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1、第第1313章章 气体燃料的燃烧气体燃料的燃烧 气气体体燃燃料料在在日日常常生生活活和和工工农农业业生生产产中中有有着着广广泛泛的的应应用用。与与其其它它类类型型燃燃料料相相比比，气气体体燃燃料料具具有有一一系系列列优优点点，如如燃燃烧烧装装置置结结构构比比较较简简洁洁，输输送送和和调调整整限限制制比比较较便便利利，燃燃烧烧产产物物中中的的污污染染物物含含量量较较低低，有有利利于于爱爱护护环环境境；运运用用气气体体燃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。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。常常用用的的气气体体燃燃料料有有三三大大类
2、类，即即自自然然气气、液液化化石石油油气气和和人人工工煤煤气气。其其可可燃燃成分主要是成分主要是H2H2、COCO、CH4CH4和低分子碳氢化合物。和低分子碳氢化合物。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.1 13.1 扩散燃烧和动力燃烧扩散燃烧和动力燃烧 在气体燃料的燃烧中，由于燃料与氧在气体燃料的燃烧中，由于燃料与氧化剂化剂(空气或氧气空气或氧气)同为气相，所以这是一同为气相，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室再进行混合。通常依据燃料与氧
3、化剂有否预先混合可把燃烧分为两类：一类为预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。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
4、。假如燃烧过程主要受扩混合因素的影响。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，则称为假如主要受化学动力学因素限制，则称为动力燃烧。动力燃烧。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 气气体体燃燃料料、液液体体燃燃料料与与固固体体燃燃料料的的燃燃烧烧中中，依依据据燃燃烧烧条条件件可可能能都都会会出出现现动动力力燃燃烧烧和和扩扩散散燃燃烧烧，或或处处于于两两者者之之间间的的过过渡渡燃燃烧烧。本本章章只只探探讨讨气气体体燃燃料的扩散燃烧，它是探讨扩散燃烧的基础。料的扩散燃烧，它是探讨扩散燃烧的基础。一一般般来来说说，燃燃烧烧所所需
5、需的的全全部部时时间间通通常常包包括括两两部部分分：即即气气体体燃燃料料与与氧氧化化剂剂混混合合所所需需时时间间mixmix以以及及燃燃料料进进行行化化学学反反应应所所需需时时间间cheche。假假如如不不考考虑虑这这两两种种过过程程的的重重叠叠，则则整整个个燃燃烧烧时时间间就就是是上上述述两两种种时时间间之之和和，即即=mix+che=mix+che。假假如如mixchemix12=13143511的预混气燃烧，因为的预混气燃烧，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。背景下几
6、乎看不出火焰，无焰燃烧也因此而得名。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 13.1.2 1 13.1.2 1的状况的状况 对对于于11的的状状况况，由由于于可可燃燃混混合合气气中中空空气气不不足足，这这时时在在燃燃烧烧火火焰焰中中将将出出现现动动力力燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋I I与与扩扩散散燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋IIII两两层层火火焰焰前前锋锋。这这是是由由于于在在动动力力燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋处处只只能能把把可可燃燃混混合合气气中中相相当当于于化化学学当当量量比比的的那那部部分分燃燃料料烧烧掉掉，而而形形成成动动力力燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋I I，其其余余没没有有烧烧掉掉的的燃燃料料就就与与完完
7、全全燃燃烧烧后后生生成成的的燃燃烧烧产产物物混混合合起起来来，形形成成一一种种相相当当于于掺掺杂杂了了惰惰性性气气体体的的气气体体燃燃料料。这这种种气气体体燃燃料料将将与与四四周周空空气气相相互互混混合合并并接接着着燃燃烧烧，形形成成扩扩散散火火焰焰前前锋锋IIII。随随着着的的减减小小，由由于于火火焰焰传传播播速速度度的的降降低低，动动力力燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋变变长长，与与此此同同时时在在动动力力燃燃烧烧火火焰焰上上未未燃燃烧烧的的剩剩余余燃燃料料将将增增加加，故故需需从从四四周周空空气气中中扩扩散散进进来来更更多多的的空空气气才才能能使使燃燃料料完完全全燃燃烧烧，因因此此扩扩散散燃燃烧
8、烧火火焰焰前前锋锋也也将将伸伸长长。到到极极端端状状况况=0=0时时(即即非非预预混混燃燃烧烧)，燃燃烧烧过过程程就就变变成成纯纯扩扩散散燃燃烧烧。这这时时只只有有一一层层扩扩散散燃燃烧烧火火焰焰前前锋锋IIII。这这种种现现象象如如图图13-113-1上上的的3 3，4 4，5 5和和6 6所所示。示。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.2 13.2 扩散燃烧火焰结构扩散燃烧火焰结构 在在实实际际的的气气体体燃燃料料燃燃烧烧装装置置中中，燃燃料料与与空空气气通通常常都都接接受受射射流流形形式式供供入入。由由于于燃燃烧烧装装置置结结构构的的差差异异，射射流流的的形形式式有有多多种种多多样样。诸诸
9、如如圆圆柱柱形形射射流流，平平行行射射流流，交交叉叉射射流流，旋旋转转射射流流等等，射射流流的的流流淌淌以以及及燃燃料料与与空空气气间间的的动动量量、质质量量和和能能量量交交换换各各有有特特点点，因此其燃烧过程亦有差异。因此其燃烧过程亦有差异。在在扩扩散散燃燃烧烧中中，燃燃料料与与空空气气的的混混合合依依靠靠它它们们之之间间的的质质量量扩扩散散，因因此此扩扩散散燃燃烧烧的的速速度度也也主主要要取取决决于于扩扩散散速速度度。流流淌淌介介质质中中的的质质量量扩扩散散过过程程与与流流淌淌状状态态有有关关，在在层层流流状状态态，以以分分子子扩扩散散方方式式进进行行，在在湍湍流流状状态态，由由于于大大量
10、量气气团团的的无无规规则则运运动动，强强化化了了质质量扩散，使燃料与空气之间的质量扩散速度大为增加。量扩散，使燃料与空气之间的质量扩散速度大为增加。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 燃燃料料作作圆圆柱柱形形射射流流时时的的层层流流扩扩散散燃燃烧烧火火焰焰结结构构如如图图13-213-2中中所所示示。气气体体燃燃料料从从直直径径为为dfdf的的喷喷口口喷喷出出后后，与与四四周周的的空空气气进进行行分分子子间间扩扩散散混混合合，通通过过着着火火燃燃烧烧后后形形成成扩扩散散火火焰焰。假假如如对对于于志志向向状状况况，可可认认为为化化学学反反应应速速率率很很高高，故故火火焰焰前前锋锋厚厚度度极极薄薄，可可
11、视视为为一一无无限限薄薄的的几几何何面面。这这一一火火焰焰前前锋锋位位于于燃燃料料与与空空气气经经扩扩散散混混合合而而达达到到化化学学当当量量比比的的那那一一层层表表面面处处，否否则则假假如如火火焰焰前前锋锋不不能能稳稳定定。假假如如火火焰焰前前锋锋处处有有过过剩剩燃燃料料，则则它它将将扩扩散散到到火火焰焰前前锋锋外外侧侧的的空空间，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。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。反反之之，火火焰焰前前锋锋将将向向内内移移动动。由由此此可可见见，火火焰焰前前锋锋面面对对燃燃料料和和空空气气都都是是不不行行渗渗透透的
12、的，故故火火焰焰前前锋锋内内侧侧只只有有燃燃料料与与燃燃烧烧产产物物，不不存存在在氧氧气气。在在火火焰前锋外侧则为空气与燃烧产物，不存在燃料。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耐火材料探讨室图图图图13-313-313-313-3 志向状况下层流扩散火焰断面上的浓度与温度分布志向状况下层流扩散火焰断面上的浓度与温度分布志向状况下层流扩散火焰断面上的浓度与温度分布志向状况下层流扩散火焰断面上的浓度与温度分布CfCfCfCf燃料浓度燃料浓度燃料浓度燃料浓度;Co;Co;Co;
13、Co氧浓度氧浓度氧浓度氧浓度;CP;CP;CP;CP燃烧产物浓度燃烧产物浓度燃烧产物浓度燃烧产物浓度;CN;CN;CN;CN氮浓度氮浓度氮浓度氮浓度;T;T;T;T温度温度温度温度;f f f f火焰锋面火焰锋面火焰锋面火焰锋面CfCOCOCNCNCPCPTffOrr耐火材料探讨室耐火材料探讨室 扩扩散散火火焰焰某某断断面面处处的的气气体体浓浓度度和和温温度度分分布布如如图图13-313-3所所示示。图图中中CfCf、CoCo、CpCp、CNCN分分别别表表示示燃燃料料、氧氧气气、燃燃烧烧产产物物以以及及氮氮的的浓浓度度，T T表表示示温温度度，f f表表示示火火焰焰前前锋锋位位置置。从从图图
14、可可以以看看出出在在火火焰焰前前锋锋面面上上化化学学反反应应特特别别快快速速，燃燃烧烧产产物物浓浓度度CpCp和和温温度度均均最最高高，并并由由燃燃料料侧侧向向火火焰焰锋锋面面渐渐渐渐递递增增，而而氧氧浓浓度度由由空空气气侧侧向向火火焰焰锋锋面面渐渐渐渐递递减减，在在火火焰焰锋锋面面上上CfCf与与CoCo均均接接近近于于零零。在在图图13-213-2中中由由喷喷口口到到火火焰焰前前锋锋顶顶部部的的距距离离则则被被称称为为火火焰焰高高度度hfhf，它它是是燃燃烧烧装装置置选选择择燃燃烧器的重要依据。烧器的重要依据。耐火材料探讨室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 图图13-4
15、 13-4 实际射流扩散火焰结构实际射流扩散火焰结构 11火焰顶点火焰顶点 2 2由层流向湍流的转变点由层流向湍流的转变点.耐火材料探讨室耐火材料探讨室 事事实实上上的的扩扩散散火火焰焰有有确确定定厚厚度度，如如图图13-413-4所所示示的的A A、B B面面分分别别为为火火焰焰前前锋锋的的内内、外外表表面面。由由图图可可以以看看出出，在在燃燃料料一一侧侧的的预预热热区区为为一一含含氧氧极极少少的的高高温温区区，因因为为几几乎乎很很少少有有氧氧气气能能通通过过火火焰焰锋锋面面进进入入燃燃料料区区，故故缺缺氧氧。在在高高温温而而缺缺氧氧的的状状况况下下燃燃料料将将会会产产生生热热分分解解，热热
16、分分解解的的程程度度则则视视燃燃料料与与温温度度而而不不同同，一一般般来来说说，碳碳氢氢化化合合物物分分子子量量越越大大，稳稳定定性性越越差差，温温度度越越高高，热热分分解解反反应应越越猛猛烈烈。甲甲烷烷的的分分解解温温度度为为683683，在在950950约约分分解解26%26%，在在11501150时时分分解解99%99%；乙乙烷烷分分解解温温度度为为485485；丙丙烷烷为为400400；丁丁烷烷为为435435。氢氢和和一一氧氧化化碳碳的的热热稳稳定定性性则则较较好好，它它们们在在2500-30002500-3000的的高高温温下下也也能能稳稳定定。碳碳氢氢化化合合物物分分解解产产生生
17、的的游游离离碳碳粒粒，如如来来不不及及燃燃烧烧，将将被被烟烟气气带带走走，这这不不仅仅会会造造成成不不完完全全燃燃烧烧损损失失，而而且且形形成成的的黑黑烟烟还还会会污污染染大大气气。在在高高温温下下碳碳粒粒燃燃烧烧时时会会产产生生光光明明的的淡淡黄黄色色火火焰焰，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。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。在在管管口口直直径径不不变变时时，如如渐渐渐渐提提高高气气体体燃燃料料流流出出速速度度，当当雷雷诺诺数数超超过过某某一一临临界界值值，气气体体的的流流淌淌将将从从层层流流转转变变为为湍湍流流，扩扩散散过过程程便便由由分分子子
18、扩扩散散变变为为气气团团扩散，这时燃烧状态由层流射流扩散转变为湍流射流扩散。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对称轴图图13-5 13-5 扩散火焰长度与火孔流出速度的关系扩散火焰长度与火孔流出速度的关系 1 1志向火焰前锋志向火焰前锋;2;2实际火焰前锋实际火焰前锋耐火材料探讨室耐火材料探讨室 图图13-513-5表表示示火火焰焰高高度度和和火火焰焰状状态态随随管管口口流流出出速速度度(管管径径不不变变时时)的的变变更更。在在层层流流区区，火火焰焰前前锋锋清清晰晰，光光滑滑和和稳稳定定，火火焰焰高高度度hf
19、hf几几乎乎同同流流速速(或或雷雷诺诺数数)成成正正比比。在在过过渡渡区区，火火焰焰末末端端出出现现局局部部湍湍流流，火火焰焰前前锋锋明明显显起起皱皱，并并随随着着流流出出速速度度的的增增加加，火火焰焰末末端端的的湍湍流流区区长长度度增增加加，即即由由层层流流转转变变为为湍湍流流的的“转转变变点点”向向管管口口移移动动，而而火火焰焰的的总总高高度度hfhf明明显显降降低低。当当到到达达湍湍流流区区之之后后，火火焰焰总总高高度度hfhf几几乎乎与与流流出出速速度度无无关关，“转转变变点点”与与管管口口的的距距离离则则随随流流速速的的增增加加稍稍有有缩缩短短，这这时时几几乎乎整整个个火火焰焰前前锋
20、锋都都产产生生严严峻峻皱皱折折，火火焰焰亮亮度度明明显显降降低，并且出现燃烧噪声。低，并且出现燃烧噪声。以以下下进进一一步步探探讨讨扩扩散散火火焰焰高高度度问问题题。依依据据射射流流理理论论可可以以计计算算出出圆圆柱柱形形燃料自由射流扩散火焰的高度。在这里仅简略导出结论。燃料自由射流扩散火焰的高度。在这里仅简略导出结论。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 13.2.1 13.2.1 湍流扩散火馅高度湍流扩散火馅高度 如前所述，火焰高度是指火焰在中心轴上如前所述，火焰高度是指火焰在中心轴上(r=0)(r=0)火焰前锋距喷嘴出口的距离。如火焰前锋距喷嘴出口的距离。如图图13-213-2所示。为了计算火焰
21、的高度所示。为了计算火焰的高度hfhf，就必需先求出火焰中的速度和组分的分布规，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。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由射流的探讨可知，对射流基本段各断面
22、的气流速度分布可近似表示为 (13-1)(13-1)式中，式中，wmwm该断面中心轴线上的最大速度；该断面中心轴线上的最大速度；b b火焰在该断面处的宽度。火焰在该断面处的宽度。耐火材料探讨室耐火材料探讨室式中，式中，d d0 0，w w0 0喷嘴直径和喷嘴出口处速度；喷嘴直径和喷嘴出口处速度；C Coxox,C,Cox,oox,o,C,Cox,ox,氧化剂浓度，喷嘴出口处和环境处氧化剂浓度；氧化剂浓度，喷嘴出口处和环境处氧化剂浓度；C Cf f,C,Cf,0f,0燃料浓度、喷嘴出口处浓度；燃料浓度、喷嘴出口处浓度；消耗单位质量燃料所需氧的质量；消耗单位质量燃料所需氧的质量；C C常数，常数，
23、0.01280.0128。经推导经推导(具体推导略具体推导略)可得可得耐火材料探讨室耐火材料探讨室 式式中中，W Whfhf为为火火焰焰前前锋锋面面中中心心处处的的速速度度。由由此此得得出出湍湍流流圆圆柱柱形形燃燃料料自自由由射射流扩散火焰高度流扩散火焰高度 (13-3)考虑到火焰前锋在中心轴处考虑到火焰前锋在中心轴处(r=0(r=0，h=hf)h=hf)有有Cox,f=0(Cox,f=0(于此其次下角标表于此其次下角标表示对应于火焰前峰面的参数示对应于火焰前峰面的参数)以及喷口处有以及喷口处有Cf,0=0Cf,0=0，Cox,0=0Cox,0=0的条件，因的条件，因(13-2)(13-2)耐
24、火材料探讨室耐火材料探讨室 13.2.2 层流扩散火焰高度层流扩散火焰高度 同理可求得层流圆柱形燃料自由射程扩散火焰同理可求得层流圆柱形燃料自由射程扩散火焰高度为高度为 (13-4)式中，式中，为燃料粘性系数，为燃料粘性系数，m2/s。式式(13-3)、(13-4)表明表明hfl和燃料的容积流量成和燃料的容积流量成正比，但正比，但hft和燃料容积流量无关，和燃料容积流量无关，hfl和燃料喷嘴和燃料喷嘴直径成正比。这些结论都被试验所证明，因此这直径成正比。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。些结论对确定燃烧器的尺寸有很大参考价值。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 1
25、3.2.3 13.2.3 扩散火焰的主要特点扩散火焰的主要特点13.2.3.1 13.2.3.1 扩散火焰的稳定性扩散火焰的稳定性 稳稳定定性性是是指指火火焰焰既既不不会会脱脱火火，也也不不产产生生回回火火，而而始始终终“悬悬挂挂”在在管管口口的的状状况况。扩扩散散燃燃烧烧时时由由于于燃燃料料在在管管内内不不与与空空气气预预先先混混合合，因因此此不不行行能能产产生生回回火火，这这是是扩扩散散燃燃烧烧的的最最大大优优点点。但但管管口口流流出出速速度度超超过过某某一一极极限限值值时时，火火焰焰可可能能脱脱离离管管口口并并最最终终熄熄灭灭。此外，扩散火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。此外，扩散
26、火焰的温度较低，对有效利用热能是不利的。湍湍流流扩扩散散燃燃烧烧是是当当前前工工业业上上广广泛泛接接受受的的燃燃烧烧方方法法之之一一，并并常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性。常用一些人工稳焰方法来改善火焰的稳定性。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.2.3.2 13.2.3.2 碳氢化合物的热分解碳氢化合物的热分解 碳碳氢氢化化合合物物在在高高温温顺顺缺缺氧氧的的环环境境中中会会分分解解成成低低分分子子化化合合物物，并并产产生生游游离离的的碳碳粒粒。假假如如这这些些碳碳粒粒来来不不及及完完全全燃燃烧烧而而被被燃燃烧烧产产物物带带走走，导导致致能能量量损损失失，造造成成环环境境污污染染。扩扩散
27、散燃燃烧烧时时，火火焰焰的的根根部部及及火火焰焰的的内内侧侧简简洁洁析析碳碳，因因此此，如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。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。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.3 13.3 气体燃料燃烧器气体燃料燃烧器 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
28、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。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一特性能良好的燃烧器应能保证燃料(煤气煤气)和空气进行充分的混合，为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混合供应必要的条件，并应在规定的负荷变更范围(
29、调整比调整比)内保证着火，燃内保证着火，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。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。燃烧器可以从不同角度进行分类。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.3.1 13.3.1 有焰燃烧器有焰燃烧器 在在有有焰焰燃燃烧烧器器中中煤煤气气和和空空气气是是在在燃燃烧烧器器以以外外边边混混合合边边燃燃烧烧，形形成成可可见见的的较较长长火火焰焰，故故又又称称火火炬炬燃燃烧烧器器。在在锅锅炉炉上上特特殊殊是是大大型型电电站站锅锅炉炉上上燃燃用用高高发发热热量量的的自自然然气气时时，一一般般都都接接受受
30、火火炬炬燃燃烧烧器。器。有有焰焰烧烧嘴嘴的的具具体体结结构构型型式式繁繁多多。为为便便于于驾驾驭驭各各种种烧烧嘴嘴的的基基本特点，可将有焰烧嘴按下列特征进行分类。本特点，可将有焰烧嘴按下列特征进行分类。13.3.1.1 13.3.1.1 按煤气的发热量分类按煤气的发热量分类 高发热量煤气烧嘴高发热量煤气烧嘴(自然气、焦炉煤气、石油气烧嘴自然气、焦炉煤气、石油气烧嘴)；中发热量煤气烧嘴中发热量煤气烧嘴(混合煤气烧嘴混合煤气烧嘴)；低发热量煤气烧嘴低发热量煤气烧嘴(发生炉煤气、高炉煤气烧嘴发生炉煤气、高炉煤气烧嘴)。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.3.1.2 13.3.1.2 按烧嘴的燃烧实力分
31、类按烧嘴的燃烧实力分类 小型烧嘴小型烧嘴(100m3/h(100m3/h以下以下)；中型烧嘴中型烧嘴(100-500m3/h)(100-500m3/h)；大型烧嘴大型烧嘴(500-1000m3/h)(500-1000m3/h)。13.3.1.3 13.3.1.3 按火焰长度分类按火焰长度分类 短焰烧嘴；短焰烧嘴；长焰烧嘴。长焰烧嘴。13.3.1.4 13.3.1.4 按火焰长度的可调性分类按火焰长度的可调性分类 火焰长度固定火焰长度固定(煤气量不变时煤气量不变时)的烧嘴；的烧嘴；火焰长度可调的烧嘴。火焰长度可调的烧嘴。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.3.1.5 13.3.1.5 按煤气和空气
32、的混合原理来分类按煤气和空气的混合原理来分类 煤气和空气分别送入炉内的燃烧器；煤气和空气分别送入炉内的燃烧器；煤气和空气分成若干同心气流进入炉内的燃烧器；煤气和空气分成若干同心气流进入炉内的燃烧器；煤气和空气以两股平行或相交气流送入炉内的燃烧器；煤气和空气以两股平行或相交气流送入炉内的燃烧器；煤气和空气呈很多交织状小气流而分层输入的燃烧器；煤气和空气呈很多交织状小气流而分层输入的燃烧器；一种介质呈细流状进入另一种介质的燃烧器；一种介质呈细流状进入另一种介质的燃烧器；旋流式燃烧器；旋流式燃烧器；用机械方法混合的燃烧器。用机械方法混合的燃烧器。耐火材料探讨室耐火材料探讨室13.3.1.6 13.3
33、.1.6 按空气和煤气的预热状况分类按空气和煤气的预热状况分类 空气和煤气不预热的烧嘴；空气和煤气不预热的烧嘴；空气和煤气预热的烧嘴。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，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
34、的燃烧的要求，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。器多用于工业窑炉。耐火材料探讨室耐火材料探讨室(1)(1)直管式燃烧器直管式燃烧器 最最简简洁洁的的有有焰焰燃燃烧烧器器，如如图图13-613-6所所示示。在在一一根根直直管管上上钻钻一一排排或或互互成成90-90-120120交交叉叉排排列列的的两两排排孔孔，气气体体燃燃料料在在确确定定压压力力下下进进入入管管内内，经经这这些些孔孔(称称火火孔孔)喷喷出出后后，在在大大气气或或炉炉膛膛中中扩扩散散燃燃烧烧。燃燃烧烧所所需需的的空空气气，依依靠靠扩扩散散(或或自自然然抽抽力力)从从四四周周空空间间或或从从
35、炉炉排排下下面面吸吸入入，故故又又称称自自然然引引风风式式扩扩散散燃燃烧烧器器。这这种种燃燃烧烧器器生生产产实实力力小小，热热效效率率低低，常常用用于于小小型型工工业业炉炉和和民民用用生生活活炉炉。假假如如炉炉膛膛是是圆圆形形，还还可可将将直直管管加加工工成成圆圆环环形形，称称圆圆环环形形燃燃烧烧器器，以以满满足足该该炉炉的的热热工工要要求，如图求，如图13-713-7所示。所示。耐火材料探讨室耐火材料探讨室煤气煤气图图图图13-713-713-713-7 圆环形燃烧器圆环形燃烧器圆环形燃烧器圆环形燃烧器图图图图13-613-613-613-6 直管式扩散燃烧器直管式扩散燃烧器直管式扩散燃烧器
36、直管式扩散燃烧器煤气耐火材料探讨室耐火材料探讨室(2)(2)套管式扩散燃烧器套管式扩散燃烧器 套套管管式式燃燃烧烧器器是是一一种种强强制制鼓鼓风风式式有有焰焰燃燃烧烧器器。其其煤煤气气通通道道和和空空气气通通道道是是两两个个同同心心套套管管，煤煤气气和和空空气气为为两两股股平平行行气气流流，当当其其离离开开喷喷嘴嘴后后才才起起先先混混合合，如如图图13-813-8所所示示。这这种种结结构构目目的的是是有有意意使使混混合合放放慢慢，把把火火焰焰拉拉长长。这这种种燃燃烧烧器器不不易易产产生生回回火火，结结构构简简洁洁，气气体体流流淌淌阻阻力力小小，但但混混合合较较差差。煤煤气气和和空空气气的的压压
37、力力较较低低，一一般般只只需需800-l000Pa800-l000Pa，它它主主要要用用于于民民用用生生活活炉炉及及小小型型工工业业炉炉窑窑，如如沸水器，热水器及纺织，食品等工业的加热设备。沸水器，热水器及纺织，食品等工业的加热设备。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 图图13-8 13-8 单套管燃烧器单套管燃烧器 图图13-9 13-9 低压涡流式燃烧器低压涡流式燃烧器 空气空气煤气煤气空气空气煤气煤气112耐火材料探讨室耐火材料探讨室(3)(3)旋流式燃烧器旋流式燃烧器 旋旋流流式式燃燃烧烧器器是是目目前前工工业业炉炉窑窑上上应应用用比比较较广广泛泛的的一一类类强强制制鼓鼓风风式式有有焰焰燃燃
38、烧烧器器，因因其其结结构构和和燃燃烧烧实实力力不不同同，旋旋流流燃燃烧烧器器又又分分多多种种类类型型。以以下下简简洁洁介介绍绍四种。四种。带带旋旋流流片片的的旋旋流流式式燃燃烧烧器器，又又称称低低压压涡涡流流式式烧烧嘴嘴(DW(DWI I型型)。煤煤气气由由中中心心喷喷口口喷喷出出，空空气气流流经经空空气气通通道道上上的的旋旋流流片片(图图中中零零件件1)1)后后与与煤煤气气混混合合，因因此此煤煤气气和和空空气气在在烧烧嘴嘴内内部部就就起起先先混混合合，如如图图13-913-9所所示示。由由于于空空气气道道装装有有旋旋流流片片，使使空空气气产产生生了了切切向向分分速速，在在旋旋转转前前进进中中
39、与与煤煤气气相相遇遇，强强化化了了混混合合过过程程，因因而而可可以以得得到到比比较较短短的的火火焰焰，但但是是也也增增加加了了流流淌淌阻阻力力。它它可可燃燃用用发发生生炉炉煤煤气气，混混合合煤煤气气和和焦焦炉炉煤煤气气，如如把把烧烧嘴嘴尺尺寸寸减减小小，也也可可用用来来燃燃烧烧自自然然气气。燃燃烧烧器器设设计的煤气压力为计的煤气压力为800Pa800Pa，空气约为，空气约为2000Pa2000Pa。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 扁扁缝缝旋旋流流式式燃燃烧烧器器，又又称称扁扁缝缝涡涡流流式式燃燃烧烧器器(DW-II(DW-II型型)，其其结结构构如如图图13-1013-10所所示示。在在燃燃烧烧
40、器器的的煤煤气气通通道道中中安安装装一一个个锥锥形形的的煤煤气气分分流流短短管管，煤煤气气沿沿其其外外壁壁形形成成中中空空的的筒筒状状旋旋转转气气流流。空空气气则则沿沿着着蜗蜗壳壳形形通通道道，以以与与煤煤气气相相切切的的方方向向通通过过煤煤气气管管壁壁上上的的扁扁缝缝，并并分分成成若若干干片片状状气气流流进进入入混混合合室室，在在混混合合室室中中与与中中空空的的筒筒状状煤煤气气起起先先进进行行混混合合，因因此此混混合合条条件件较较好好，火火焰焰很很短短。这这种种燃燃烧烧器器较较适适合合燃燃烧烧热热值值为为5450-8380kJ/Nm35450-8380kJ/Nm3的的发发生生炉炉煤煤气气和和
41、混混合合煤煤气气。煤气和空气压力均在煤气和空气压力均在500-2000 Pa500-2000 Pa。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 图图13-10 13-10 扁缝旋流式燃烧器扁缝旋流式燃烧器 1 1锥形煤气分流短管；锥形煤气分流短管；2 2蜗壳形空气；蜗壳形空气；3 3缝状空气入口；缝状空气入口；44混合室混合室空气空气 煤气煤气12 34耐火材料探讨室耐火材料探讨室 环环缝缝旋旋流流式式燃燃烧烧器器。这这种种燃燃烧烧器器的的结结构构示示于于图图13-11，煤煤气气由由管管1引引入入，在在圆圆柱柱形形分分流流短短管管的的作作用用下下，形形成成中中空空筒筒状状气气流流，并并经经过过喷喷头头的的环
42、环状状缝缝隙隙3进进入入烧烧嘴嘴头头4，空空气气从从蜗蜗壳壳形形空空气气室室5通通过过空空气气环环缝缝6旋旋转转喷喷出出，在在烧烧嘴嘴头头4中中与与煤煤气气相相遇遇而而起起先先混混合合。这这种种燃燃烧烧器器主主要要用用来来烧烧低低热热值值煤煤气气(其其发发热热值值为为37709220 kJ/Nm3)，出出口口断断面面缩缩小小后后也也可可用用于于焦焦炉炉煤煤气气和和自自然然气气。燃燃烧烧器器出出口口的的煤煤气气和和空空气气压压力力约约为为20004000Pa。煤煤气气应应清清洗洗干干净净，否否则则简洁堵塞喷口。为防止回火，最小出口速度为简洁堵塞喷口。为防止回火，最小出口速度为10m/s左右。左右
43、。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 图图13-1113-11环缝旋流式燃烧器环缝旋流式燃烧器11煤气入口；煤气入口；2 2煤气喷头；煤气喷头；33环缝；环缝；44烧嘴头；烧嘴头；55涡壳形空气涡壳形空气室；室；66空气环缝空气环缝12356空气4D耐火材料探讨室耐火材料探讨室 中心进气旋流燃烧器。这是一种燃烧自然气的燃烧器，如图中心进气旋流燃烧器。这是一种燃烧自然气的燃烧器，如图13-1213-12所所示。示。自然气是高热值气体燃料，燃烧时须要大量空气自然气是高热值气体燃料，燃烧时须要大量空气(V0(V09-10Nm3/Nm3)9-10Nm3/Nm3)，由于自然气与空气的混合物的着火浓度范围小，燃
44、烧温度高，因此如何使少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，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生旋转流淌的，自然气与空气混合后，经缩放型喷口
45、，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，合后进入燃烧室。这种燃烧器还有各种不同的结构形式，耐火材料探讨室耐火材料探讨室图图13-12 13-12 中心进气旋流式燃烧器中心进气旋流式燃烧器自然气自然气空气空气 自然气喷孔耐火材料探讨室耐火材料探讨室 13.3.2 13.3.2 无焰燃烧器无焰燃烧器 13.3.2.1 13.3.2.1 无焰燃烧的主要特点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无焰燃烧是在燃烧之前先将燃料与空气按确定比例(1)(1)预先混合成可燃混合气，然后再从燃烧器喷出进行燃预先混合成可燃混合气，然后再从燃烧器喷出进行燃烧，属
46、动力燃烧类型。它具有以下主要特点：烧，属动力燃烧类型。它具有以下主要特点：燃料与空气在进入燃烧室之前已进行预先混合，在燃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。定于化学反应的时间。燃料完全燃烧时所需空气系数很小，一般燃料完全燃烧时所需空气系数很小，一般=1.05-=1.05-1.151.15，甚至可低到，甚至可低到=1.03-1.05=1.03-1.05，而燃尽程度却很高，其化学，而燃尽程度却很高，其化学不完全燃烧损失接近于零。不完全燃烧损失接近于零。耐火材料探
47、讨室耐火材料探讨室 由由于于可可燃燃混混合合气气很很小小，当当它它在在绝绝热热的的燃燃烧烧道道内内燃燃烧烧时时，燃燃烧烧温温度度很很高高，接接近近于于理理论论燃燃烧烧温温度度，所所以以无无焰焰燃燃烧烧器器的的容容积积热热强强度度(指指在在单单位位燃燃烧烧室室体体积积内内单单位位时时间间的的燃燃烧烧放放热热量量)很很高高，可可以以比比有有焰焰燃燃烧烧器器的的容容积积热热强强度度高高100100倍以上，即在较小体积内可达到较高的燃烧完全程度。倍以上，即在较小体积内可达到较高的燃烧完全程度。燃燃烧烧火火焰焰很很短短，在在炙炙热热的的燃燃烧烧道道背背景景下下，甚甚至至看看不不到到火火焰焰，所所以以称称
48、无焰燃烧，其火炬的热辐射力较差。无焰燃烧，其火炬的热辐射力较差。燃烧稳定性较差，简洁回火。燃烧稳定性较差，简洁回火。耐火材料探讨室耐火材料探讨室 无焰燃烧器主要由三部分组成，即混合部分，喷头和燃烧道。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)(1)混混合合部部分分。包包括括混混合合器器和和混混合合管管，其其作作用用是是使使煤煤气气和和空空气气良良好好的的混混合，一般说来说，混合方法通常有三种，即：合，一般说来说，混合方法通常有三种，即：利利用用煤煤气气和和空空气气流流的的交交角角和和速速度度差差，使使两两者者混混合合。这这种种方方法法简简洁洁，但但可可能能因因煤煤气气和和空空
49、气气压压力力不不稳稳定定，从从而而使使燃燃烧烧难难于于限限制制，所所以以这这种种方方法法很很少接受。少接受。空空气气利利用用鼓鼓风风机机增增压压后后再再与与煤煤气气混混合合，这这种种燃燃烧烧器器具具有有结结构构紧紧凑凑，单单个个燃燃烧烧器器热热负负荷荷高高，调调整整比比大大，空空气气可可以以加加热热等等优优点点，故故广广泛泛用用于于各各工工业部门。业部门。利利用用引引射射原原理理，空空气气被被煤煤气气引引射射吸吸入入并并与与之之混混合合，这这种种燃燃烧烧器器应应用用也极广。也极广。13.3.1.2 13.3.1.2 无焰燃烧器的结构无焰燃烧器的结构耐火材料探讨室耐火材料探讨室 (2)(2)喷喷
50、头头。喷喷头头是是用用来来使使可可燃燃混混合合气气以以确确定定的的速速度度送送入入燃燃烧烧道道的的设设备备。一一般般为为收收缩缩状状，其其出出口口断断面面上上的的流流速速分分布布比比较较匀匀整整，有有利利于于防防止止回回火火。从从喷喷头头喷喷出出的的流流速速必必需需超超过过火火焰焰传传播播速速度度(为为避避开开回回火火)。更更准准确确地地说说，燃燃烧烧器器在在最最小小负负荷荷时时，混混合合物物的的喷喷出出速速度度至至少少要要比比火火焰焰传传播播速速度度高高出出25%25%，但但不不宜宜超超过过100%100%。可可燃燃混混合合气气出出口口的的流流速速一一般般为为30-50m/s30-50m/s