带预燃室顶燃式热风炉结构与性能分析(r).docVIP

各种带预燃室的顶燃式热风炉结构与性能分析 陈维汉 （河南豫兴热风炉工程技术有限公司，电话 1顶燃式热风炉炉型分类 顶燃式热风炉是目前使用最广泛的一种热风炉。从结构上分主要有两个大类，其1是顶置悬链线旋成体形燃烧室（类似于半椭球形拱顶）的热风炉，其燃烧器设置在拱顶之下的蓄热室大墙外（简称为Ⅰ型热风炉）；其2是顶置预燃室（燃烧器）的具有锥段拱顶燃烧室的热风炉（简称为Ⅱ型热风炉）。在顶置预燃室（燃烧室）的具有锥段拱顶燃烧室的热风炉（Ⅱ型热风炉）中，按其燃烧器喷嘴结构的不同布置又可以分为不同的小类。有代表性的燃烧器结构有：预燃室（燃烧器）中煤气与空气喷嘴环形分层布置喷射混合的热风炉（简称Ⅱa型热风炉——卡鲁金的旋切旋流热风炉、山东院、北京院等也是这种炉型）、预燃室（燃烧器）喷嘴环形交错排列喷射混合的热风炉（简称Ⅱb型热风炉——豫兴-中冶赛迪热风炉）、以及预燃室（燃烧器）中煤气与空气预先混合后经环形布置的喷嘴喷射燃烧的热风炉（简称Ⅱc型热风炉——武建院、符正学、段润兴等型热风炉）。鉴于客户主要选择Ⅱ型热风炉结构，余下的工作就是选择燃烧器结构的问题。为此，从结构、流场、传热、传质、燃烧等方面对该型热风炉的各种燃烧器结构进行综合分析，指出各自的特征与性能上的差异，为用户提供选型上的参考。 2热风炉燃烧室与燃烧器的结构特征 Ⅱ型热风炉具有锥段拱顶和设置其上预燃室燃烧器，预燃室中环形布置带有一定旋切角度的多喷嘴结构，以及其下部的蓄热室与冷风室，整体构成一个保龄球（或饮料瓶）状的中空物体。为了环状分布燃烧器喷嘴两类热风炉燃烧器的墙体中都设置了煤气与空气的分配环道，其外墙上有煤气和空气的接入管，其内墙周向均匀布置喷嘴，以便于气流进入燃烧室或预燃室。Ⅱ型热风炉喷嘴出口气流是垂直于预燃室中心轴而以旋切方式进入预燃室的，以喷嘴的具体的结构和布置方式可分为如下的不同结构（参见图2）：Ⅱa型结构是煤气与空气喷嘴分别上下分层布置；Ⅱb型结构是煤气与空气喷嘴在一个垂直于预燃室轴线的环面上交错布置首尾相接；Ⅱc型结构煤气与空气喷嘴在一个垂直于预燃室轴线的环面上分别上下布置，并以一定角度相互连通汇成一个喷嘴后进入预燃室。 从结构的稳定性出发，Ⅱ型结构是一种力学上不稳定的结构，存在着复杂的应力分布，容易在高温和温度变化频繁的条件下出现结构损坏。因此预燃室必须用抗热震性强的耐材制作，锥段拱顶必须采用高温热震性强的硅质砖，且预燃室与拱顶之间必须采用无应力传递的迷宫连接方式。 3三种结构燃烧器的混合燃烧性能 从上可知，三种结构的燃烧器分别是，分层排列的Ⅱa型结构、交错排列的Ⅱb型结构、上下喷嘴互通喷射的Ⅱc型结构。尽管只是喷嘴结构的差异，其混合燃烧的性能就大不相同，这也是人们容易忽视的方面。下面将一一予以剖析。 对于Ⅱa型预燃室结构，当煤气从两排喷嘴喷射出来后，在旋流作用下形成一股向下的旋转气流，而空气从下面两排喷嘴喷射出来时只能围绕煤气气流流动并与之混合与燃烧，因煤气已经形成流股，与多股空气射流之间的混合过程就难以充分实现。仔细分析与套筒燃烧器的扩散燃烧模式没有本质上的差别。因此，出现混合不佳、燃烧强度低、燃烧不完全就是很常见的现象。那种认为只要是多喷嘴、多排喷嘴的气流喷射都能够实现充分混合的认识，是没有考虑同质流体喷射后会很快自行组合。尤其是喷出气流是向一个垂直于主流方向的流动，且预燃室空间又比较小，那么上排气流就会对下排气流的流场造成干扰（这是单通道流场上游影响下游的典型流场特征的体现）。这种干扰程度从上到下是逐步增大的，以至于煤气与空气不能很好地均匀混合。冷、热态实验均显示出煤气浓度中心高而边沿低，空气浓度中心低而边沿高的特征。由于混合不佳燃烧过程一直会延伸到其下的燃烧室，在高负荷下甚至出现蓄热体中燃烧的现象。 尽管目前Ⅱa型预燃室结构有所变动，煤气喷嘴向下倾斜、空气喷嘴向上倾斜，目的是加强中间两排不同质气流间的混合。但仍然是大尺度上的相互混合，尤其是余下的外层两排气流间的混合会受到中部混合燃烧后的烟气阻隔而混合效果减弱，因而这种改进实际意义并不大。 对Ⅱb型预燃室结构，当煤气和空气各自从喷嘴喷射出来后，因为喷嘴是交错排列，相互之间靠得比较近，且相互间的接触面积比较大，相互混合过程所需的时间就短，于是就能在悠闲地空间中很快地均匀混合并着火燃烧。若设计得当混合燃烧过程完全能够在预燃室中完成，极大地提高了混合效果与燃烧强度，因混合快而均匀过量空气系数可以明显减小，进而提高燃烧温度。即使是在高负荷下，混合燃烧的过程都不可能延伸到燃烧室下部。 比较上述两型结构，前者属于大尺度混合燃烧，而后者属于小尺度混合燃烧，无论从混合的速率上还是从混合的均匀程度上看，前者都远不及后者。实验与实际运行的结果表明，在同等工况下从燃烧温度和热风温度上看前者均不如后者。