（热能工程专业论文）drg4000低热值煤气燃烧器的设计与应用.pdf

摘要 低热值煤气是我国燃气气源的重要组成部分，低热值煤气燃烧器在工 业炉窑等领域具有广阔的应用前景。本文介绍了我厂承接的一套低热值煤 气与轻油混烧的燃烧器项目的系统原理、结构及其运行控制系统的设计、 调试过程。 就燃气系统流程而言，低热值煤气与高热值煤气基本相同，燃气的易 燃易爆性要求在进行系统设计时，将安全控制功能作为最重要的内容。低 热值煤气的燃烧性能与高热值煤气不同，燃烧器的结构特别是燃气喷嘴的 形式有其特殊性。此外，本项目中轻柴油作为辅助燃料与低热值煤气混 烧，使燃烧器配风器的结构形式比较复杂。 燃烧器系统的运行控制采取自动、手动相结合的方式，输出负荷调节 可自动也可手动实现。 从燃烧器的调试运行结果看，基本满足了技术协议书和用户的实际使 用要求，性能稳定可靠。 a b s t r a c t l o wh e a t i n gv a l l l eg a si so n eo ft h es i g n i f i c a n tc o m p o n e n tp a r to fg a s 5 0 。emo l a fc o u n t r y ，a n dt h el o wc a l o r i f i cv a l u e g a sb u m e rh a v ew i d e a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di ni n d u s t r yf u r n a c er e a l ma n ds oo n t h i sp a p e rd e s c r i b e s t h ed e s i g na n d r e g u l a t i o np r o c e s so fab u r n e rs y s t e mp r i n c i p l e ，c o n s t r u c t i o na n d 。o n t r o ls y s t e m s t h i sb u r n e ri st om i x sw i t has m a l la m o u n td i e s e l w i t hg a s i n t e r n a l l y ，t h e nb u m a b l et o g e t h e r a 8f a 。a 8t h es y s t e m a t i co fp r o c e s sg a s ，l o wh e a t i n gv a l u e g a si s a ss a m e e s s e n t i a l l ya sh i g hc a l o r i f i cv a l u eg a s ，b e c a u s eg a si sc o m b u s t a b l ea n de x p l o s i v e t h es a f e t yc o n t r o lf u n c t i o nm u s tb er e g a r d a st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h e 3 y 8 t 。md e s i g n t h el o wh e a t i n gv a l u eg a si sd i f f e r e n tf r o mh i g hh e a t i n gv a l u e g a 81 n f l a m m a t i o np e r f o r m a n c e t h ec o n s t r u c t i o no ft h eb u r n e ra n dg a sn o z z l e p 0 8 8 。8 5o b v i o u sp e c u l i a r i t y m o r e o v e r , i nt h i sp r o j e c t m i x i n ga n df i r i n go fl o w h e a t i n gv a l u eg a sw i t hl i g h td i e s e lo i l ，m a d et h ec o n s t r u c t i o no fb u r n e ra i r r e g u l a t e ru n i tv e r yc o m p l i c a t e d s y s t e mo p e r a t i o nc o n t r o li sa u t o m a t i cm a n u a lm o d e ，a n dt h i sb u m e r o u t d u t p o w e rc a nb er e g u l a t e da u t o m a t i c a l l yo r m a n u a l l y f r o mt h er e s u l to f c o m m i s s i o n i n ga n dr u n n i n g ，t h eb u r n e rh a ss a t i s f i e dw i t h c o n s u m e re s s e n t i a l l y ，a c c o r d i n gt om et e c h n i q u e c o n t r a c ta n dd e m a n d t h e p e r f o r m a n c ei ss t e a d y ，r e l i a b l e 2 第一章概述 1 1 国内外燃气技术的发展历史与现状 从十九世纪开始，燃气技术在欧洲开始应用于人民日常生活和工业生 产活动。随着石油和天然气的不断开发应用，二十世纪六十年代以来，煤 制气、油制气技术的发展逐步成熟，天然气、液化石油气等气体燃料在世 界各国的燃料构成中所占比重不断提高，燃气工业得到了飞速发展。据有 关资料统计，目前世界各国天然气的平均消费量在一次能源消费结构中达 2 0 以上，预计在未来几年内将上升至3 0 左右，在欧美工业发达国家所 占比例更高。 根据文献记载，我国四川对天然气的认识和利用已有一千多年的历 史，但由于工业发展进程相当缓慢，我国的燃气工业已经大大落后于世界 先进水平。新中国成立后，各种人工燃气在冶金、建材和化工等行业中得 到了长足的发展，自五十年代以来，建成了大量的发生炉煤气站。另一方 面，随着大规模的石油天然气资源勘探开发，目前我国工业领域正在使用 的燃气品种越来越多，天然气、液化石油气等气体燃料在我国能源发展中 的地位日益提高。但长期以来，由于受能源资源的制约，我国执行以煤为 主的能源政策，一次能源消费结构中煤炭占7 0 以上，过多地直接燃煤带 来了效益低、高污染的严重后果。据有关部门分析统计，我国由于环境污 染所带来的经济损失每年约占国内生产总值的3 8 ，已威胁到我国可 持续发展战略的实施。从世界范围看，工业发达国家均采取以油、气为主 的能源路线，而我国燃气在一次能源消费中的比重仍非常低，天然气仅占 2 左右，调整能源结构势在必行。近年来，已探明的西部丰富的天然气资 源，为我国改善能源结构提供了可能性，目前已建成和正在建设的“陕甘 宁天然气进京”、“西气东输”、“东海油气田”等工程将会有效地改善 我国的能源结构。 1 2 气体燃料及其燃烧 气体燃料一般分为天然气及人工煤气两大类，其中人工煤气的种类较 多，有液化石油气、焦炉煤气、水煤气、发生炉煤气、沼气及高炉煤气 等。天然气、液化石油气、焦炉煤气及城市混合煤气属高热值煤气，其低 位热值一般不低于1 5 0 0 0k j n m 3 ，而发生炉煤气、高炉煤气等的低位热值 一般低于6 3 0 0k j n m 3 ，属低热值煤气。各种气体燃料都是多种气体组分 的混合物，可燃成分主要是c n h m 、h 2 及c o 等，不可燃成分主要有n 2 、 c 0 2 及0 2 等。气体燃料的燃烧产物中的有害成分相对于煤炭等固体燃料来 说大大降低，是公认的高效、清洁能源。 低热值煤气泛指煤或焦炭等固体燃料气化所得热值较低的气体燃料， 以及某些可燃工业尾气，其组成中可燃组分主要有h 2 、c o 、c h 4 及h 2 s ， 并含有n 2 、c 0 2 等不可燃组分，热值约在3 8 0 0 1 0 5 0 0 k j q q m 3 之间，易燃 易爆、有毒性。低热值煤气中除半水煤气可用于进一步的化学加工，其余 如发生炉煤气、高炉煤气等则只能作为工业炉燃料气。回收利用冶金、化 工等行业副产的大量可燃尾气，对我们这样的能源资源短缺，能源效率低 的国家具有重要意义，既可节约能源又减少了大气污染，回收利用的潜力 很大。在煤的气化方面，经几十年来的不断改进提高，我们对这项技术的 掌握也比较成熟，目前在运行的发生炉煤气站也很多。有专家分析认为， 结合中国的国情，我国工业燃气气源的选择从长远来看还是应该走以煤为 主的道路，应充分重视煤炭的洁净化处理技术，因而在相当长时期内，半 水煤气、发生炉煤气等煤制气仍将是我国工业燃气的重要组成部分。1 9 9 9 年末至2 0 0 0 年，由于燃油价格上涨，国家对环保的日益重视，在冶金、 建材、化工等行业掀起了一股建设煤气站的高潮，并取得了良好的效果。 气体燃料的燃烧方式，根据燃料与空气是否预先混合一般分为两种类 型：预混燃烧和非预混燃烧。前者的特点是燃料与空气预先按一定的比例 均匀混合，形成可燃混合气后着火燃烧，其燃烧速率决定于化学反应速 率，受化学动力学因素控制，称为动力燃烧。非预混燃烧的特点是燃料与 空气在炉膛内边扩散混合边燃烧，其燃烧速率主要取决于燃料与空气的扩 散混合速度，称为扩散燃烧。在工程燃烧实际中，预混燃烧与扩散燃烧技 术两者往往是共同作用的。 在燃烧设备的实际应用中，对燃气燃烧器及其控制系统的基本性能要 求通常有以下几方面： 燃料燃烧充分，效率高，烟气排放符合国家环保法规的要求。 燃烧过程稳定、可靠，不发生回火、脱火现象。 燃烧器的输出功率易于实现自动调节和控制，能满足工业炉窑的生 产工艺要求。 具有可靠的安全保护控制功能。 1 - 3 我国燃气燃烧器的技术状况及应用 我国自七十年代开始进行燃气工业锅炉的研制，现已逐步发展成熟， 随着社会经济的快速发展，工业发展水平和人民生活质量的显著提高，燃 气锅炉的应用范围和数量逐年上升。燃烧器是燃气锅炉的关键设备，发达 国家在这方面的技术比较成熟，产品的自动化程度和安全可靠性较高，因 此，目前国内高档建筑、涉外企业等大多采用进口锅炉及燃烧器，越来越 多的国外知名品牌燃烧器相继涌入国内，具有较高的市场占有率。国产燃 气燃烧器则仍处于起步阶段，大量在用的简易燃烧设备都存在着自动化程 度低、安全性较差的问题，有待于更新改进。近年来，部分国内燃烧器企 业在引进、吸收国外先进技术的基础上，逐步开发、生产出了具有较高技 术水平的燃烧器，积极参与市场竞争，并取得了初步成功。 燃气燃烧器可大量应用于石化、冶金、建材等工业领域，以及供热采 暖等生活设施。近年来，随着我国积极推行环境保护法规，企业节能增效 的深入发展，燃烧技术不断进步，工业炉窑燃烧室对煤气热值的适应范围 和要求逐渐降低，使低热值气体燃料的高效利用有了新的进展。低热值煤 气燃烧器主要用于大型热载体加热炉、工业窑炉等设备，国内在这一领域 尚缺乏高质量的燃烧器产品。 纵观目前我国气体燃烧器的应用现状，由于燃气技术的开发利用起步 晚，发展水平相对国外有较大差距，大部分在用的高性能燃气燃烧器为进 口产品。国产燃烧器的差距主要表现在以下几个方面： 我国至今还没有制定统一的有关燃气燃烧器产品的技术标准，来规 范此类产品的设计、制造、测试、验收及使用等技术要求，指导本行业的 发展。 由于受能源资源及工业发展水平的制约，对燃气燃烧器缺乏足够的 实验研究和推广应用，影响其技术进步，尚未形成一定的产业规模和品牌 效应。 很多行业自行开发出的专用燃气燃烧器，其运行控制方式和输出调 节方式多为手动控制，自动化程度低，安全可靠性差，难以满足现代工业 技术的发展要求。 随着我国能源结构的不断改善和环保意识的加强，特别是国家已明确 要求大中城市的中、小型燃煤锅炉将逐步改造为燃气炉，巨大的市场需求 必将极大推动我们加大对燃烧器产品的研究开发力度，促进国产燃烧器的 技术进步，缩小与国外产品的差距，进一步形成产业规模，产生良好的经 济效益和社会效益。 第二章d r g 4 0 0 0 低热值煤气燃烧器的设计 2 1 项目的来源及主要技术要求 2 0 0 0 年6 月，衡阳某钛白粉厂的窑炉技改工程项目中，选用了我厂设 计生产的一套低热值煤气燃烧器及其控制系统，与窑炉机组配套生产钛白 粉。窑炉主要技术参数及对燃烧器的主要技术性能要求如下： 2 1 1 窑炉主要技术参数 窑炉规格：中2 8 0 0 5 3 0 0 0m m 钛白煅烧窑。 额定热负荷：1 0 4 5 0k w 。 燃烧室尺寸：1 8 0 0 5 0 0 0m m 。 燃烧室内压：0 p a 。 使用燃料：半水煤气及轻柴油混烧，以煤气为主。 助燃空气温度：常温。 加热温度控制范围：9 5 0 5 0 。c 。 窑炉热效率：8 5 。 窑炉一次仪表向燃烧器控制系统提供4 2 0m a 温度信号。 2 1 2 燃料参数 主燃料：半水煤气 煤气热值：9 0 0 0k j n m 3 。 供气压力： ，5 0 0m m h 2 0 。 煤气温度：3 0 。c 煤气主要可燃成分( 体积比) ：h 2 ：5 2 ； c 0 ：2 8 ： c h 4 ：1 5 ： 辅助燃料：轻柴油，热值4 2 6 0 0k j 俺。 额定燃料消耗量： 燃气：4 0 0 0n m 3 h 。 燃油：1 0 0k e c h 。 2 1 3 对燃烧器的性能要求 燃料空气按比例联动，燃料燃烧充分，不得有黑烟，以免影响钛 白粉的产品质量。过剩空气系数：0 【1 1 5 。 燃烧器输出功率，可根据窑炉负荷的变化在额定范围内调节。燃气 部分通过手动调节，燃油部分自动跟踪炉温信号调节燃油量，满足窑炉的 生产工艺要求。 燃烧过程稳定，安全可靠，适用于长期连续运行。 控制系统采用p l c 控制器，实现自动程序运行控制。 2 2 总体技术方案 本项目的用户是一家钛白粉生产企业，根据市场需求扩大生产规模， 新建一条钛白粉窑炉生产线。用户要求燃烧器设备具有良好的技术性能的 同时，又要充分利用企业原有的基础条件和改造工程规划，降低设备的运 行成本，提高经济效益。 2 2 1 燃烧器选型 我们在前期技术洽谈过程中，在确定燃烧器的选型时，既要考虑项目 的技术可行性，又要满足用户的经济性要求。 用户不具备使用天然气等高热值煤气的条件，烧重油又难以满足钛白 粉产品的生产工艺要求，轻柴油的运行成本过高，而现有的一套在用煤气 发生站，供气能力可基本满足新建窑炉的需要，因而确定以半水煤气燃料 为主的方案。窑炉内的最高工作温度是9 5 0 左右，半水煤气的燃烧温度 是可以满足的。 另一方面，钛白粉窑炉在正常生产过程中，要求保持长期连续运行， 若出现意外停炉可能会造成较大的经济损失，炉内燃烧过程的稳定可靠性 非常重要。因此考虑加入少量的轻柴油作为辅助燃料与半水煤气混烧，可 提高火焰的稳定性，也可在发生供气不稳的情况下作一定的补充。此外， 加入少量的轻柴油还可提高煤气火焰的亮度，增强热辐射效果。为尽可能 降低运行成本，双方商定按轻柴油占窑炉总负荷的l o ，水煤气占9 0 进 行设计。 在调节方式上，考虑到钛白粉窑炉在正常生产过程中其热负荷是相对 稳定的，调节范围不大，因而初步确定煤气耗量保持相对稳定，燃油则根 据负荷需要进行调节。 综合上述多方面情况和使用要求，我们与用户决定选用d r g 型低热 值煤气燃烧器，油、气两用型，半水煤气与轻柴油同时混烧，以气为主。 2 2 2 系统构成 燃烧器及其控制系统属于较复杂的机电一体化产品，特别是用于大型 设备改造工程的配套项目，通常有很多特殊的技术和配置要求，不是常规 的通用型产品。本项目中的燃烧器系统由以下几部分构成：燃烧机、燃气 阀系、燃油供给系统、助燃风机和控制箱。燃烧器系统图见图1 所示。 燃烧机部分，直接与窑炉燃烧室对接，是燃烧器系统的核心部分。燃 烧机部分包含燃气涡壳、燃气喷嘴、燃油枪、点火器、配风器及火焰监测 器等部件。燃料与助燃空气在燃烧机出v i 处混合，通过点火器引燃，进入 炉膛实现稳定燃烧，并进行连续监测。 燃气阀系用于向燃烧机供给主燃料气体，包含燃气切断阀( 双阀结 构) 、燃气流量调节阀、安全排空阀、压力检测及检漏开关等。燃气阀系 具有多项安全控制功能。燃油供给系统用于向燃烧机供给辅助燃料轻柴 油，并可按控制要求进行输出油量调节。 助燃风机为离心式通风机，其风量风压参数既要能克服风道及烟道阻 力，又能提供燃料正常燃烧所需的助燃空气量，并具有一定的超负荷运行 能力。 控制箱是燃烧器系统的控制中心，对燃烧器启动、正常运行、负荷调 节、安全监测及停机等实施全过程的控制，满足窑炉的生产工艺要求，确 保系统的安全运行。 辩j f j 嬖 、一一蹊 一一l 一一一一一 删 璎 鬟 j | ， j ，_ 一 9 霰 堂 匝 螺 懈 稚 堙 蒸 h 团 暴墨 淳蒋皤童 珏x 薅釜 薅釜 国薄离漭时a 泰誊戽辩a淳漭时撕 ；生。_霉3d藩蓍藩蓼离遍冰u懿上匕蘑薄嚣警溯甙母繇盈_赫上匕萄釜溯 婚韩睁国露1_o母蒜雷舔遍v_毋浆蘑繇萄v_岔罄蘑_u离3遍冰铀乒离冲姗 _涛血离3斗冰16漭a漤垂厨a卦v _7漭a游稚遍冰l_瀑茁殛a斟)1 _田童赛母繇蘑20l薅a鹭斟蘑h葛箭母繇萄22瓣时毋藤蕊nw离i丁萄迅彗苍 圃济藩辩灞毵谧豳 藩聋筋洒奇谁 2 2 3 系统原理 燃烧器系统的各组成部分是个有机统一的整体，系统工作流程见燃烧 系统流程图( 图2 ) 。根据本项目的工程应用需要情况，在进行方案设计 时对系统原理作了以下分析。 2 2 3 1 煤气的燃烧方式 按照气体燃烧理论，有预混燃烧和扩散燃烧两种方式。预混燃烧火焰 传播速度快，燃烧充分，但有产生脱火及回火现象的可能，需控制好混合 气流的速度；而扩散燃烧火焰传播速度慢，不易产生回火现象，燃烧过程 的稳定性较好，但易产生不完全燃烧现象。对碳氢化合物含量较高的高热 值煤气宜采取预混燃烧，对碳氢化合物含量低、h 2 含量较高的低热值人工 煤气宜采用扩散燃烧方式。 本项目利用的煤气燃料是半水煤气，其中h 2 的含量高，燃烧速度 快，同时由于燃气量大，燃气喷嘴及通道的几何尺寸较高热值煤气大得 多，因而不宜采用预混燃烧方式。采取扩散燃烧方式，一方面可以避免回 火现象导致的安全事故，有利于燃烧过程的稳定；另一方面，由煤气组成 可以推测，即使在较低的过量空气系数下，不完全燃烧现象也是可以避免 的。扩散燃烧的烧嘴结构相对比较简单，燃烧效果主要取决于煤气与空气 的扩散混合方式。 2 2 3 2 燃油的雾化燃烧方式 燃油需经雾化后才能与空气混合燃烧，一般有机械雾化和介质雾化两 种基本方式。对于轻柴油，通常情况下采取压力雾化方式，这种雾化方式 适合于位式调节，结构简单，成本较低。压力雾化方式采取连续调节时的 调节比较小。本项目由于有温度控制精度和稳定性的要求，对燃油部分用 户希望达到5 ：1 的连续比例调节范围，而最大燃油量仅l o o k g h ，经试验 表明，采取压力雾化方式不能满足要求。压缩空气雾化方式，在不降低雾 化质量的情况下能够实现理想的调节比。轻柴油燃烧过程中的火焰比较稳 定，在很大程度上能够起到进一步稳定燃气火焰的作用。因而，本项目中 的轻柴油部分采取压缩空气雾化燃烧方式。 2 2 3 3 助燃空气的配置 由于在钛白粉窑炉内，燃烧产物( 烟气) 直接与钛白粉原料接触，如 果助燃空气不足或空气与燃料混合不均，导致燃烧不充分，烟气黑度差， 将直接影响钛白粉的产品质量。煤气和轻柴油是性质完全不同的两种燃 料，需要的助燃空气量不同，为避免在负荷调节过程中供风系统互相干 扰，有必要设置两台鼓风机，通过不同的风道分别供给煤气和轻柴油，以 实现燃料的充分燃烧。在输出调节范围内，燃料与其相应的风门调节装置 实现联动，使燃料空气比例始终处于最佳状态。 2 2 - 3 4 燃料的输出调节 对半水煤气和轻柴油这两种不同类型的燃料同时混烧的燃烧器，要利 用窑炉的同一温度控制信号来自动调节两种燃料的输出量，同时自动调节 风量，来实现两种燃料的充分燃烧，并保持一定的过量空气系数，这对控 制系统及其执行机构来说是比较复杂的。本项目由于正常运行过程较稳 定，热负荷变化不大，调节范围较小，不必采取上述复杂的调节控制方 式。对占窑炉额定热负荷9 0 以上的燃气部分，将燃气流量及其助燃风量 相对固定，必要时可进行手动调整。为满足窑炉温度控制精度要求，将辅 助燃料轻柴油设置为流量可自动调节的系统，根据窑炉温度信号通过变频 油泵自动控制燃油量及其供风量，仅在煤气气源或窑炉热负荷偶有较大变 化时，才根据情况手动调节燃气流量及其供风量。 2 2 3 5 控制功能 控制系统是对燃烧器系统从启动、运行到停机，以及各种安全联锁报 警的全过程监控，确保设备的安全、可靠运行。燃烧器控制系统主要包含 三方面内容：运行程序控制、输出调节控制和安全保护控制。 运行程序控制是对燃烧器启动运行过程的控制，基本运行程序为：风 机启动一前扫气_ 燃气检漏斗产生电弧建立点火火焰_ 建立主火焰一正 常燃烧( 包括负荷调节过程) j 正常熄火j 后扫气寸停机。 输出调节控制是当设备正常运行后，通过自动或手动方式调节燃料输 出量，满足窑炉的温度要求。选择自动方式时，系统接收窑炉温度信号来 自动驱动调节机构，带动燃料和空气同步变化，达到自动控制火焰大小的 目的，手动方式是通过人工强制驱动来控制火焰大小。 由于燃气的易燃易爆性，燃烧装置的安全性能是方案设计中必须优先 保证的问题，设置足够的安全装置并进行合理的控制，使控制系统既能满 足对燃烧过程的自动控制，又能满足基本的安全保护需要。安全保护控制 是借助于安全连锁装置来始终监测设备的运行情况，分别在燃烧机、燃气 阀系、供油单元和风机上设置下列检测装置：火焰监测、燃气压力验证开 关、燃油压力验证开关、主气阀检漏测试、风压验证开关和风门位置验证 开关等，用以验证相关的技术参数和设备的运行状态，各参数正常时燃烧 器将保持正常燃烧状态，某些参数或状态出现故障时，系统则发出声光报 警信号，停止燃烧或锁定。出现锁定时需在排除故障后经人工复位才能重 新启动燃烧器。 2 2 4 技术难点及注意事项 该项目的重点和难点在于半水煤气的燃烧及其安全控制，半水煤气中 的主要可燃成分为h 2 和c o ，其燃烧性能不同于天然气等高热值气体，在 确定总体技术方案时着重考虑了以下几方面： 点火过程是气体燃烧的关键，大多数燃气安全事故都是发生在点火 阶段，必须确保在规定的时间内点燃主火焰。低热值煤气的着火性能较 差，因此对燃烧器的点火方式应采取特殊措施，加大点火器的输出功率， 即提高点火燃料量，增大点火火焰的尺寸，便于引燃主火焰。 燃烧火焰的稳定性。一方面由于煤气中的不可燃成分较多，热值较 低，易发生吹熄现象，另一方面煤气喷嘴的结构尺寸较大，要避免发生回 火现象。要实现稳定燃烧，必须控制气流速度在适当的范围内，并采取必 要的稳焰措施。 安全保护控制方面。由于燃气易燃易爆的特殊性，必须对燃烧器启 动点火前可能出现的燃气泄露故障进行监测，确保燃烧器点火前燃烧室内 不存在可燃混合气体。此外，在点火及运行过程中还应不问断地监测煤气 压力，应在规定的范围内。 实验测试是产品开发过程中的重要环节，但对该项目，产品出厂前 不具备进行热态试验的条件，只能在用户现场完成全部热态调试工作，且 不允许出现大的性能质量及安全问题，以确保用户整个改造工程项目的成 功，为此，要求产品设计、制造、装配及冷态调试过程必须完全符合技术 要求，做好充分的现场调试准备。 2 3 有关的设计计算 2 3 1 燃料量计算 半水煤气发热量 根据气体燃烧理论，单一可燃气体的发热量可由该气体燃烧反应的热 效应计算得到，含有多种组分的混合气体的发热量可根据混合法则进行叠 加计算。本项目半水煤气中的可燃成分有h 2 、c o 和c h 。，其体积含量己 知，它们在标态下的低位发热量分别为：q 暑= 1 0 8 0 0k j m 3 、q 器= 1 2 6 0 0 k j m 3 和q 嚣= 3 5 9 0 0k j m 3 。因而半水煤气的低位发热量为： q d 。= 1 0 8 0 0 5 2 + 1 2 6 0 0 2 8 + 3 5 9 0 0 x1 5 = 9 6 8 2 5k j m 3 窑炉热平衡 根据工程燃烧热平衡理论，在实际应用中，窑炉机组的热平衡方程如 式( 2 - 1 ) ： q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 1 0 0 ( 2 1 ) 式中q 。一窑炉有效热利用率，； q 2 一排烟热损失，； q 3 一散热损失，； q 广机械未完全燃烧热损失，； q 5 一化学未完全燃烧热损失，； q 6 一灰渣热损失，。 对于燃气燃烧设备来说，燃料充分燃烧时，机械和化学未完全燃烧热 损失接近于零，可忽略不计，燃气炉也不存在灰渣排放，其总的有效热利 用率主要取决于排烟损失和散热损失。在本项目中，用户窑炉设计的热效 率参数为q = 8 5 。 燃料耗量 在燃料充分燃烧的情况下，燃料带入窑炉的总热量、窑炉额定有效热 负荷和热效率的关系式为： t 1 = 导( 2 - 2 ) 式中q d 一窑炉额定热负荷，k w ； q ，一燃料送入窑炉的总热量，k w 。 已知q d = 1 0 4 5 0k w ，q = 8 5 ，于是： o1 0 4 5 0 q r 3 辛2 面万- 1 2 2 9 4 k w 即所需燃料的总发热量为1 2 2 9 4k w 。 本项目合同规定燃油量约为1 0 0k g m ，轻柴油的低位热值按4 2 6 0 0 k j k g 计算，则燃油部分的发热量： 燃气部分的发热量： 因此，燃气耗量： q y = 4 2 6 0 0 x1 0 0 = 4 2 6 1 0 4k j h = 11 8 3k w q q 2q r q y = 1 2 2 9 4 1 1 8 3 = 1 1 1 1 1k w b = 熹= 挲- z 4 1 3 0 。m 2 3 2 燃气管径的确定 参照有关燃气设计手册及国外标准的要求，对燃气管道内流速的限制 规定，在用户气源的供气压力较低，且可能含有少量机械杂质的情况下， 将燃烧器燃气管系内的燃气平均流速控制在2 5m s 以内为宜，能够较好地 控制燃气流量和燃烧器的正常燃烧。 燃气管路及阀系的内径按式下式确定： b ：v 竺( 2 3 ) 4 式中b 一燃气耗量，m 3 h ； v 一管内燃气平均流速，m s ； d 一管道内径，m 。 已知b = 4 1 3 0r n 3 h ，v = 2 5m s ，按式( 2 3 ) 计算，得： d o 2 4 m 取整后，确定燃气管系的公称通径为d n 2 5 0 。 2 3 3 供风量计算 标态下l m 3 燃气完全燃烧所需要的最少空气量称为燃气理论空气量。 各种单一可燃气体燃烧的理论空气量可通过该气体的燃烧反应方程式确 定。对含有多种成分的可燃气体，当燃气组成已知时，可按式( 2 4 ) 计算 标态下燃气燃烧所需要的理论空气量： v 。= 1 1 0 5 h 2 + 0 5 c o + 2 ( m + 号 c 。h 。+ - s h ：s 一。： c 2 - 4 ， 式中v 0 _ 理论空气量，m 3 m 3 ： h 2 、c o 、c 。h ：、h 2 s 、0 2 一燃气中各种组分的体积百分数，。 燃烧技术的有关分析研究表明，燃料的发热量越高，燃烧所需的理论 空气量也越多，燃料燃烧所需的理论空气量与其发热量近似成线性关系。 在t 程实际应用中，当燃气的低位发热量小于1 0 5 0 0k j m 3 时，其理论空气 量可按式( 2 5 ) 近似计算： v 。= 需e 押 ( 2 _ 5 ) 为保证炉内燃料的完全燃烧，在工程应用中，实际送入炉内的助燃空 气量v 1 常常比理论空气量v o 多，这就是过量空气系数： v 1 d 2 矿 ( 2 6 ) 0 【是工业炉窑运行中的重要技术指标，应控制在适当的范围内。c c 过 小易产生不完全燃烧，冒黑烟且浪费能源，过大会增加排烟热损失。一 般要求，在满足完全燃烧的条件下尽可能降低0 【值。对于较先进的燃气设 备，0 【一般控制在1 0 5 1 1 之问即可实现完全燃烧。在本项目中，由于窑 炉的生产工艺要求，要求炉内保持氧化气氛，0 【值需控制在1 1 5 以上。根 据式( 2 - 5 ) 及( 2 6 ) ，实际空气量： v 1 = ( i x 等q 帅 02 0 9 2 1 1 5 而9 6 9 0 7 5 2 2 3 3m 3 m 3 于是，煤气燃烧所需总的助燃空气量： v = v 。x b = 2 3 3 4 1 3 0 = 9 6 2 3m 3 h 这是标态下的空气量，应按气体热力学定律换算成工作状况下的空气 量，但在常温环境条件下，实际空气量增加不多，只要风机具有1 0 左右 的供风余量即可。 2 4 结构设计及工作原理 按总体设计方案，燃烧器系统由几大部分构成，各部分在系统中起相 应的作用，从而构成有机统一的整体，实现预期的功能。现就各部件的结 构设计及工作原理作具体分析。 2 4 1 燃烧机 燃料与助燃空气分别从不同的通道进入燃烧机，在此混合进入燃烧 室，由点火器点燃后实现正常燃烧，燃烧机的出口直接与窑炉本体对接。 构成燃烧机的各部分设计如下： 2 4 1 1 燃气蜗壳及助燃风箱 设计计算表明，燃烧器的额定燃气消耗量约为4 1 0 0m 3 h ，若考虑到允 许设备在短时间内具有1 0 的超负荷运行能力，则最大燃气消耗量应达 4 5 0 0m 3 h ，所需的助燃空气量也更大，这样燃烧器中的燃气及空气通道均 较相同功率以常规高热值煤气为燃料的燃烧器大得多。我们借鉴国外此类 产品的设计方案，低热值煤气喷嘴采用大尺寸的圆环形结构，而不是高热 值煤气通常采用的小尺寸圆孔形喷嘴结构，这样既能满足燃气量的要求， 又可减少煤气压力损失( 低热值煤气的供气压力通常较低) 。在圆环形的 煤气喷嘴内侧，是另一环形的助燃空气出口，正中间部分为辅助燃油的油 枪位置及其助燃空气通道。燃气蜗壳及助燃风箱的结构示意图见图3 。 图3 燃气蜗壳及助燃风箱示意图 为使煤气与空气能实现充分有效的混合，并有助于保持燃烧火焰的稳 定性，设计使煤气与空气在离开喷嘴前分别产生强烈的旋流，且使煤气和 空气的旋流方向相反，离开喷嘴后便形成一定的相互剪切、摩擦作用，这 种旋流混合效果比平流好得多。为此，在环形的助燃空气通道内设置了一 定数量的导流叶片，叶片与风道轴向的夹角约1 5 0 ，来控制空气的旋向。 燃烧机内的煤气通道采用离心式蜗壳结构，在蜗壳内部有一块螺旋形的导 流板，导流板与蜗壳侧板形成一个涡形室，涡形室的半径和轴向尺寸都逐 渐减小，形成由于燃气在逐步排出而要求的不断减小的燃气通道，这种结 构形式有以卜优点： 能使燃气涡形室内的气流速度均匀、平稳，出口喷嘴处的燃气压力 稳定，流量均匀。 燃气在离开涡形室出口之前，一直以独立的连续气流形式，按切线 方向流向燃烧室，因而可以在涡形室的各个部分始终维持正压气流，不会 形成低速区，不会有死角，聚集灰尘等沉积物。 形成旋转气流，有利于与空气混合，具有稳焰的作用。 由于本项目中的两种燃料性质不同，要求的调节方式也不一样，为避 免助燃风在运行过程中的互相影响和干扰，如图3 所示，在进入燃烧室之 前，燃油风箱和燃气风箱各自独立，叠加组焊在一起，有两个迸风口分别 与两只风机对接。 2 4 1 2 调风器 调风器调节燃料燃烧所需的助燃空气，使其形成有利的空气动力场， 增强燃料与空气的混合效果，确保燃烧过程的稳定性，并能使供风量随着 燃料量的调节变化而变化。调风器包含风箱、配风器、稳焰器及风门调节 机构等。 风箱采用d 型偏心结构型式( 如图4 ) ，可以使进入配风器的风量分 配均匀，风压趋于一致，避免发生局部不完全燃烧或火焰产生明显的偏斜 现象。燃气、燃油风箱的形式相同，结构尺寸不同，与燃气蜗壳一起构成 整体式结构。 图4 助燃风箱结构示意图 上一节中所述的空气导流叶片即为配风器，在风箱出口通道内，空气 与燃气的旋流作用同时又可起到稳焰器的效果。 风门机构设置在风箱入口处，由两扇矩形的蝶型风门及其凸轮连杆机 构组成，可根据负荷需求信号采取手动或自动方式调节风门开度以控制风 量，实现正常燃烧。由于蝶型风门的开度一流量曲线通常与燃料的输出量 变化曲线不成比例，需要进行调整，设置凸轮机构能够起到较好的补偿和 微调作用。本项目设计选用的是一种凸轮特性可调的凸轮机构，能根据窑 炉运行工况进行局部特性调整，以最大限度地实现在窑炉负荷变化范围内 的燃料空气比例达到最佳状态。 2 4 1 3 燃油枪 按照总体技术方案，燃油部分采取空气雾化方式燃烧，燃油枪的结构 如图5 所示。主体为套管式结构，中间为油管，外层为压缩空气通道。燃 油和压缩空气分别通过金属软管进入油枪。雾化嘴设计为外混式结构，喷 油嘴在中心位置，压缩空气喷嘴分布在外围锥面上。燃油工作压力不超过 1 2 m p a ，雾化压缩空气压力0 7 m p a ，压缩空气具有很高的旋流强度，对 轻柴油来说足以取得满意的雾化效果，燃油经雾化喷入炉膛后与助燃空气 混合燃烧。 压缩卒与_ + 卜= 玎j s s i 燃油+ 臣珥 监疆_ 仝气卜卜_ = = dn i 贸 甘 _ - 图5 燃油枪 2 4 1 4 点火枪 点火枪是用来产生点火火焰以点燃主火焰的。点火油枪主要由一对点 火电极、燃油喷嘴、输油管及套管等组成，如图6 所示。 点火电极帽 点火电极 图6 点火油枪 点火油枪的结构为通用的压力雾化式喷嘴，点火燃料为轻柴油。点火 时，点火变压器输出约6 0 0 0 8 0 0 0 v 的高压，在两电极端部产生电火花， 同时点火油泵输出0 8 m p a 的高压油，经喷嘴雾化后点燃，形成点火火 焰，为建立主火焰作准备。为使点火枪具有足够的点火能量，选择点火油 嘴的规格比正常情况要大，喷油量为5 6 7 l 1 1 ，雾化角为6 0 0 ，使火焰形成 细长状态。 2 4 2 燃气阀系及燃气调节机构 燃气阀系控制燃气的开启及关闭，并设有多项安全装置，正常运行时 向燃烧机涡形室输送燃气，燃气调节机构用于调节燃气流量。阀系及调节 机构主要由主燃气控制阀、输出调节阀、吹扫阀、排空阀、压力检测开 关、压力表及凸轮机构组成。燃气阀系的入口与用户管路相接，出口与燃 烧机的燃气蜗壳入口对接，其外形结构如图7 所示。 挠性推拉钢索连 图7 燃气阀系及调节机构 安全性是燃气阀系设计工作中的核心问题，为此从多方面采取措施来 确保对燃气的控制，避免引起安全事故。参照英国标准b s 5 8 8 5 的规定， 主燃气控制阀由两只串联组成，增强安全可靠性。计算表明需采用d n 2 5 0 规格的阀系，经调研决定选用国产的球阀及其气动执行机构，由压缩空气 驱动，所需驱动压缩空气的压力范围o 5 0 7 s p a ，每只气动球阀均设有 两只位置验证开关，以验证阀的开关状态。阀系设计采取的其它安全措施 还有： 设置检漏开关。为及时检测出主燃气阀有无泄漏现象，在两只主燃 气控制阀之间设置了燃气检测开关，燃烧器每次启动点火前进行检测，若 发现有泄漏则系统报警锁定，直至查明原因并排除后才能再启动。 设置排空阀。在两只主燃气阀之间设置了常开电磁阀，这样在停机 期间，上游的1 4 主气阀即使有少量燃气渗漏，也会通过常开电磁阀排至室 外环境中，而避免流入炉膛引发安全事故的可能性。 设置吹扫阀。由于燃气管径较大，切断主气阀停机时，从主气阀出 口至燃气涡形室的通道内，可能残存着一定量的燃气。在主气阀出口处设 置吹扫阀，用以在停机进行后扫气的同时，自动打开吹扫阀，将压缩空气 吹入管路置换掉可燃气体，并通过烟道排出。 燃气调节机构在控制燃气流量的同时，带动风门机构使供风量与之相 适应。燃气调节阀为蝶阀，可在9 0 0 范围内转动调节开度，燃气凸轮与风 门凸轮机构类似，通过四连杆机构与蝶阀转轴联动。燃气与空气的协调动 作通过一根挠性推拉钢索，在另一驱动手柄的作用下实现调节作用。 2 4 _ 3 燃油输送泵组 燃油输送泵组是为燃油枪输送一定压力和流量的燃料油，主要由螺杆 泵、过滤器、阀和油压开关构成，组装在一只油盘内。油泵设置为两只并 联，互为备用，泵出口的油压验证开关控制着油泵的自动切换，这样便于 长期连续运行时的不停机检修、维护。 在此，我们将调频技术应用于燃烧器的燃油流量调节。通过对螺杆泵 的流量测试表明，燃油流量与电机转速及电源频率有较好的线性关系，因 而燃烧器正常工作时，采用变频技术控制油泵的转速来控制燃油流量，从 而调节燃油枪的喷油量的设计方案是可行的。变频器的输入信号来源于窑 炉的温度信号。 2 4 4 助燃风机 按总体技术方案和相关计算结果，对应燃油风箱和燃气风箱，分别设 置两只离心式鼓风机，满足风量和风压要求。本项目中窑炉燃烧室及烟道 的阻力为0m m h 2 0 ，鼓风机运行时只需克服配风器和风门挡板的阻力即 可，为低压风机，有成熟产品可供选择，两只鼓风机均可从我厂现有的 a w 转杯式燃烧器风机系列中选用。 燃油风机选用a w 5 1 1 1 型，电机功率5 5k w ，该型风机在出口静压 不低于2 0 0m m h 2 0 时，其出口风量可达到3 0 0 01 1 3 3 h ，可满足本项目中 1 0 0k g h 燃油的需要。 燃气风机选用a w 2 5 - 3 0 2 型，电机功率2 2k w ，该风机在出口静压不 低于2 0 0m m h 2 0 时，其出1 ；3 风量可达到1 2 0 0 0i n 3 h 时，可满足本项目中 4 1 0 0m 3 h 燃气的需要。 2 5 控制系统 2 5 1 概述 控制系统既要满足窑炉的生产工艺要求，又要符合燃烧器系统的基本 性能和安全要求。控制系统的设计是结合窑炉的实际，从运行程序控制、 输出调节控制、安全保护功能三个方面进行的，以工业可编程控制器 ( p l c ) 为核心，编制运行程序，实现各项控制功能要求，各类电气控制 元件集中布置在一只电控箱内。 2 5 2 运行程序 正常运行情况下，燃烧器将按以下基本程序运行：风机启动一前扫气 一燃气检漏斗建立点火火焰_ 建立主火焰( 燃油、燃气) 寸正常燃烧哼正 常熄火一油枪清扫。后扫气一停机。启动及运行期间如有安全联锁故障发 生，控制系统将发出报警信号，锁定燃烧器，中止运行，故障排除后按 “复位”按钮，可重新启动燃烧器。控制程序流程图如下： 接通电源 一 按应急停止按钮，! o 舞磊l ； _ - 1 n ， 加热介质温度高 n 手动 一 延时后锁定 卜一 油压低、j 二，l _ 甭燕故i ； 一 j n + 一 炉膛火焰验证 n k ! 一一面f 燃气阀关闭n 一一丽 yl l ， 雾化空气压力低，! l 厩赢丽! 燃油风机启动j 燃油空气压力低，| - ! n t 纠 锁定 ， 风机停机 b 1 一 广 誊 风门高火验证旦一丽磊i b 1 y _ j l 开始预扫气，燃气阀检漏， 燮皇篁堕堕扫阀! 旦! 燃气阀检漏通过 堕 一 锁_ - y 卜_ 预扫气结束、j ，旦一j y | ： 一 ， 风门低火验证 n 排除故障一 点火火焰建立。型一页话磊i 蕊 y 主火焰建立 y a 2 n 夏磊赢障锁乏 一 一m * j 征幽堑 启 器 匐 r 罕忐丁掣 点 一火 火 l 百 尘 t 燃气开始运行 t 燃气压力低 n i 上 启动燃气风机 t 燃气风压低 n ； 一l 打开主燃气阀 y i _ y 排除故障 - 风机停机 正常燃烧n - 火焰磊诺；罹i ， y 关闭燃烧器开关 ， 燃油、燃气阀关闭，火焰熄灭 一 j 点火器重新点火 i 清扫主油枪 i 后扫气 ， 停机 2 8 2 5 3 输出调节 在正常燃烧阶段，燃烧器可实现最小与最大输出之间的连续调节。窑 炉温度控制是通过数字温度控制仪进行的，设定好要求的温度参数后，接 收窑炉实测的温度信号，可手动或自动调节燃烧器的输出功率。 手动方式是通过温度控制仪表，人工强制输入信号来控制火焰大小， 改变燃烧器的输出功率。 自动方式运行时，温度控制仪根据接收到的温度信号，直接驱动调制 马达，通过一根与马达相连接的波顿推拉钢索，带动燃油调节风门的操纵 连杆往所需的方向转动。同时调制马达的开度位置信号反馈给温度控制仪 表，该仪表将此位置信号经调制模块变送输出给变频器，变频器控制燃油 泵电机转速，从而调节油泵的输出流量。这样根据窑炉负荷的波动，通过 实时跟踪窑炉温度变送信号，来调节燃烧器的燃油量，并始终使燃油空气 比保持在最佳状态。 安装在燃气调节风门上的凸轮由另一根波顿推拉钢索与燃气调节阀调 节手柄相连，依靠人工驱动燃气特性凸轮机构，来调节燃气输出量，并保 持合适的燃气空气比。在窑炉运行负荷比较稳定的情况下，燃气流量不必 调节，仅当窑炉运行负荷变化较大，燃油调节不能满足要求时，需对燃气 进行调节。 2 5 4 安全联锁 燃烧器系统设置了下列安全联锁装置来监测设备的运行状况，确保燃 烧器始终保持无故障运行。 燃气压力低检测开关 安装在燃气管路入口处，用来检测燃气工作压力。当实际工作压力低 于设定值时，控制系统将发出声光报警，并切断主燃气阀和助燃风机，燃 烧器停机。 燃油压力低检测开关 安装在燃油泵出口管路上，用于确保油泵供油压力不低于设定值，当 实际油压低于设定值时，自动切换到备用油泵工作。 燃油、燃气风压检测开关。 安装在风机出口，若风机发生故障造成供风不足，则燃烧器将切断燃 料