直流擴(kuò)散式燃?xì)馊紵魅紵匦栽囼?yàn)研究

劉 峰 廖曉煒 竇文宇

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

直流擴(kuò)散式燃?xì)馊紵魅紵匦栽囼?yàn)研究

劉 峰 廖曉煒 竇文宇

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)廣泛運(yùn)行的鍋殼式燃?xì)忮仩t，以在該結(jié)構(gòu)鍋爐上大量使用的直流擴(kuò)散式天然氣燃燒器為研究對(duì)象，研究了燃?xì)馊紵髟诓煌?fù)荷、爐膛背壓、過(guò)量空氣系數(shù)等參數(shù)對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)火焰燃燒場(chǎng)分布的影響，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)燃?xì)忮仩t的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及燃?xì)馊紵鞯慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

燃?xì)?燃燒器 負(fù)荷 爐膛背壓 空氣過(guò)量系數(shù)

在我國(guó)，能源結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期以煤炭為主，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭仍將在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中占有很重要的地位。進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)各大中型城市積極推行集中供熱以減少小型燃煤鍋爐引起的局部環(huán)境污染問(wèn)題，同燃煤相比，油氣燃料具有燃燒充分，燃燒效率高，污染物低等明顯優(yōu)點(diǎn)，因此以燃用天然氣、煤氣、液化石油氣等可燃?xì)怏w燃料以及液體燃料油等清潔燃料為主的環(huán)保型供熱系統(tǒng)，在城市小區(qū)供熱系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。然而，近幾年國(guó)際燃油價(jià)格一路上漲，使得原來(lái)單一依靠燃油的鍋爐用戶越來(lái)越承受不了其運(yùn)行費(fèi)用，而隨著大規(guī)模的天然氣資源勘探開(kāi)發(fā)，煤層氣的開(kāi)發(fā)利用，石油化工等行業(yè)生產(chǎn)工藝帶來(lái)的可燃副氣的綜合利用，以及“西氣東輸”、“海氣登陸”和“川氣出川”工程的實(shí)施以及從俄羅斯、哈薩克斯坦、緬甸等國(guó)引進(jìn)天然氣等措施的開(kāi)展，燃?xì)鈦?lái)源得到了基本的保證。綜合考慮成本、環(huán)境污染、國(guó)家政策等因素，燃?xì)忮仩t的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。

因此，本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)廣泛運(yùn)行的鍋殼式燃?xì)忮仩t，以在該結(jié)構(gòu)鍋爐上大量使用的、具有代表性的直流擴(kuò)散式天然氣燃燒器為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)手段，詳細(xì)研究了燃?xì)馊紵鞲鲄?shù)（負(fù)荷、爐膛背壓、過(guò)量空氣系數(shù)等）對(duì)鍋爐爐膛內(nèi)火焰燃燒場(chǎng)分布的影響，其結(jié)果對(duì)燃?xì)忮仩t的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

1 燃燒特性試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)用燃燒器

試驗(yàn)為燃天然氣燃燒器，采用目前被廣泛使用的強(qiáng)制鼓風(fēng)整體擴(kuò)散式燃燒器，其燃燒頭中小孔為燃?xì)饪祝罂诪榭諝饪?，周?chē)茄a(bǔ)充大量空氣的周界風(fēng)，孔的前端有穩(wěn)焰器（見(jiàn)圖1）

圖1 燃?xì)馊紵魍庥^以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片

1.2 試驗(yàn)用燃料

試驗(yàn)用天然氣，其化學(xué)成分和熱值檢驗(yàn)報(bào)告分別見(jiàn)表1：

表1 天然氣檢驗(yàn)報(bào)告

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

圖2為測(cè)試系統(tǒng)示意圖，包括測(cè)試爐以及相關(guān)的測(cè)試儀器。其中測(cè)試爐爐膛長(zhǎng)度亦即爐膛容積熱負(fù)荷可調(diào)節(jié)，可模擬不同結(jié)構(gòu)鍋殼鍋爐的實(shí)際爐膛容積熱負(fù)荷，并且在測(cè)試爐上裝有壓力測(cè)點(diǎn)、火焰觀察孔、溫度測(cè)點(diǎn)等。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

1.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表2：

表2 燃?xì)夤r設(shè)計(jì)參數(shù)

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表中，橫坐標(biāo)均采取無(wú)量綱參量x/d，x為測(cè)點(diǎn)距離爐膛中心線的垂直距離，d為燃燒器噴口直徑?？v坐標(biāo)為溫度T，單位℃。縱軸右邊虛線部分為左邊的映射。

1）負(fù)荷對(duì)燃?xì)馊紵鳡t內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)影響

圖3為在每個(gè)測(cè)量截面下各個(gè)工況（不同負(fù)荷）徑向火焰溫度分布。圖4為在每個(gè)工況下（不同負(fù)荷）各個(gè)測(cè)量截面徑向火焰溫度分布。

圖3 燃?xì)馊紵髟诓煌呢?fù)荷下徑向截面溫度對(duì)比圖

圖4 燃?xì)馊紵魍回?fù)荷下不同截面沿徑向溫度分布對(duì)比圖

由圖3和4可以看出：

(1）在接近燃燒器出口區(qū)域（600mm、800mm截面)，火焰溫度分布沿徑向呈“M”型分布。

(2）離燃燒器出口距離越遠(yuǎn)（600mm、800mm、3000mm三個(gè)截面)，截面火焰溫度越平均，也就是說(shuō)截面溫度分布沿爐膛長(zhǎng)度方向趨于均勻。

(3）隨著燃燒器負(fù)荷的增加， 在爐膛中后部（800mm、3000mm截面)，爐內(nèi)溫度水平上升。

(4）隨著燃燒器負(fù)荷的增加，爐內(nèi)最高溫度水平截面的位置趨向后移，亦即火焰長(zhǎng)度增大；同一截面的火焰溫度峰值位置趨向爐膛壁面方向移動(dòng)，亦即火焰直徑增大。

2）爐膛背壓對(duì)燃?xì)馊紵鳡t內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)影響

圖5給出了燃?xì)馊紵髟诓煌臓t膛背壓下（工況5、6、7）徑向截面溫度對(duì)比圖：

圖5 燃?xì)馊紵髟诓煌臓t膛背壓下徑向截面溫度對(duì)比圖

試驗(yàn)結(jié)果表明，爐膛背壓對(duì)燃?xì)饣鹧鏍t內(nèi)溫度分布影響較為明顯：

（1）在相同燃燒器負(fù)荷下，爐膛背壓增大，在接近燃燒器出口區(qū)域(600mm、800mm截面)，爐膛中心火焰溫度提高，同時(shí)引起截面整體火焰溫度水平提高；

（2）在相同燃燒器負(fù)荷下，爐膛背壓增大，爐內(nèi)最高溫度水平截面的位置沒(méi)有發(fā)生變化，亦即燃燒器火焰長(zhǎng)度不變；同時(shí)，同一截面的火焰溫度峰值位置沒(méi)有發(fā)生變化，亦即燃燒器火焰直徑不變；

（3）在相同燃燒器負(fù)荷下，爐膛背壓增大，爐膛后部（3000mm截面）亦即爐膛出口煙氣溫度降低。

3）過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃?xì)馊紵鳡t內(nèi)燃燒溫度場(chǎng)影響。

圖6給出了燃?xì)馊紵髟诓煌倪^(guò)量空氣系數(shù)下（工況6、8、9、10）徑向截面溫度對(duì)比圖：

圖6 燃?xì)馊紵髟诓煌目諝膺^(guò)量系數(shù)下徑向截面溫度對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）過(guò)量空氣系數(shù)增大后，爐膛中心火焰溫度提高，爐膛截面火焰溫度分布沿徑向由“M”型轉(zhuǎn)變?yōu)椤啊伞毙停?/p>

（2）過(guò)量空氣系數(shù)增大后，爐內(nèi)最高溫度水平截面的位置向燃燒器噴口方向移動(dòng)，亦即燃燒器火焰長(zhǎng)度變短；同時(shí)，同一截面的火焰溫度峰值位置向爐膛中心靠近，亦即燃燒器火焰直徑也變小；

（3）過(guò)量空氣系數(shù)增大后，爐內(nèi)整體溫度水平（包括爐膛出口溫度）降低。

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃?xì)馊紵魅紵^(guò)程的試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1）燃燒器負(fù)荷：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，燃燒器負(fù)荷大小除了直接影響爐膛溫度水平以及爐膛出口煙氣溫度外，還直接影響火焰尺寸（長(zhǎng)度和直徑）。燃燒器負(fù)荷增大，爐膛出口煙溫提高，同時(shí)火焰尺寸（長(zhǎng)度和直徑）增大。因此，在燃?xì)忮仩t的設(shè)計(jì)、改造亦或是運(yùn)行，在爐膛設(shè)計(jì)或校核時(shí)，除了要考慮控制爐膛容積熱負(fù)荷qv這個(gè)宏觀熱力參數(shù)外，還要考慮爐膛結(jié)構(gòu)與燃燒器火焰尺寸相匹配，在負(fù)荷變化范圍內(nèi)，燃燒器火焰要在爐膛內(nèi)充分展開(kāi)，不能直接沖刷受熱面。

2）空氣過(guò)量系數(shù)：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，過(guò)量空氣系數(shù)提高，爐內(nèi)溫度水平下降，爐膛出口煙氣溫度下降。燃?xì)馊紵骰鹧娉叽纾ㄩL(zhǎng)度和直徑）對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)較為敏感，空氣過(guò)量系數(shù)越大，火焰越短，直徑越小。從保證燃燒完全以及減小鍋爐熱損失的角度綜合考慮，燃?xì)馊紵鬟^(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)盡可能接近1.0，燃油燃燒器不宜超過(guò)1.1。

3）爐膛背壓：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，爐膛背壓對(duì)燃?xì)馊紵鞯挠绊戄^大，爐膛背壓提高，火焰結(jié)構(gòu)無(wú)較大變化，但整個(gè)燃燒過(guò)程提前，從而爐膛出口煙氣溫度降低。質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目：火筒加熱爐爐內(nèi)燃燒場(chǎng)研究與熱負(fù)荷均勻裝置研制（項(xiàng)目號(hào)：201310163）

1.包秀春,等.工業(yè)鍋爐高效運(yùn)行措施的實(shí)施[J].北京:中國(guó)特種設(shè)備安全,2012,28(2):42~45

2 陳志良,等.工業(yè)鍋爐能效及其計(jì)算方法[J].北京:中國(guó)特種設(shè)備安全,2010,26(12): 3~5

Experimental Study on Combustion Characteristics of DC Diffusion Type Gas Burner

Liu Feng Liao Xiaowei Dou Wenyu
(China Special Equipment Inspection Research Institute Beijing 100029)

Aiming at the present domestic widely running pot shell with gas boiler, and widely used direct current diffusion type gas burner in this boiler, the experimental method was used to study the effect of gas burner under different loads, furnace backpressure, excess air coefficients, etc. The results can play great significance on guiding the gas boiler safe and economic operation and was instructive to structure optimization of the gas burner.

Gas Burner Load Furnace backpressure Air excessive coefficient

B

1673－257X(2014)06－20－04

劉峰 (1983～) 男，工程師、檢驗(yàn)師，從事電站鍋爐檢測(cè)和燃燒器性能測(cè)試。

2013－11－08）