燃烧装置设计(design of combustion devices)

燃烧装置是用于各种工业炉的供热，对各种燃料进行可控燃烧的器具。按照燃料种类可以分为煤气燃烧器、油燃烧器和煤(或焦炭)燃烧器。煤气、油和粉煤燃烧器称为烧嘴，块煤(或焦炭)燃烧器称为炉箅、炉排或其他专用名称。此外还有一种使燃烧产物在管内流动、燃烧热量通过管壁传出的燃烧器，通常称这种燃烧器为辐射管。辐射管不宜使用固体燃料和重质燃料油。

燃烧器应具有以下基本特性：(1)火焰稳定；(2)能调节燃烧量并有一定的调节范围；(3)在限定空间内达到完全燃烧；(4)燃烧性能不受环境(例如炉压波动、气候风向等)影响；(5)符合环境保护要求；(6)坚固耐用、操作维护方便等。燃烧器设计之前应明确：燃料种类，燃料发热值；燃烧能力及能力的调节范围；空气或燃料的温度和压力；对火焰形状及刚度的要求等。设计制造的燃烧器，其特性应通过试验进行验证确认。

随着燃料燃烧技术的发展，世界工业化国家都不断开发、研制和生产各种燃烧器，以满足工业生产和人民生活的需要。中国50年代为工业炉配套设计的燃烧器，大量采用高压煤气喷射式烧嘴和手工加煤炉排，也设计了少量烧焦炉煤气的涡流式烧嘴，烧热发生炉煤气的细孔式烧嘴及低压雾化油烧嘴等。60到70年代，中国通过对各种燃烧器的多项试验研究，设计了用于加热炉的水平往复炉排、油风比例调节的低压雾化油烧嘴、自身预热烧嘴、平焰烧嘴以及各种天然气烧嘴，并建立了各种烧嘴的实验室。80年代以后，还设计和研制了具有当代先进水平的油气两用烧嘴、火焰长度可调烧嘴、平焰直焰可转换的双焰烧嘴、高速烧嘴、辐射杯烧嘴等。烧嘴点火和火焰检测等设施也有相应的发展。

烧嘴设计     包括煤气烧嘴、油烧嘴和煤粉烧嘴的设计。烧嘴作为炉子的供热设施，具有以下作用：(1)组织火焰，使火焰形状、刚度及燃烧性能满足炉子供热和工艺要求；(2)调整炉压分布；(3)引导炉气流向，实现(或限制)炉气循环；(4)强化传热，降低热耗等。烧嘴作用的发挥除与烧嘴本身结构有关外，还与烧嘴布置、烧嘴的安装位置、安装角度以及炉子的结构和型式等有关。因此烧嘴设计要与炉子设计密切配合，使烧嘴的作用得以充分发挥。

煤气烧嘴设计由于用途不同和燃料条件不同，煤气烧嘴种类较多。常用的有气流平行式烧嘴、涡流式烧嘴、平焰烧嘴、火焰可调烧嘴、喷射式烧嘴、高速烧嘴、自身预热烧嘴、低氧化氮烧嘴、大气烧嘴等。这些烧嘴的燃烧过程可分为三类：一类是煤气与空气分别由两个通道供入，在烧嘴出口附近相遇，边混合边燃烧，统称为有焰烧嘴，例如上面列出的气流平行式烧嘴和涡流式烧嘴等；另一类是煤气与空气预先混合，燃烧前已混合均匀，从喷口喷出，迅速燃烧，称为无焰烧嘴，例如喷射式烧嘴。这两类烧嘴的结构示意图见图1。还有一类是燃烧需要的部分空气从烧嘴喷口周围的大气中补充供给，称为大气烧嘴。

 气分配器

(1)有焰烧嘴。设计内容有各部位流速的确定、火焰长度的设计、烧嘴前空气和煤气压力的计算以及火焰稳定性设计等。煤气有焰烧嘴的火焰容易组织，燃烧能力的适应范围广，结构紧凑，空气可预热到较高温度，能用于多种煤气，因此是应用范围最广的一类燃烧器。可用于各种加热炉、热处理炉、干燥炉及熔化炉。

烧嘴各部位的煤气、空气流速须根据允许的压力损失来确定。入口流速一般为7～15m／s(标准状态)；出口混合气体流速，一般中、长火焰烧嘴约为25～70m／s(在燃烧前气流温度下)，对于平焰烧嘴按轴向分速度计算为9～14m／s，对于高速烧嘴为100～180m／s(在燃烧后气流温度下)。出口流速的选择按火焰刚度要求确定，要求火焰刚度大、射程远的取上限，烧嘴前空气或煤气压力低时取下限。

烧嘴前空气压力一般为1.5～4kPa，煤气压力为0.8～2kPa，近似值可用烧嘴总阻力系数按下式计算：

P_k=0.5ζ_kW²ρ，P_m=0.5kζ_mW²ρ

式中P_k和P_m分别为烧嘴前空气压力和煤气压力，Pa；ζ_k和ζ_m分别为空气和煤气的烧嘴总阻力系数，对于涡流式烧嘴和火焰可调式烧嘴，ζ_k=1.5～3.5，ζ_m=1.2～2.0，对于平焰烧嘴ζ_k=30～180，ζ_m=20～130；W为烧嘴出口混合气体轴向流速，m／s；ρ为混合气体密度，kg／m³。应该通过试验取得烧嘴前空气和煤气压力的数据。

火焰长度以烧嘴喷出口直径D的倍数来表示，长焰烧嘴的火焰长度可达80～100D，短焰烧嘴为5～20D。影响火焰长度的因素有：空气煤气的混合条件，火焰喷出的扩张角，混合气体喷出速度等。平焰烧嘴是短焰烧嘴的极端状态，强旋流空气在特殊形状的烧嘴砖通道中产生的附壁效应使气流扩张成180^。，贴附于烧嘴四周炉壁而成为圆盘形火焰，火盘直径为10～15D，厚度则为0.5～1.5D。

长火焰烧嘴适宜于炉膛较长，沿炉长方向高温区较长的连续式加热炉或热处理炉。对于布置在炉子侧面的烧嘴，要选择火焰长度适合炉子宽度的烧嘴或火焰长度可调烧嘴。短焰烧嘴一般用于炉膛较小的连续或间断操作的炉子。平焰烧嘴有均匀铺展开的薄层火焰，可以使炉内工件直接接受火焰的均匀加热，炉压分布也较均匀，适用于各种加热炉、热处理炉和熔化炉。很多大型步进式加热炉也大量采用了炉顶平焰烧嘴。高速烧嘴适用于要求炉内气流强烈循环、加热均匀的低、中温热处理炉。

火焰稳定性也是烧嘴设计的重要内容。要求燃烧连续和稳定，无脱火、回火、断续爆燃及火焰飘忽不定等。有局部混合气体回流、局部有稳定的着火源等都是保持火焰稳定的因素。但火焰能否稳定还与煤气的种类、发热值以及喷出口流速和空气煤气配比等有关，最终应通过试验确认。

(2)无焰烧嘴。设计包括空气煤气混合器、燃烧喷头和烧嘴砖设计。混合器一般采用文氏管喷射方式。燃料为低热值煤气时常以煤气喷射空气。炉压为零时，调节煤气量能使空气与煤气的配比自动保持恒定。燃料为高热值煤气(8～9MJ／m³以上)时则往往以空气喷射煤气。设计的燃烧喷头应能使混合器后气体静压转化为沿喷头出口断面具有均匀速度分布的动压，以避免回火。烧嘴砖的设计是使已充分混合的混合气在砖通道内维持正常燃烧。砖通道的直径与长度分别为喷头出口直径的2.4～2.6倍与2～7倍。烧嘴构造见图1b。

这种烧嘴火焰燃烧迅速，火炬温度较高，有利于炉内传热。但烧嘴容易回火，燃烧能力的调节范围较窄，且空气预热温度受混合气体温度必须低于煤气着火点温度的限制，很难满足烧嘴前预热空气的温度和压力保持恒定的要求，煤气发热量的波动还会影响煤气与空气配比。但由于这种烧嘴结构简单，可以靠煤气直接从大气中喷射吸入助燃用空气，在煤气发热量稳定时能使空气、煤气自动按配比燃烧，因此可在不需预热空气的低热负荷炉子上采用。

(3)大气烧嘴。设计包括喷射器设计和燃烧喷头设计。喷射器吸入的空气量通常按需要量的50％计算，其余50％由火焰周围的大气供给。喷头由带喷孔的通道构成。喷孔出口的气体流速不超过2～4m／s，以避免造成脱火。大气烧嘴在冶金工厂一般只用于零星小件的烘烤和工业炉投产前的炉体烘烤。

油烧嘴设计     设计内容有油的雾化、配风及油和空气的比例控制。根据油的雾化方式，油烧嘴可分低压雾化，高压雾化和机械雾化三类。低压雾化油烧嘴也称低压油烧嘴或低压雾化喷嘴。各种油烧嘴的结构见图2。

(1)低压雾化喷嘴。这种烧嘴雾化油的能量来自助燃空气，因此空气压力一般不低于5kPa，常用值是5～8kPa，油压为40～300kPa。其设计内容包括雾化喷头设计和比例调节机械设计。雾化喷头使空气在喷头出口处高速喷出，以满足雾化能量的需要。喷出速度通常为70～90m／s。由于在调节燃烧能力时空气量也要随之调节，为了使油雾化仍有足够的能量，采用改变雾化喷头出口面积的方法来调节空气量，使空气出口流速保持不变。比例调节机构用于空气和油按比例供入，使在调节雾化喷头出口面积的同时也按比例调节油量。设计要点是使空气量和油量都与调节机构的开度成线性关系。由于结构复杂，加工精度高，这种喷嘴常由专业制造厂制造并销售。

各种规格的低压喷嘴燃烧能力约为5～200kg／h，调节范围为6：1。由于烧嘴具有空气和油按比例调节功能，因此管路系统简单，调节控制容易，适用于中、小型加热炉和热处理炉。

(2)高压雾化油烧嘴。烧嘴由油枪和风壳组成。油枪的作用是用雾化剂将油雾化并随雾化剂一起喷出。常用的雾化剂有蒸汽或压缩空气，压力为0.2～1.0MPa，油压与雾化剂压力相近。风壳结构与煤气有焰烧嘴的空气通道相同，因此高压雾化油烧嘴的设计主要是油枪的设计。根据雾化位置的不同，油枪有外混式和内混式两种。

外混式油枪是雾化剂在油枪出口处以音速或超音速与油相遇，将油股破碎而进行雾化。内混式油枪是在油枪内部设一混合室，雾化剂第一次以高速(音速或超音速)喷入混合室并与油股相遇使油雾化，雾化后的混合物仍有很高的压力，尚可携带油雾按一定的方式第二次高压喷出。

外混式油枪油喷口断面积按伯努利方程计算，流量系数可取0.2～0.4。雾化剂喷口断面积按高压气体喷出方程式计算。内混式油枪的计算较复杂，需分段计算。混合室压力取决于混合室内介质的密度、温度和喷出速度。先按混合介质喷出速度计算混合室压力，再按混合室压力与混合室前压力之差计算进油孔面积和雾化剂入口面积。计算需反复多次试算以求出最佳的雾化效果。高压油枪技术参数见表。

高压雾化油烧嘴由于燃烧能力大，雾化质量好，适用于大、中型加热炉或熔化炉。

(3)机械雾化油烧嘴。烧嘴有油压雾化式和转杯式两种。油压雾化式烧嘴由雾化喷枪和风壳组成。雾化喷枪利用油的压力(1～7MPa)高速喷出与外界气流相冲击而雾化。由于雾化颗粒较粗，必须使用助燃空气的动能进一步雾化。转杯式烧嘴是把油送到转速达3000～8000r／min的杯形件内，使油受离心力紧贴杯内壁并由杯口甩出成切向薄油膜。转杯式烧嘴的高速旋转机构可随带鼓风设备，使空气在杯口四周喷出将油膜雾化。

油压雾化式烧嘴适用于燃烧能力较大，不需要调节范围大的炉子。转杯式烧嘴调节范围比较大，适用于各种小型加热炉、热处理炉和干燥炉。

煤粉烧嘴设计      煤粉烧嘴的供风一般分两次供入。一次风用于维持燃烧火焰稳定，约占总风量的10％～40％，大致与煤粉的可燃基挥发分百分数相近。其余空气二次供入。二次风可以预热至较高温度。煤粉由一次风携带通过烧嘴的中心部分，在其四周设二次供风通道。一次风的流速不得小于15m／s。

将比通常燃烧的煤粉粒度更细的煤粉与水混合经特殊处理可制成悬浮状煤水浆。燃烧煤水浆的烧嘴与油烧嘴相似，先将煤水浆雾化后再与空气混合燃烧。

煤粉烧嘴与煤水浆烧嘴可用于各种加热炉和熔化炉。

炉排设计      炉排有手工加煤炉排、往复炉排、链式炉排、绞煤机和液体排渣粉煤炉等。供风方式有自然进风和强制进风两种。小面积炉排也称炉箅。

手工加煤炉排      由单根炉条拼排铺设而成。设计通风面积占炉排面积的15％～25％。自然通风时燃烧强度为50～80kg／(m²•h)，强制通风时为100～200kg／(m²•h)。手工加煤炉排劳动强度大，燃烧不均衡，黑烟严重，环境污染大。适用于不经常使用且烧煤量少的炉子。

往复炉排和链式炉排      往复炉排由固定炉排片和活动炉排片各一半间隔布置而成。活动炉排片作往复运动推动煤层，使煤层呈波浪状前进。每片炉排片的宽度为250mm左右。着火区布置2～4片不开通风孔的炉排片。主燃区长度为1.5～2.5m，由烧煤量决定，其燃烧强度可取100～150kg／(m²．h)。余烬区长度为0.5～1m，这一段燃烧强度较低，通风孔面积要相应减小。

链式炉排的炉排片安设在履带式链条上。煤层随履带移动而前进。炉排各燃烧区段长度与往复炉排相同。由于煤层随同炉排一起运行，每个炉排片都有相同的受热条件，其平均使用寿命比往复炉排长，更换也较方便。但往复炉排在推炉过程中能将结块煤破碎，燃烧比较均匀。

这两种炉排适用于中、小型加热炉、热处理炉和干燥炉。

绞煤机     绞煤机用螺旋输送器将煤送至炉排进行燃烧。煤从炉排下部挤入，将上部煤层挤到两边直至煤渣区。对煤的粒度要求较严，过粗或过细在通过螺旋输送器时都会发生困难。由于受加煤方式的限制，绞煤机炉排面积不大，一般烧煤量不超过250kg／h，只用于小型炉。

液体排渣粉煤炉      一种粉煤燃烧室，又称粉煤预燃式燃烧器。燃烧产生的热量靠烟气的热焓送出主工作炉膛。火焰温度可达1600～1700℃，煤粉燃烧后的灰渣熔成液态从燃烧室排出。要求原煤的挥发分高于10％、灰分低于30％、灰渣熔点低于1490℃。这种粉煤炉的调节范围较小，一般为1：0.6～0.7。通过试验确定粉煤炉的设计参数、操作参数和调节范围等。

辐射管设计     辐射管由烧嘴、管体、余热回收装置和排烟管等组成。烧嘴设计要求火焰长度能满足辐射管在长度方向均匀放热的要求，可以采用长火焰烧嘴并采取延迟混合的方法。管体设计是对管径、热流密度、表面积及材质等参数的计算和选择。管径一般为100～200mm。热流密度为1.5～4.0W／cm²。管子的表面积根据热负荷及许用热流密度计算。余热回收装置利用排烟的热量预热助燃空气至350～500℃。可以用烟气的压力进行正压排烟，也可以靠抽烟装置进行负压排烟。负压排烟的优点是，辐射管内形成负压后，即使管体破损，烟气也不会泄漏到炉内而破坏炉内的气氛。

辐射管的型式可以按照炉子的结构需要设计，通常使用的有套管型、刺刀型、U型、W型、O型、三叉型和P型等。辐射管主要用于使用可控气氛的热处理炉上，辐射管的材质要结合炉温、可控气氛的种类和燃烧产物的性质来选择，以耐热铸钢件为主；温度更高时则采用陶瓷材料。