气燃烧试验，证明其工作可靠、操作简便。 4.1 点火方式燃烧试验采用了两种电点火方式，一种是高能点火器DHZ-103，点火频率1.5次/s，贮能12J/次；另一种是火焰监测点火器HJ-1，点火电压15 000 V，点火嘴为汽车火花塞。 4.2 点火程序 a) 按额定负荷所需总空气量的1/4供风； b) 电点火器通电； c) 打开天然气开关，在α≈0.6时，即可成功点火。 4.3 热负荷调节额定热负荷为30 m3/h的燃烧器，在试验中，天然气量减少至1.6m3/h时，仍能维持燃烧(α≈14)。 4.4 空气系数调节试验中，燃烧器的空气系数调节范围为0.5～20，均可维持燃烧。 4.5 燃气温度调节试验中，燃烧器出口实测温度变化范围为90 ℃～1 300 ℃(α≥2)。 5 结论高速气体燃烧器是利用液体火箭发动机的燃烧技术为工业加热炉开发的一种高效、节能、低污染燃烧器。经天然气燃烧试验，证明其工作可靠、操作简单、热负荷调节范围大、空气过剩系数及燃气温度调节范围大。该燃烧器目前已成功地应用在油田、陶瓷、钢铁等行业的加热炉上。 5/15/2005


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