燃烧器与燃烧技术

燃烧器与燃烧技术中国石油大学（北京）化工学院毛羽2010.11燃烧器与燃烧技术第一节燃烧器的分类第二节燃烧器的工作原理第三节低NOx燃烧技术第四节管式炉的燃烧、辐射传热、热效率第一节燃烧器的分类一、燃烧器分类燃烧器是各种加热设备（工业炉、锅炉、烘干设备等）的核心部件，为相关过程提供热量。燃烧器种类较多，可以按燃烧器使用的燃料或燃烧器用途来分类。按用途分类，在石油化工领域有常减压加热炉燃烧器、焦化炉燃烧器、裂解炉燃烧器、重整炉燃烧器等等。一般情况下燃烧器根据使用的燃料分类，因为这涉及燃烧器的基本工作原理：1、燃油燃烧器根据燃油种类分为：重油燃烧器，轻油燃烧器。2、燃气燃烧器根据燃气种类分为：液化气燃烧器、天然气燃烧器、焦炉煤气燃烧器、高炉煤气燃烧器、发生炉（冷煤气）煤气燃烧器、热煤气（发生炉煤气未处理）燃烧器、化工可燃尾气燃烧器、沼气燃烧器，等等。3、油气两用燃烧器即可以燃油，又可以燃气的复合类燃烧器。4、煤粉燃烧器所燃用的是固体燃料——煤粉，主要用在热电厂。由于最优质的煤也含有10%以上的灰份，所以这种燃烧器用在管式炉非常困难。二、燃料的种类与特征1、液体燃料常用的液体燃料有重油、渣油和轻柴油三类。燃油的特点是碳和氢的含量较高，水分含量较少，所以发热量很高，通常发热量为40600～43100kJ/kg。柴油一般用于中小型供热锅炉、生活锅炉以及大型锅炉的点火和稳定燃烧，重油则大多用于电站锅炉。（1）柴油柴油是一种密度较小的燃料油，粘度小，流动性好，雾化不用预热，可用直接点火方式启动锅炉，柴油含硫量较小，对环境污染也小。（2）重油重油是石油炼制加工工艺中提取轻质馏分——汽油、煤油和柴油后的重质馏分的总称。重油的主要成分是碳和氢，灰分、水分含量很少。发热量高而稳定。（3）渣油渣油是石油炼制过程中得到的残余物，它的主要成分是高分子烃类、胶状物质等，可直接用作燃料使用。渣油的粘度较大，加热到一定温度能够流动，其贮存、输送及管理都很方便。第一节燃烧器的分类2、气体燃料常用的气体燃料主要有天然气、高炉煤气、焦炉煤气和城市煤气。石油加工过程的许多工艺都会产生干气或瓦斯气，这也是很好的气体燃料。天然气一般分为两类：从天然气田开采出来的，称为干天然气；在石油产区与石油产品一起开采出来的天然气，称为伴生天然气。天然气主要成分是甲烷，体积份数可达65%～99%，其次为乙烷等饱和碳氢化合物，还有少量硫化氢及惰性气体等。天然气发热量较高，标准状态下的低位发热量为36000～42000kJ/m3。气体燃料容易点火，燃烧迅速、完全，燃烧设备简单，调整方便，易于实现自动化，便于管道输送。其氮、硫、灰分含量少，是比较清洁的燃料。尤其是其H/C比高，燃烧时（相同热值）产生的CO2较少，有利于环境保护。但某些气体具有毒性和使用不当易发生爆炸的危险，使用时必须严格遵守有关操作规程和采取安全措施。第一节燃烧器的分类三、燃料的燃烧过程及燃烧条件1、液体燃料的燃烧过程液体燃料的燃烧过程是非常复杂的物理化学过程，由以下四个阶段组成：(1)燃油的雾化利用燃烧器中的雾化器（油枪）将燃油雾化成很细的雾状油滴，并将这些液滴均匀地分布在炉膛的空气流当中，这是燃油完全燃烧的先决条件。一般油滴的直径为10～200mm，直径小于50mm的油滴占85%以上。(2)油滴蒸发分布均匀的油雾在炉膛高温作用下吸收热量，蒸发成气体，也称为油的汽化过程。燃油的雾化质量越高，蒸发与化学反应就越强烈，进入燃烧过程也就越迅速。(3)油气和空气的混合油雾受热分解成烃类油气后，与炉膛里的空气混合形成可燃的气体混合物。(4)燃烧已形成的可燃气体混合物在高于其燃点的温度下，开始燃烧直至燃烬。液体燃料的燃烧本质上是一种蒸发燃烧。在液体微粒着火前，首先开始蒸发，在油滴的表面形成燃油蒸气，所以，液体燃料的燃烧实质上是燃油蒸气与空气的燃烧，是一种气态物质的均相燃烧过程。第一节燃烧器的分类2、气体燃料的燃烧过程气体燃料的燃烧比固体燃料、液体燃料的燃烧容易发生，燃烧也要快得多。根据气体燃料与空气的混合方式不同，在加热炉中有两种燃烧方式。1）扩散式燃烧气体燃料和助燃空气分别送入燃烧室，然后边混合边燃烧。其燃烧过程取决于气体燃料和助燃空气的混合扩散过程，称之为扩散燃烧。扩散燃烧的优点是燃烧稳定。2）动力式燃烧（预混燃烧）气体燃料和助燃空气预先均匀地混合后再送入燃烧室内燃烧，整个燃烧过程主要取决于可燃混合气体氧化的化学动力过程，故称之为动力燃烧。动力燃烧的优点是燃烧热效率较高，燃烧室的容积可较扩散式小，但其对空气量的控制要求更严格。第一节燃烧器的分类3燃油的燃烧条件燃料是否完全燃烧主要有以下四个条件：（1）燃油雾化液滴的直径燃油雾化液滴直径越小，其传质、传热表面积就越大，这不仅能加速燃油的蒸发过程，而且有利于燃料和助燃空气的混合，是保证燃烧迅速和完全的条件（2）充足的助燃空气充足的助燃空气不仅仅指与燃油化合所需要的理论空气量，而是大于理论空气量的过剩空气量。由于燃油颗粒和助燃空气在炉膛中并不是均匀分布于各个角落，因此必须有过量的空气才能保证燃料颗粒的完全燃烧。（3）足够的温度燃料的完全燃烧需要获得一定的热量来维持加热、蒸发、着火、燃烧，直至完全燃烧的整个过程。要达到燃料的完全燃烧必须要有足够高的燃烧温度，任何不利于燃烧的因素或者因炉膛内负荷过低达不到足够的燃烧温度，都不能使燃料完全燃烧。（4）足够的燃烧空间燃料颗粒与氧的化合反应需要有一定的空间，只有满足了燃烧所需要的空间才能使燃料颗粒在炉膛中达到完全燃烧的程度。也就是说足够的炉膛容积也是燃料颗粒完全燃烧的条件。第一节燃烧器的分类第二节燃烧器的工作原理根据上面燃烧器和燃料的分类，介绍燃烧器的工作原理和过程。一、油的燃烧过程加热炉燃用重质油时，需要预先加热以降低其粘度，再由油泵加压，然后通过油喷嘴雾化后喷入炉内。雾化后的油滴置于高温、含氧的介质中，吸热并蒸发为蒸气，再和喷入炉中的空气混合，进而继续吸热而升温，当达到着火条件（一定的温度和浓度）时即着火、燃烧。油及其蒸气都是由碳氢化合物组成的，其中高分子碳氢化合物所占的比例较大。它们若在与氧接触前已达到高温（700℃），则会因缺氧、受热而发生分解，热解产生固体碳和氢，这种固体碳即为炭黑颗粒。另外，如有尚未蒸发的油滴会因急剧受热发生裂化，一部分较轻的分子从油滴中飞溅而出，较重的部分可能变成固态物质——焦粒或沥青。炭黑颗粒和焦粒不仅造成固体不完全燃烧热损失，而且还将污染环境。因此，必须重视油喷嘴的设计、制造，以保证油的雾化质量。气态的碳氢化合物，包括油蒸气以及热解、裂化产生的气态产物，当与氧分子接触后并达到着火温度时便开始剧烈的燃烧反应，即便是炭黑颗粒和焦粒也有可能在这种条件下开始燃烧。第二节燃烧器的工作原理油从油喷嘴向炉内喷射形成雾化炬,如下图所示。在炉膛内含氧的高温环境中，油蒸气和热解、裂化产物等可燃物不断向外扩散，而空气（氧分子）则不断向内扩散。当二者混合达到一定程度（化学当量）时，就开始着火燃烧并形成火焰锋面。火焰锋面上产生的热和炉膛辐射热又将微细油粒加热，继而蒸发和燃烧。油滴的燃烧经历了两个互相依存的过程：一方面燃烧反应需要由油的蒸发来提供反应物质；另一方面油的蒸发又需依赖燃烧反应提供热量，如此燃烧过程持续进行。由于燃油的雾化过程非常重要，下面详细介绍常用雾化技术。油的雾化与燃烧第二节燃烧器的工作原理二、燃油的雾化液体燃料的雾化过程非常重要，液体燃料雾化成细小液滴后，比表面积大大增加，可以加快传质、传热过程，液体升温、汽化并且与空气的混合过程较快，可以实现较为充分的燃烧。燃料喷枪的雾化不好，有时会导致不完全燃烧和结焦，并且增加污染物的排放。油的雾化质量对燃烧速度和燃烧的完全程度起着重要作用。雾化的目的就是提高油的总表面积，如果将1kg油雾化成直径为50μm的油滴，总表面积将增大7500倍，约达120m2，若雾化成直径为30μm的油滴，总表面积约达200m2，可以大大强化油的燃烧。油的雾化过程是一个复杂的物理过程，需要消耗能量。按消耗的能量来源，可将雾化方法进行分类，例如常用的利用机械能进行雾化，如压力旋转式雾化油喷嘴和转杯式雾化喷嘴，以及依靠蒸汽和空气等雾化介质的能量（如蒸汽雾化喷嘴）进行雾化。液体雾化有各种不同的方法，可以分为三大类：（1）单相流雾化（压力雾化，机械雾化），（2）多相流雾化，（3）利用声、电的雾化。第二节燃烧器的工作原理雾化技术1、单相流雾化（压力雾化，机械雾化）1）压力雾化雾化能量来源于液体本身的压力能。（1）压力直喷雾化是最早产生的压力雾化喷嘴，见下图。高压泵使液体获得很高的压力（2―2.5MPa）,从喷口喷出，形成一股高速液体射流。射流离开喷口后，其边缘与周围静止空气由于摩擦产生剪切作用而逐步逐层破碎成小液滴，在射流的中心部位，存在一个液体核心，随着液滴破碎过程，这个核心逐步小时，液体全部破碎为液滴。在射流的前段，小液滴比较稠密，而后与空气的混合作用过程中逐步扩散，液滴密度逐渐降低。这种雾化方法对粘性低的液体有较好的雾化效果，如果液体粘性大，或者压力降低，雾化效果将急剧变差，并且只适用于小流量。压力直喷雾化喷嘴第二节燃烧器的工作原理雾化技术（2）压力旋转雾化喷嘴在压力雾化中应用较广泛。其结构见下图。高压泵使液体获得很高的压力（2―2.5MPa）,从切向入口或经过旋流片进入喷嘴的旋流室，液体在旋转室旋转向前运动，并被压向中心的喷口喷出。喷出后，形成锥形液膜，离心力使液膜直径变大、伸长变薄，最后分裂为小液滴。压力旋转雾化喷嘴结构第二节燃烧器的工作原理雾化技术如果采用较大的旋流数，会形成空心锥喷雾，采用较小的旋流数，可以形成实心锥喷雾。压力旋转雾化喷嘴空心锥喷雾实心锥喷雾第二节燃烧器的工作原理雾化技术压力旋转雾化喷嘴的优点是结构简单，运行成本低。压力旋转雾化喷嘴的雾化效果比压力直喷雾化喷嘴的雾化效果好，处理量也略大。缺点是在负荷变低时，雾化液滴粒径迅速增加，雾化状况恶化，液雾穿透能力差，而且随着液体粘度的升高，液雾平均粒径迅速增加，雾化质量下降。并且处理量仍然较小。压力雾化喷嘴要求油的粘度不大于3～4°E，所以通常都将重油加热至110℃～130℃使用，以降低粘度使其符合喷嘴的雾化要求。喷嘴结构特性主要是喷孔、旋流室和切向槽的尺寸，喷孔较小，旋流室直径较大和切向槽较长都将有利于雾化质量的提高。第二节燃烧器的工作原理雾化技术2）机械雾化机械旋转式雾化器：这种喷嘴按结构的不同可以大致分为转盘式和旋杯式两种。转杯式雾化喷嘴如下图所示，它由高速旋转的转杯和输油空心轴组成。油通过空心轴进至转杯根部，由于高速旋转运动，油沿转杯内壁向杯口方向流动，随着转杯直径的增大，内表面积也越来越大，迫使油膜越来越薄，最终在离心力的作用下甩离杯口，化为油雾。同时，一次风机鼓入的高速空气流，出口转杯式雾化器速度为40～100m/s，也有效地帮助油滴雾化得更细，并与空气混合。显然，离心力是油雾化的动力，所以转杯的转速对雾化质量起着保证作用，粘度高的重油或渣油，要求转杯有较高的转速。转杯式油喷嘴的特点是对油的适应性较好，喷油量调节范围大，燃烧火焰短而宽。此外，因不存在喷孔的堵塞和磨损，对油中所含杂质不甚敏感，而且送油压力不高，无需装设高压油泵。但它有高速转动的部件，制造加工较为复杂，有一定的振动和噪声。第二节燃烧器的工作原理雾化技术2、两（多）相流雾化这种雾化过程依赖于气体的能量，主要有气体辅助雾化喷嘴和空气鼓风雾化喷嘴。1）气体辅助雾化喷嘴其雾化原理是利用气体介质的能量，在液体与气体之间产生较大的相对速度,从而在气流强力剪切作用下达到雾化的目的。依据结构的不同,这种雾化喷嘴的类型又可分为内混式和外混式两种。（1）内混式雾化内混式喷嘴:气体和液体在离开喷嘴之前首先在喷嘴的内部进行混合，混合物以一定的速度经喷口喷出，形成喷雾射流，喷雾射流与周围静止介质产生剪切作用，使液体成为细小液滴。第二节燃烧器的工作原理雾化技术常用的气体介质是蒸汽，压力为0.4～1.0MPa的蒸汽由支管进入环形套管，从头部喷孔高速喷射而出，将中心油管中的燃料油引射带