烧嘴设计问题

自预热式烧嘴关键技术

经过基本原理

高温空气燃烧技术的基本思想是让燃料在高温低氧体积浓度气氛中燃烧。它包含两项基本技术措施：一项是采用温度效率高、热回收率高的蓄热式换热装置，极大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为400～800℃，甚至更高的高温助燃空气。另一项是采取燃料分级燃烧和高速气流卷吸附辐射管内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为3% ～15%(体积比)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中，首先进行诸如裂解等重组过程，造成与传统燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这种燃烧方式一方面使燃烧室内的温度整体升高且分布更趋均匀，使燃料消耗显著降低。降低燃料消耗也就意味着减少了CO2、氮氧化物(NO X)等气体的排放。氮氧化物(NO X)是造成大气污染的重要来源之一，NO X的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度及氮、氧的浓度有关，其中温度是影响热力型NO X的主要因素，Zeldovch等人通过试验及推导得出：

NO X生成速度=3×1014 [N2][O2] ×exp（-54200/RT），

其中[N2][O2]为N2和O2的浓度。

由上式可知NO X生成度与温度呈指数关系，在燃烧温度低于1500℃时，NO X生成很少，但当温度达到1500℃时，每升高100，NO X生

成度就增加6~7倍。

高温空气燃烧技术与传统燃烧相比没有燃烧的局部高温区，同时也降低了氮、氧的浓度；此外，由于采取大速度气流，燃烧速度快，烟气在管道内停留时间短，也进一步降低了NO X排放浓度低。

烧嘴的设计原则是合理控制空气和燃料气的混合速度，即控制喷嘴火焰的角度、长度和速度。不能让空气和燃料气混合得太快，喷嘴火焰过短，这样容易形成局部高温；但也不能混合得太慢，即喷嘴火焰过长。为了保证燃料在低氧气氛中燃烧，必须在设计其供给通道时，考虑燃料和空气在空间的扩散、混合和射流的角度及深度。而这些参数应根据加热功率、辐射管尺寸、加热工艺要求、燃料种类、预热温度和燃料气压力等因素来确定。一般来说，射流的速度越大，炉内的卷吸和回流作用越强烈，就越有利于实现低氧的气氛，而这种相对很低的燃料气和氧气浓度降低了平均燃烧速度，拓展了燃烧边界，形成了均匀的温度场，进而也降低了ＮＯｘ的排放。关于烧嘴喷头的关键几何尺寸需要参考《喷嘴技术手册》等相关资料进行设计和制造。

气自身预热式烧嘴SINMAX利用高温烟气预热助燃空气。采用多级燃烧，频繁点火可靠，烟气中有害物质含量低。

特点

■ 按烧嘴功率分7个规格，功率范围：12-500KW。

■ 适用燃气：天然气，液化气，焦炉煤气，混合煤气，发生炉煤气。

■ 利用烟气，通过内置换热器预热助燃空气。

■ 由于换热器采用了最佳形状设计，可获得极高的换热效率。

■ 火焰喷出速度高：max 120-160m/s。

■ 明火加热时，专门设计的烟气引射器确保100%的烟气从烧嘴排出。

■ 直接电极点火，火焰检测采用电离或紫外线UV方式。

■ 采用多级燃烧，频繁点火可靠，烟气中有害物质含量低。

■ 换热器采用金属或陶瓷材料，换热器有多种标准长度。

■ 安装调试简单、方便。

■ 建议采用脉冲on-off（开/关）控制方式，可有效延长辐射管使用寿命并提高炉温均匀性，也可用于连续控制。

二：蓄热式烧嘴基本原理和关键技术（原理图见下图）：蓄热式燃烧系统由蓄热式烧嘴、换向系统、PLC控制系统、供燃料系统、供风系统、排烟系统等组成。一套蓄热式烧嘴系统至少包括两个烧嘴，两个蓄热器，一个热能回收系统以及相应的控制装置。烧嘴和蓄热室可根据现场实际情况直接连接在一起或选择用耐火材料浇注的管道连接在一起。当一个烧嘴利用蓄热室里的热空气进行燃烧时，另一个烧嘴起到一个排烟口的功能，利用抽烟风机抽出炉子里的热空气通过烧嘴到蓄热器里进行蓄热。当热量蓄足后，蝶阀动作，转换两个烧嘴的功能。每当一个烧嘴在燃烧时，则另一个在帮助蓄热器蓄热。在热交换中，管道中的废气温度通常在150-200℃，因而不管是蝶阀还是抽烟风机均能长期安全可靠的工作。

正确地设计和安装蓄热式烧嘴可节省能70%，提高燃烧效率90%。20世纪90年代初始，蓄热式余热回收技术得到了快速发展：在蓄热体材质、构造、蓄热性能等方面都得到了许多改进；单位体积的传热面积由过去的10-40m2/m3提高到200-1300 m2/m3，因而体积显著减小；换向阀和控制系统可靠性也得到改善，换向时间由过去的30min 左右缩短至几分或几十秒钟，热效率大幅提高至80%一90%左右，助燃空气预热温度大幅提高至1000℃以上，而排出的烟气温度可降低

至200℃以下，接近烟气的露点温度。

蓄热式烧嘴是由烧嘴本体和蓄热体两部分组成，其中烧嘴本体由烧嘴喷头、中间壳体和空烟气分配箱组成。；蓄热体为各种耐温陶瓷蜂窝式，可贮存、释放大量的热量，是烧嘴用来做热交换的部分。空烟气分配箱位于烧嘴后部，它在换向阀配合下将完成空气和烟气的定时切换，从而使烧嘴实现了高效回收烟气余热的效果。

本系统原理是将烧嘴内部分割成两个通道作为蓄热室，切换并使流体交替通过这两通道，便完成了蓄热式燃烧。烧嘴中心始终连续供应燃料，烧嘴本体内部中心外划分为A、B两部分，每一部分都有空、烟气进出口。蓄热室分割成两部分并相互隔离。

状态A时，常温空气经换向阀进入A室，通过蓄热室变换高温空气（一般比炉温低80~120OC），这种高温空气进入炉膛后抽引周围的炉气

形成一种含氧量低于21%的高温气流，当这种气流中注入燃料时可自动燃烧，与此同时，高温烟气在炉内循环后回到烧嘴，进入B蓄热室，其潜热迅速释放给蓄热体，然后以3000C以下低温烟气从B室排出，经过换向阀、引风机进入大气。经30~90S（可人工设定）后，换向控制系统发出换向指令，状态A变为状态B。常温空气经换向阀通过B蓄热室进入炉内，而高温烟气经A蓄热室变为低温烟气从A室排出。通过这种交替运行方式，实现“烟气余热的极限回收”和“助燃空气的高温预热”。

三、关键技术

（一）喷嘴技术

烧嘴本体主结构骨架采用优质耐热钢，中间加以高强耐火浇注料，燃料经过适当几何形状及尺寸的烧嘴喷口，以较高速度喷出，温度效率达到85%以上，几何尺寸与辐射管的长度和直径相关联，喷射速度和角度以均匀缓慢燃烧而不产生回流为设计原则。

（二）蓄热室技术

烧嘴本体内部分为三个通道，中间为燃料气通道，蓄热室和烧嘴砖的通道分成二个部分，其内部相互隔离。蓄热室内充以蜂窝体，并衬以耐火保温材料以减少热损失和保证足够的强度及气密性。其关键技术在于确定蓄热室的大小、蜂窝体尺寸和材质的选用，详细信息需要进一步收集资料。

（三）换向阀技术及与之配套的控制系统

每两个烧嘴配置一个空气换向阀，这样即使某只换向阀故障，

整个加热系统不会受较大影响，可继续运行。换向时间与辐射管内烟气温度及蓄热体的透热厚度有关。换向时间越短预热空气的温度波动越小，废气的排放温度越低，换热温度效率越高。但是太短的换向时间，换向阀动作过于频繁，使用寿命及可靠性要求越高。最佳的换向时间需根据系统进行成本—效益综合分析确定。随着换向周期，预热空气的温度是波动的，蓄热体中亦为不稳定的加热—冷却过程。然而由于蓄热体换向周期一般不长，炉温波动一般可控制在合理范围内。现在蓄热式烧嘴的换向周期考时间参为40~80S。换向阀的换向时间以实时控制为主，但在蓄热室的烟气温度过高时，控制系统需要自动报警并强制提前换向一次。