第四章 鍋爐的燃燒設(shè)備續(xù)-燃燒器部分

第四章鍋爐的燃燒設(shè)備續(xù)——燃燒器部分燃料通常是指能與氧發(fā)生激烈氧化反應(yīng)、放出大量熱量的一種物質(zhì)，它是由多種可燃與不可燃物質(zhì)組成的混合物。不同燃料，其組成分差別很大，具有不同的燃燒特點，在鍋爐上使用時需采用不同的燃燒方法。鍋爐上燃用的氣體燃料種類較多，而燃用的液體燃料主要是重油和渣油。第一節(jié)氣體燃料和液體燃料一、燃料的成分和燃燒特性

氣體燃料和液體燃料都屬有機(jī)燃料，即都是復(fù)雜的高分子烴類物質(zhì)。燃料的主要化學(xué)成分有碳、氫、氧、氮、硫、灰分及水分。碳是燃料中的可燃成分，一般占燃料成分的15％～90％。碳完全燃燒時生成CO2,1Kg純碳可放出32866kJ熱量。碳不完全燃燒時生成CO

，此時1Kg純碳放出的熱量僅為9270kJ。氫也是燃料中的可燃成分，液體燃料中的氫元素含量一般可達(dá)到15％，氣體燃料中的氫含量較多，尤其是天然氣。燃料中氫元素的發(fā)熱量最高，1kg氫燃燒后的低位發(fā)熱量為120370kJ，約為碳發(fā)熱量的4倍。硫燃燒后生成SO2及少量的SO3；SO3使煙氣中的水蒸氣露點大大升高，煙氣中的SO2及SO3能溶解于水變成H2SO3（亞硫酸）及H2SO4（硫酸），會使鍋爐低溫受熱面（如空氣預(yù)熱器）金屬腐蝕及堵灰。鍋爐排放的煙氣中，硫化物將污染環(huán)境，對人體及農(nóng)作物皆有害。氧和氮都是不可燃成分。氧已和燃料中的部分氫、碳組成H2O、CO2，使燃料中的碳、氫可燃成分相對減少。氮是惰性物質(zhì)。因此氧、氮元素的存在會使燃料發(fā)熱量有所下降。氮和氧在高溫下形成氮氧化合物NOx（NO及NO2），這對生態(tài)環(huán)境極為有害。目前國內(nèi)外都在研究能降低排煙中NOx含量的燃燒器及燃燒設(shè)備。在設(shè)計燃燒設(shè)備時應(yīng)充分重視NOx的排放指標(biāo)。灰分是燃料中不可燃的雜質(zhì)，它不僅使燃料發(fā)熱量降低，而且使受熱面易受污染而影響傳熱，降低效率。氣體燃料及液體燃料基本上不含灰分。水分也是不可燃成分，燃料燃燒時，水分吸熱汽化，使燃燒室溫度降低，同時還在低溫受熱面處溶入SO2和SO3后造成低溫腐蝕。一般液體燃料含水分約1％～3％，氣體燃料所含水分不高，一般等于該溫度下的飽和水分。二、燃料的發(fā)熱量燃料發(fā)熱量有高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量。液體燃料發(fā)熱量的單位為KJ/kg，氣體燃料發(fā)熱量的單位為kJ/m3。當(dāng)煙氣中的水蒸氣完全凝結(jié)，將水蒸氣的凝結(jié)潛熱釋放出來，這時的發(fā)熱量稱高位發(fā)熱量。如果水蒸氣沒有凝結(jié)，則稱低位發(fā)熱量。實際上，煙氣離開鍋爐時的溫度還相當(dāng)高，水蒸氣基本上沒有凝結(jié)，所以鍋爐中實際上可以利用的是低位發(fā)熱量。第二節(jié)影響燃燒速度的因素了解影響燃燒速度（化學(xué)反應(yīng)速度）的因素，對合理組織和控制燃燒過程有重要意義。燃料在爐膛中燃燒時，燃燒速度一般與以下一些因素有關(guān)：1、溫度爐膛內(nèi)溫度越高，燃燒就越劇烈；爐膛溫度較低，則燃燒進(jìn)行得較緩慢，甚至不能保證穩(wěn)定燃燒，引起滅火。在爐膛出口，煙氣溫度也不應(yīng)低于1000℃左右。如果溫度過低，這部分爐膛空間對燃燒的作用不大。在燃燒中心，溫度一般可達(dá)1500～1600℃左右，甚至更高一些。2、濃度、壓力液體燃料和氣體燃料在爐膛中燃燒時，均屬于均相化學(xué)反應(yīng)過程，當(dāng)反應(yīng)物（燃料和空氣）濃度增加時，由于分子間的碰撞次數(shù)增加，化學(xué)反應(yīng)速度加快。另外，在氣相化學(xué)反應(yīng)中，壓力的改變也會引起反應(yīng)物濃度的變化，因此壓力對化學(xué)反應(yīng)速度有直接影響，實踐也證明了提高壓力可以強(qiáng)化燃燒。例如，燃燒低熱值高爐煤氣時，在高壓下燃燒時的不完全燃燒產(chǎn)物CO的含量要比低壓燃燒時低得多，其主要原因就是在高壓下加快了CO的燃燒速度。

3、燃料與氧化劑的混合比濃度對化學(xué)反應(yīng)速度的影響還通過混合氣體中燃料與氧化劑的混合比反映出來，當(dāng)可燃混合氣體中僅含有氧化劑（即燃料濃度為零）或燃料（即氧化劑濃度為零），化學(xué)反應(yīng)速度都將為零。在上述兩種極限混合比之間，必然存在某一混合比，使化學(xué)反應(yīng)速度達(dá)到最高值。實驗證明這一混合比大致相當(dāng)于化學(xué)當(dāng)量比。由于燃燒溫度也與混合物的混合比有關(guān)，因此更增大了混合比對化學(xué)反應(yīng)速度的影響。4、混合氣體中惰性成分燃料燃燒時，氧化劑來自空氣，其中含有氮等惰性氣體成分。惰性氣體成分的存在不僅降低了反應(yīng)物的濃度，而且由于惰性氣體成分的摻入減少了有效碰撞次數(shù)，因此導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速度的下降，故惰性氣體含量越高，反應(yīng)速度下降越厲害。如果再考慮到由于惰性氣體的加入，引起燃燒溫度的下降，這將使化學(xué)反應(yīng)速度進(jìn)一步降低。根據(jù)以上分析，不難理解如采用富氧（向空氣補(bǔ)氧）甚至純氧燃燒將可大大提高化學(xué)反應(yīng)速度。鍋爐中常用的液體燃料是石油提煉以后的剩余物——重油或渣油。以油作為燃料有很多優(yōu)點：油的發(fā)熱量大，約為41860kJ/kg，幾乎比質(zhì)量好的煤的發(fā)熱量高—倍；容易著火；燃燒迅速；燃燒效率高；灰分很少，不需要除渣設(shè)備，運(yùn)行調(diào)節(jié)方便；輸送、貯存和管理也方便；機(jī)械化和自動化程度高。但是如果不掌握油的燃燒特點，就會造成極大的浪費，鍋爐效率極低，如：霧化質(zhì)量差，油滴從火焰中掉下來，或者撞在受熱面上；由于空氣供應(yīng)得不合適，燃燒不完全，從煙囪冒出濃濃的黑煙，火焰拉得很長，受熱面上掛滿了油煙，排煙溫度很高，甚至在煙道內(nèi)可以看到紅火。第三節(jié)液體燃料的燃燒一、液體燃料燃燒的特點燃油鍋爐中，燃油經(jīng)霧化器噴入爐膛，霧化后的油滴在爐膛里吸熱并逐漸蒸發(fā)成油蒸氣，油蒸氣再和空氣混合，并繼續(xù)吸熱直到被點燃后著火燃燒。由于液體燃料的“汽化”溫度比著火溫度低得多，所以油燃燒實際上是油蒸氣的燃燒。因此液體燃料的燃燒原理幾乎與氣體燃料相同，所不同的只是在燃燒前先行汽化。經(jīng)過霧化以后的液體燃料的燃燒有下列特點：（1）液體燃料在燃燒前先蒸發(fā)，蒸發(fā)后的油蒸氣和空氣中的氧相互擴(kuò)散，而后著火燃燒，所以蒸發(fā)、擴(kuò)散與燃燒過程是同時進(jìn)行的。但是油蒸氣和氧氣之間的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃燒的化學(xué)反應(yīng)速度，所以屬于“擴(kuò)散燃燒”。如果能設(shè)法增加擴(kuò)散速度，就可以提高燃燒速度，一般采用的措施是提高霧化質(zhì)量（使油滴越細(xì)越好）和合理送風(fēng)。（2）當(dāng)油經(jīng)過油霧化器噴入爐內(nèi)，霧化為很細(xì)的油滴（粒徑約為100～300μm），這些細(xì)小的油滴最初相對于氣流以較快的速度向前運(yùn)動，經(jīng)過極短距離后被空氣所阻滯，很快就和氣流速度接近（相對速度接近于零）。（3）氣流中的油滴在爐內(nèi)不斷吸收熱量，使其溫度逐漸提高，達(dá)到油滴蒸發(fā)時的飽和溫度為止，油滴一直維持在這樣較低的溫度下蒸發(fā)。由于油滴在爐內(nèi)和氣流的相對速度接近于零，所以可用靜止氣流中的單個油滴燃燒模型來了解油滴在爐內(nèi)燃燒的基本規(guī)律。試驗證明，油滴燃燒完所需要的時間和它的直徑的平方成正比。因此，霧化質(zhì)量對燃燒有重要影響。燃油鍋爐的燃燒器主要由油槍和調(diào)風(fēng)器組成，其他還包括點火裝置等附屬設(shè)備。油槍的頭部裝有油霧化器，它對噴油量的大小和霧化質(zhì)量的好壞起決定性作用。燃燒所需要的空氣通過調(diào)風(fēng)器送進(jìn)爐內(nèi)，使進(jìn)入爐膛的氣流具有一定的形狀和速度分布（或稱空氣動力場），并和從油霧化器噴出的油霧配合，構(gòu)成良好的燃燒條件。油霧化器和調(diào)風(fēng)器是燃油鍋爐的關(guān)鍵設(shè)備，它們決定鍋爐的燃燒質(zhì)量。對油霧化器的主要要求是：在要求的出力范圍內(nèi)，獲得盡可能細(xì)的油霧，并且油霧的分布要適合配風(fēng)的要求。第四節(jié)油霧化器原理、結(jié)構(gòu)一、油霧化器的分類及工作原理燃油鍋爐上采用的霧化器主要有以下幾類：機(jī)械式霧化器（也叫離心式霧化器）轉(zhuǎn)杯式霧化器蒸汽（或壓縮空氣）霧化器

機(jī)械式霧化器（也叫離心式霧化器）機(jī)械霧化油嘴是目前鍋爐常用的油嘴，(圖為簡單機(jī)械霧化油嘴)。機(jī)械式霧化器又可分為簡單機(jī)械式霧化器（不回油的機(jī)械式霧化器）和回油式機(jī)械霧化器兩種。簡單機(jī)械式霧化器一般分為切向槽式簡單壓力式霧化器、切向孔式柱形簡單機(jī)械式霧化器、切向孔式球形簡單機(jī)械式霧化器。它主要利用較高的油壓將燃油從小孔噴出，由于射流的脈動以及與氣體介質(zhì)的沖擊摩擦而使油霧化成很小的油滴。切向槽式簡單機(jī)械式（又稱壓力式）霧化器工作過程：油首先經(jīng)過分流片的幾個小孔匯合到一個環(huán)形槽中，然后經(jīng)過旋流片的切向槽切向流入旋流片中心的旋流室，油在旋流室中高速旋轉(zhuǎn)，最后從霧化片的噴口噴出，并霧化成細(xì)滴。有的霧化器中旋流片和霧化片合成一體。（如下圖所示）機(jī)械霧化油嘴與其他形式油嘴相比，具有噪聲較小、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點；與蒸汽霧化油嘴相比，能減少煙氣中的水蒸氣含量，降低排煙熱損失，且具有不需霧化介質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點。缺點：對油嘴的加工質(zhì)量要求較高，小容量的油嘴容易堵塞，油泵、管道耐壓要求較高。霧化片旋流片分流片

切向槽式簡單壓力式霧化器（油噴嘴）1－霧化片2－旋流片3－分流片

簡單壓力式霧化器（油噴嘴）：1.進(jìn)油壓力：2～5kPa。2.噴油量通過改變油壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比：1：2（較小）

機(jī)械式（壓力式）霧化器的原理圖如上圖所示，油由切向槽進(jìn)入旋流室，一邊旋轉(zhuǎn)，一邊流向中心，最后由噴口噴出。在旋流室中，越靠近中心，油旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈，也就是切向速度越大。根據(jù)動量矩守恒有以下關(guān)系

由上式可知，油由切向槽進(jìn)入旋流室時，油的流速比較低，動能比較小，但是油壓比較高；越靠近中心，油的流速越高，動能越大，根據(jù)能量守恒壓力也就越低。在離旋流室中心線一定距離處，壓力降到和霧化器外面氣體的壓力一樣；如果再往中心，油的壓力將低于外面氣體的壓力，外面的氣體就被吸入霧化器。因此，在霧化器中心是一個氣體的漩渦。油是從霧化器出口處的一個環(huán)形截面噴出去的，中間是氣體旋渦。旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈，氣體旋渦越大。在霧化器出口，油一方面向外噴，有一個軸向速度，同時還旋轉(zhuǎn)，所以還有一個切向速度。油離開霧化器后立即擴(kuò)散。油霧兩側(cè)外邊緣所形成的角度一般就叫霧化角。旋轉(zhuǎn)越強(qiáng)烈，切向速度和軸向速度之比越大，霧化角也就越大，符合以下關(guān)系：油從霧化器中噴出后，主要受油流本身的紊流脈動及油流和氣體介質(zhì)相互撞擊作用而霧化成細(xì)滴。油流本身的紊流脈動流體的流動可以分為層流和紊流兩種。速度比較低時，是層流，流體的分子排列得很整齊，平行有秩序地向前流動。速度比較高時，則是紊流，從宏觀上看，流體是向一個方向流動，實際上流體內(nèi)部無數(shù)分子微團(tuán)在各個方向作不規(guī)則的運(yùn)動，叫做紊流脈動。油離開霧化器后，沒有固體壁的限制，這種紊流脈動就使油流破碎。速度很高時，紊流脈動更強(qiáng)烈，油就被霧化成細(xì)滴。

機(jī)械式霧化器霧化過程示意圖（a）霧化器中油的流動（b）油壓較低時（c）油壓升高時上圖為機(jī)械式霧化器的霧化過程示意圖。油離開霧化器后立即擴(kuò)散成一個傘形油膜，如圖a所示；當(dāng)油壓比較低時，在油的表面張力作用下，油膜可能又收縮，出現(xiàn)一個縮腰，如圖b所示。油壓升高后，縮腰消失，傘形油膜經(jīng)過一定距離后破碎，如圖c所示。油壓越高，開始破碎點離霧化器越近；在油壓較高時，實際上是在霧化器一出口就已經(jīng)霧化。在霧化器入口處，油壓較高；到霧化器出口，壓力降到和爐膛內(nèi)的煙氣壓力相同，油中的某些成分汽化。例如，如果油溫超過100℃，這時油中的水分就將汽化。由于霧化器出口處的流速很高，更促進(jìn)油中的某些成分汽化（這種現(xiàn)象又叫做汽蝕）。這樣，在霧化器出口處的油膜中，就可能出現(xiàn)很多小汽泡，使油膜破裂，使它更容易霧化，見上圖a。在實際霧化器的出口處，油是旋轉(zhuǎn)的，這時油流中的紊流脈動比不旋轉(zhuǎn)時強(qiáng)烈。因此，旋轉(zhuǎn)也可以促進(jìn)霧化.油流和氣體介質(zhì)的相互作用油流和空氣、煙氣等介質(zhì)在很高的速度下互相撞擊，也可以將油粉碎成細(xì)滴。相對速度越大，可能存在的油滴直徑越小，霧化質(zhì)量越好。對于機(jī)械式霧化器，油霧從霧化器的噴出速度可達(dá)100m/s。油壓越高，速度越快。油霧和外界氣體介質(zhì)可以有一個很大的相對速度。但是，在油霧密集的地方，氣體也將被攜帶著一起運(yùn)動，實際相對速度要小一些。小結(jié)：從以上分析可以看出，霧化過程很復(fù)雜，目前還很難通過理論方法計算霧化器的霧化質(zhì)量，只能依靠實驗方法進(jìn)行檢驗回油式壓力油噴嘴比作2個簡單壓力油噴嘴對疊而成。噴油量通過改變回油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比：1：4（大）內(nèi)回油式壓力霧化噴嘴1－螺母2－霧化片3－旋流片4－分油嘴5－噴油座6－進(jìn)油管7－回油管轉(zhuǎn)杯式霧化器轉(zhuǎn)杯式油嘴的工作原理：燃油通過空心軸進(jìn)入一個高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)杯的內(nèi)壁，在離心力的作用下，油從旋轉(zhuǎn)杯的四周甩出，由于甩出速度很高，使油霧化。在旋轉(zhuǎn)杯四周還有一股由一次風(fēng)機(jī)送進(jìn)來的高速氣流，它也可以促進(jìn)霧化。由于它是一個高速旋轉(zhuǎn)的部件，制造和運(yùn)行都較復(fù)雜。如下圖所示。

轉(zhuǎn)杯式油嘴優(yōu)點：具有噴油范圍大、調(diào)節(jié)比高、油嘴不易堵塞等。缺點：高速轉(zhuǎn)動的部件容易損壞，運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲和振動較大。轉(zhuǎn)杯式油噴嘴：1.不存在噴孔堵塞和磨損，對雜質(zhì)不敏感，油粘度可高一些。2.低負(fù)荷下不降低霧化質(zhì)量。3.通過改變回油量進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比：1：8轉(zhuǎn)杯式噴嘴結(jié)構(gòu)1－空心軸2－轉(zhuǎn)杯3－一次風(fēng)導(dǎo)流片4－一次風(fēng)機(jī)葉輪5－電動機(jī)6－傳動帶輪7－軸承Ⅰ——一次風(fēng)Ⅱ——二次風(fēng)圖回油型轉(zhuǎn)杯式油嘴機(jī)械霧化油嘴