摘要：低熱值燃氣一般是指熱值低于（12MJ/m3）的燃氣，燃燒穩(wěn)定性相對天然氣來說較差。大負荷燃燒時易發(fā)生脫火。所以低熱值燃氣要在壁掛爐中穩(wěn)定的著火、持續(xù)的燃燒且不產(chǎn)生離焰和脫火等不良現(xiàn)象，需要采用專用的燃燒器設(shè)計。本文通過分析如何對低熱值燃燒器進行穩(wěn)焰設(shè)計，并對某公司的低熱值燃燒器進行了試驗分析，對比五種不同的穩(wěn)焰設(shè)計思路，驗證適合低熱值煤氣火焰的穩(wěn)定性和燃燒工況，為解決低熱值燃氣應(yīng)用于采暖產(chǎn)品所面臨的問題提供解決的參考。
關(guān)鍵詞：低熱值燃氣；脫火；穩(wěn)焰；燃燒器
1引言我國的低熱值燃氣種類繁多，在煤炭生產(chǎn)、煤化工、石油化工、鋼鐵、冶金等工業(yè)生產(chǎn)以及生物質(zhì)能氣化都會產(chǎn)生一些低熱值的氣體燃料，而且總量非常巨大。這些燃氣一般含有大量的惰性氣體，因而發(fā)熱量低、著火困難、燃燒性能差，其中很多被大量的直接排放到大氣中，造成了極大的浪費。同時燃氣中的大量的CH4對溫室效應(yīng)影響是CO2的20多倍，極大地加劇了溫室效應(yīng)。研究開發(fā)和優(yōu)化適合低熱值燃氣的壁掛爐，實現(xiàn)低熱值燃氣應(yīng)用于采暖事業(yè)，在我國供暖市場的實情下，具有很好的經(jīng)濟效益，社會效益和環(huán)境效益。
2穩(wěn)定燃燒的分析
a）燃燒特性正常的部分預混燃燒火焰應(yīng)該是穩(wěn)定的，燃燒完全的火焰結(jié)構(gòu)。而不正常的部分預混燃燒就會產(chǎn)生離焰、回火、黃焰、脫火和不完全燃燒等現(xiàn)象，產(chǎn)生這些現(xiàn)象和燃燒的燃燒特性有密切的聯(lián)系。表示燃氣燃燒特性最形象的方法是在以燃燒器火空熱強度q為縱坐標，以一次空氣a為橫坐標的坐標系上表示出的離焰、黃火、回火和CO的極限含量曲線（如圖1）。也就是說正常的預混燃燒，其工作點應(yīng)該在四曲線圍成的區(qū)域里。從圖中可以看出，燃燒的過?？諝庀禂?shù)與燃燒的穩(wěn)定關(guān)系緊密，可燃氣燃燒的穩(wěn)定范圍與一次空氣系數(shù)的關(guān)系(如圖1)隨著一次空氣系數(shù)的增大，可燃氣混合物中空氣較多，在混合氣噴出噴口時，二次空氣被吸入，可燃混合物進一步被稀釋，火焰底部的點火環(huán)的穩(wěn)定能力變?nèi)?，脫火的氣流速度減小，可燃氣的脫火極限速度減少，因次脫火極限隨一次空氣系數(shù)的增加而減少?；鼗饦O限與火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘘P(guān)，火焰的傳播速度越快，火焰的回火極限越大。從圖中我們還可以看出，隨著一次空氣系數(shù)的增加，脫火和回火的間距在急劇減少，燃燒穩(wěn)定性減弱。
3試驗燃燒器的結(jié)構(gòu)常規(guī)壁掛爐燃燒器工作過程是：燃氣從噴嘴高速噴出后，引射四周靜止的空氣一起卷入引射器，在混合段內(nèi)燃氣與引射進入的一次空氣實現(xiàn)完全混合，并經(jīng)減速擴壓后進入燃燒器頭部，燃氣與空氣的混合氣從頭部火孔流出被點燃。在燃燒過程中，燃燒器周圍的空氣不斷補充進來，以保證燃氣充分燃燒。以下是6種局部結(jié)構(gòu)不同的常規(guī)壁掛爐大氣式燃燒器。
1）燃燒器a燃燒器a外形結(jié)構(gòu)如圖2所示：此種燃燒器的火孔呈橫向條形分布。
2）燃燒器b燃燒器b的火孔分布如圖3所示：此種燃燒器的火孔由圓形火孔和方形火孔組成，其火孔面積與燃燒器a的面積相同。
3）燃燒器c燃燒器C外形結(jié)構(gòu)如圖4所示：此種燃燒器的火孔由方形火孔組成，其火孔面積與燃燒器a的面積相同，但火孔寬度增加八分之一，火孔數(shù)量減少。
4）燃燒器d燃燒器d外形結(jié)構(gòu)如圖5所示：燃燒器d的火排完全與燃燒器a一致。只是在火排的火孔上方置V形鍍鎳板。促熱煙氣回流和增大輻射傳熱。
5）燃燒器e燃燒器d火孔分布圖樣和燃燒器a相同，但是方孔個數(shù)增加了，火孔面積加大了五分之一。以減小相同負荷下的燃氣噴出速率。
6）燃燒器f燃燒器e正面火孔分布圖樣和燃燒器a完全相同。但在火排頭部的兩側(cè)開側(cè)孔，同時火排的兩側(cè)設(shè)火焰隔板。側(cè)孔面積是正面火孔的五分之一。
燃燒器設(shè)計為部分燃氣從燃燒器火孔噴出形成燃燒主火焰，一部分從燃燒器側(cè)壁的穩(wěn)焰孔流出，并在燃燒器火孔表面和穩(wěn)焰板形成的狹小間隙中燃燒，形成穩(wěn)焰火，改變了主火焰邊緣區(qū)域火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蚧鹋疟诘纳岫p過快的事實。以上六種燃燒器，為確定實驗數(shù)據(jù)的可靠性和真實性，每種型號各備四個，分別命名為a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4、d1、d2、d3、d4、e1、e2、e3、e4、f1、f2、f3、f4。其安裝尺寸及外形尺寸完全一致，方便燃氣采暖熱水爐互換使用及比較。
4試驗測試對于低熱值燃氣燃燒器來說，容易離焰和脫火。有前面論述部分可知，離焰的實質(zhì)是，在燃燒器表面上，燃燒火焰的徑向傳播速度小于燃氣噴出速度，使得火焰懸浮于燃燒器表面。如繼續(xù)加大負荷，火焰面不能穩(wěn)定而被吹滅，就是所謂的脫火。對于低熱值燃燒器來說，與同規(guī)格的燃燒器相比，在擁有更高的負荷而不離焰和脫火，我們就認為它的穩(wěn)焰效果是最好的。
1）試驗燃氣（燃氣熱值13.35MJ/Nm）
2）測試方法：考慮到低熱值燃氣本省濃度低、易脫火等特點，完全去除一次空氣，實行火焰穩(wěn)定的擴散燃燒。將燃燒器安裝于壁掛爐上，通過燃氣閥調(diào)節(jié)燃氣流量，直至產(chǎn)生離焰則止。取值規(guī)則為：每款四個燃燒器分別試驗十次，去除四組數(shù)據(jù)中每個試驗序號中的最高值和最低值后取平均值。燃燒器a，燃燒器b，燃燒器c與燃燒器d的對比值如下表：從圖8實驗結(jié)果可看出，在火孔面積相同的情況下，擁有穩(wěn)焰小孔的燃燒器b、擁有較大火孔的燃燒器c以及擁有鈍體促熱煙氣回流設(shè)計的燃燒d，在離焰前，最大熱負荷值較燃燒器a都有了很大的提高。從圖9的數(shù)據(jù)當中，可以看出在適當增大火孔面積，相同負荷下，減小燃氣噴出速度的設(shè)計，也使得燃燒器脫火時最大功率的上限有了很大的提升，特別是側(cè)孔穩(wěn)焰技術(shù)應(yīng)用效果更為明顯。燃燒器a，燃燒器e與燃燒器f的對比值如下表：
5結(jié)束語利用低熱值燃氣采暖是提升能源利用率、解決低熱值燃氣被直接排放、污染環(huán)境問題的重要方法。易脫火是現(xiàn)階段利用低熱值燃氣采暖面臨的大問題。研究火焰的穩(wěn)定性、尋找解決離焰脫火的方法、提升單火排的負荷是實現(xiàn)低熱值燃氣采暖的前提。
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