燃烧及降噪.doc

燃烧器的燃烧及降噪一、 结构原理及特点1、 顶部燃烧器 主烧嘴采用半预混长火焰烧嘴a、 喷嘴采用十字型多孔燃料气喷射射流。其特点是：一、加大一次风的引射能力，一次风量70%75%；二、多股高速燃料气射流与引射器吸入的空气互相接触面大，混合易趋于均匀；三、多孔射流由于射流相互干扰，相对于单孔喷射使射流混合段发生变化，减小声波的径向辐射。b、 引射器采用圆柱型混合引射管，吸入段为流线型收缩管，扩张段为圆锥型扩张管，混合段为圆柱型。混合室的作用是使混合气流在进入扩张段前速度场、浓度场和温度场得到均匀分布。实践证明收缩型和扩散型混合段速度场的均匀性较差，但是扩散型的混合段浓度场和温度场较好，圆柱型混合室中速度场、温度场、浓度场的分布均匀性较好。扩散段的作用主要是使气流速度降低，动能转变为静压。c、 燃烧嘴采用带有外罩的环状多孔袖火型火焰稳焰器。由于燃料气与一次空气的混合气流速较高，是三种工况下火焰传播速度的513倍，而且燃料气在混合气中的浓度在可燃气体的着火极限范围之外，因此可以避免回火现象的发生。另外，混合气体在排出燃烧嘴之前，分出小部分混合气体经袖火孔进入环状空间，形成环状多孔袖火作为稳定火源，来点燃中心主气流，由于结构尺寸的结构合理设计，火焰的稳定性不会受气流紊流度和热负荷变化的影响。 辅助烧嘴采用全预混无焰烧嘴(4支四周布置)，也称为预混合稀薄燃烧。a、 喷嘴采用单孔燃料气射流，助燃空气引射量大于单孔燃料气所需理论空气量，过剩空气系数为1.51.7。b、 对应的引射器流道设置在烧嘴砖上，在烧嘴砖四角位置设计四个辅助锥型吸入段和圆柱型混合、燃烧段。 烧嘴砖采用中心主火焰燃烧和四角4个辅助火焰燃烧通道结构，其原理为：a、 中心主火焰燃烧通道类似于一个引射器，圆锥型吸入段和扩散段，在主烧嘴出口喷射的混合气体射流及炉膛微负压作用，吸入主火焰燃烧所需的二次空气10%左右吸入量占总空气量的15%，形成燃气“过浓”空气不足的“浓”火焰。b、 辅助火焰燃烧通道也类似于一个引射器，圆锥型的引射器，圆柱型混合、出口段，在辅助燃料气射流和炉膛微负压的作用下，形成空气过量，燃气不足的“淡”火焰（也称预混合稀薄燃烧）。c、 中心浓火焰中少量未燃烧燃料和不完全燃烧产物与淡火焰中低浓度残存的氧气在炉内完成三级混合、燃烧。 一次空气风箱及消音罩a、 风箱大小是根据主烧嘴十字头喷嘴喷射形成负压场的大小、梯度、空气流通面积，空气流量，阻力降大小综合考虑而设计，目的是满足吸入占空气总量5560%的一次空气量的需求，进风方式为环状进入。b、 一次空气风箱内，由于燃气的高速射流而形成空气动力性噪声，在喷嘴处主要是高频噪声，而引射器内混合段和扩张段主要形成低频噪声，此处高频噪声的峰值在2KHz以上。消音罩采用穿孔钢板护面，第二层玻璃布，第三层离心超细玻璃棉（容重2030kg/m3），厚度80100mm，各频率吸声系数为： 频率：125 250 500 1000 2000 4000 Hz吸声系数：0.29 0.60 0.85 0.87 0.88 0.9 二次空气风箱及消音罩a、 风箱大小是根据主烧嘴燃烧嘴混合射流，辅助烧嘴射流而形成负压场的大小，梯度、空气流通面积、流通阻力降大小而综合考虑设计，满足占总空气量45550%的二次空气量需求，进风方式为两侧进入。b、 二次空气风箱内，主火焰主要产生紊流燃烧噪声和振动燃烧噪声，前者的噪声频率峰值在250500Hz处的低频噪声，后者的噪声频率峰值主要在3003000Hz处的中、高频噪声，后者主要发生在空气燃气出现周期性脉动，火焰不稳定状态，高负荷、短火焰，混合不均匀的情况下。辅助烧嘴主要形成高频噪声，其燃烧形成的低频噪声在烧嘴砖处被炉体吸收，而高频噪声较主火焰产生的噪声来讲影响较小。消音罩采用金属网护面，第二层玻璃布，第三层离心超细玻璃棉（容重2030kg/m3）。厚度100130mm。各频率吸声系数为：频率： 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Hz吸声系数0.10 0.38 0.63 0.85 0.88 0.88 0.92 0.922、 烟道燃烧器 烧嘴采用半预混长火焰烧嘴a、 喷嘴采用十字型多孔燃料气喷射射流；其特点是：一加大一次风的引射能力，一次风量3540%；二，多股高速燃料气射流与引射器吸入的空气相互干扰相对于单孔喷射使设流混合段发生变化，减小声波的径向辐射。b、 引射器采用圆柱型混合引射管，吸入段为流线型收缩管，扩张段为圆锥型扩张管，混合段为圆柱型。混合室的作用是使混合气流在进入扩张段前速度场、浓度场和温度场得到均匀分布。实践证明收缩型和扩散型混合段速度场的均匀性较差，但是扩散型的混合段浓度场和温度场较好，圆柱型混合室中速度场、温度场、浓度场的分布均匀性较好。扩散段的作用主要是使气流速度降低动能转变为静压。c、 燃烧嘴采用无外罩的环状多孔袖火型火焰稳焰器。由于燃料气与一次空气的混合气流速较高。是三种工况下火焰传播速度的513倍，而且燃料气在混合气中的浓度在可燃气体的着火极限范围外。因此可以避免回火现象的发生。另外，混合气体在排出燃烧嘴之前，分出约40%混合气体经袖火孔进入环状空间，形成环状多孔袖火作为稳定火源来点燃中心主气流，由于结构尺寸的结构合理设计，火焰的稳定性不会受气流紊流度和热负荷变化的影响。 烧嘴砖采用直流式圆柱型火焰燃烧通道，其原理为：在烧嘴出口喷射的混合气体射流及烟道内负压作用下，吸入完全燃烧所需的二次空气，吸入量为6065%，在烧嘴砖内流道内及出口处完成混合气体与二次空气的扩散燃烧。 一次空气风箱及消音罩a、 风箱大小是根据主烧嘴十字头喷嘴喷射形成负压场的大小、梯度、空气流通面积，空气流量，阻力降大小综合考虑而设计，目的是满足吸入3540%一次空气量的需求，进风方式为环状进入。b、 一次空气风箱内，由于燃气的高速射流而形成空气动力性噪声，在喷嘴处主要是高频噪声，而引射器内混合段和扩张段主要形成低频噪声，此处高频噪声的峰值在2KHz以上。消音罩采用穿孔钢板护面，第二层玻璃布，第三层离心超细玻璃棉（容重2030kg/m3），厚度80100mm，各频率吸声系数为： 频率：125 250 500 1000 2000 4000 Hz吸声系数：0.29 0.60 0.85 0.87 0.88 0.9 二次空气风箱及消音罩a、 根据烧嘴混合射流，形成负压场的大小，梯度、空气流通面积，阻力降大小而综合考虑设计，满足6065%的二次空气量需求，进风方式为环状进入。b、 二次空气风箱内，主火焰主要产生紊流燃烧噪声和振动燃烧噪声，前者的噪声频率峰值在250500Hz处的低频噪声，后者的噪声频率峰值主要在3003000Hz处的中、高频噪声，后者主要发生在空气燃气出现周期性脉动，火焰不稳定状态，高负荷、短火焰，混合不均匀的情况下。消音罩采用金属网护面，第二层玻璃布，第三层离心超细玻璃棉（容重2030kg/m3）。厚度100130mm。各频率吸声系数为：频率： 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Hz吸声系数0.10 0.38 0.63 0.85 0.88 0.88 0.92 0.923、 过热器燃烧器 烧嘴采用扩散燃烧型短火焰烧嘴，特点为2英寸气体喷嘴特殊设计，燃料气喷孔分三层环状同轴射流，第一层少量径向燃气射流（与锥型稳焰器匹配），在稳焰器下游与空气一次预混合，第二层环状二次燃气射流（主射流）与烧嘴砖内流道形成匹配，与空气完成二次混合，第三层环状燃气射流与一、二层燃气与空气混合气体完成三次混合。 采用圆锥型（锥面上开有条形槽）稳焰器，使其形成烟气回流区，保证一次预混合气体的燃烧反应和二次混合气体的部分燃烧反应从而保证火焰的稳定性。 烧嘴砖内流道采用圆锥型吸入段，圆柱型直流段和圆锥型扩张段组成的火焰燃烧通道，流道尺寸与空气射流速度，燃气的射流动量，方向及稳焰器的外形尺寸有关，对上述因素进行优化设计，达到混合、燃烧最佳匹配。 风箱及消音罩a、 圆形风箱及矩形进风消音罩，并设有空气调节蝶阀。火焰产生的噪声主要为紊流燃烧噪声和振动燃烧噪声，前者的噪声频率峰值在250500Hz处的低频噪声，后者的噪声频率峰值主要在3003000Hz处的中高频噪声，后者主要发生在空气燃气出现周期性脉动，火焰不稳定状态，高负荷、短火焰，混合不均匀的情况下，消声罩采用金属网护面，第二层玻璃布，第三层离心超细玻璃棉（容重2030kg/m3）。厚度100130mm。各频率吸声系数为：频率： 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Hz吸声系数0.10 0.38 0.63 0.85 0.88 0.88 0.92 0.92二、 燃烧原理说明1、 顶部燃烧器 热负荷分配：中心主烧嘴占每台顶部燃烧器热负荷的7075%，辅助烧嘴占每台顶部燃烧器热负荷的2530%。 助燃空气分配：a. 中心主烧嘴引射每台顶部燃烧器总助燃空气量的5055%（占中心主烧嘴燃烧所需空气量的7075%）作为一次空气；b. 在主烧嘴射流和炉膛负压作用下，从烧嘴砖中心火道引射总助燃空气量的15%左右；c. 在辅助烧嘴燃气射流和炉膛负压作用下，烧嘴砖辅助火道引射总助燃空气量的3035%；d. a项即5055%的总空气量从一次风风箱进入，b、c项即4550%的总空气量从二次风风箱进入。 火焰造型及燃烧原理说明：中心主烧嘴形成“本生灯火焰”，火焰结构为由内、外两个锥体组成，内锥由燃气与一次空气混合物的燃烧所形成，燃烧过程处于动力区内（燃烧反应所需时间远远大于燃气与氧气混合时间时，称燃烧过程在动力区，反之称为扩散区）。外锥是尚未燃烧的燃气从周围获得氧气燃烧所形成，燃烧过程处于扩散区。特点：a. 焰面不是几何正锥体，而是一曲面；b. 燃气与空气混合物在焰面法线方向上的速度分量大于该混合物的火焰传播速度时易出现脱火，反之则火焰缩入火孔内出现回火；c. 一次空气较小时，在火焰的顶尖易出现黄色的边缘，称之为光焰或黄焰，以上为本生层流火焰说明。而工程上多采用紊流本生火焰，特点为：a. 加大火孔出口气流速度，内锥轮廓及光滑、微薄的焰面发生皱曲，出现扰动，消除回火现象；b. 焰面扰动强烈、混合物分散成许多分子微团，边燃烧边流动；c. 由于焰面由许多分子微团组成的燃烧层，燃烧表面积增大，火焰的辐射传热好；d. 火孔热强度高；e. 火焰根部设置稳焰器，消除脱火现象。 辅助烧嘴为无焰燃烧，燃烧过程处于动力区内，特点为：a. 燃气与空气混合物在火道燃烧，燃烧产物将火道烧红，火道出口处形成漩涡区，使燃烧产物在漩涡区循环，这样赤热火道壁和高温循环燃烧产物成为继续燃烧和稳定点火源，由于只能看见炽热的火道壁而看不见火焰，所以称之为无焰燃烧；b. 无焰燃烧的理想工况为=11.05，为降低火焰在火道内的燃烧温度高峰值，使其在较“温和”的状况下完成，即火焰燃烧温度可控制在11001200以下，加大送入空气量使在1.51.7之间，另外通过辅助火道向炉内多送入少量部分氧气，因此，相对于辅助烧嘴燃气量而言，助燃空气远远过量。因此，从主烧嘴和辅助烧嘴的燃烧、混合过程及火焰形成看，每台顶部燃烧器特点为：a. 主火焰过“浓”燃烧形成本生火焰，b. 辅助火焰为无焰燃烧，形成“淡”火焰，c. 主燃烧过程为空气三级供入，二段燃烧，燃料二级供入；d . 炉内燃烧过程为“浓”“淡”相结合的过程。2、 烟道燃烧器 空气量分配，通过一次空气风箱在引射器的作用下，引射助燃空气总量的3540%；通过二次风箱，在一次空气与燃气混合气体射流及负压作用下，引入助燃空气总量的6065%。 火焰造型及燃烧说明火焰造型为“本生灯火焰”，其燃烧原理与顶部主烧嘴一样，不同点为：（）一次空气引射量不同，主要空气通过二次空气流道进入，（）稳焰器结构不同，顶部主烧嘴为带有外罩的单层环状稳焰袖火，而烟道烧嘴为无外罩的双层环状稳焰袖火，这是从炉膛负压、温度、尺寸和炉内吸热量的不同考虑的。3、 过热器燃烧器a、 燃烧机理：燃烧过程处于扩散区域内，由于燃气与空气的混合过程要比燃烧反应慢的多，所以燃烧速度与燃烧完全程度主要取决于燃气于空气的混合速度和混合完全程度，取决于燃气质量与与空气质量之间的扩散作用，因此，燃烧速度取决于扩散速度。扩散有两种形式，分为层流扩散和紊流扩散。图示说明了层流扩散燃烧的火焰结构。燃气从孔径为d0的火孔中流出，与周围的空气进行分子之间的扩散，来完成燃气和空气的混合，燃烧后便形成扩散火焰。如果空气量过多则燃烧剩余的空气分子要继续向焰内扩散，与焰内燃气进行混合燃烧使焰面向内移动；如果空气量过少，则尚未的燃气继续向外扩散，与焰外的空气进行混合燃烧，使焰面向外移动。按照理论空气量混合时，焰面才能稳定，焰面内为燃气和燃烧产物，焰面外为空气和燃烧产物。焰面上各点的氧和燃气浓度最小，而燃烧产物的浓度最大。越向焰内，燃气的浓度越大，燃烧产物的浓度越小，在焰心处燃气浓度最大，而燃烧产物的浓度最小。沿燃气流动方向，由于燃气逐渐燃烧，所以燃气浓度逐渐减小，火孔中心沿轴线方向流动的燃气要穿过整个火焰长度达到火焰顶部，最后被燃尽，因而火焰成锥形。锥顶和火孔之间的距离称为火焰长度。如果增加燃气离开火孔的速度，使其雷诺数Re=(vg d0)/(式中vg为燃气离开火孔的速度；do 为火孔直径；为燃气的运动粘滞系数)超过某一极限时，气流中就出现旋涡，气体的流动状态便从层流扎状态经过渡区进入紊流状态，扩散现象便由分子之间的扩散变为分子团之间的扩散。于是，层流扩散燃烧的过程转变为紊流扩散燃烧过程。由于涡流的作用增加了扩散速度，所以紊流扩散燃烧的速度就大大提高。相应的火焰长度便缩短，当混合速度大大超过化学反应速度时，燃烧便处于动力区了。b、 扩散燃烧的火焰长度 图示说明扩散火焰长度与火孔出流速度的关系。由图可知：在层流区内，火焰长度随火孔出溜速度的增加而急剧上升；在过渡区，由于出现了部分旋涡增大了扩散速度，所以火焰长度逐渐降低；在紊流区火焰长度随火孔出流速度的增加而缓慢增长。c、 扩散燃烧的特点：其一扩散燃烧的稳定性，扩散燃烧由于没有预先混入空气，所以不会发生回火现象，这是扩散燃烧的最大优点，它只能产生脱火，当火孔的出流速度超过某一极限值时，由于周围的空气供应不足，或由于燃气被过多的空气冲淡，火焰便丧失其稳定性，离开火孔，发生间断最终完全熄灭。目前，紊流扩散燃烧是工业上应用较为广泛的燃烧方法之一，常采用一些人工的稳焰方法使扩散火焰稳定；其二碳氢化合物的分解，燃料气中各种碳氢化合物的热稳定性较差，它们的热分解温度较低，如甲烷为683，乙烷为485，丙烷为400。一般来说，碳氢化合物的分子量越大，稳定性越差，而且温度越高分解反应越强烈，如甲烷在950时只分解26%，但在1150时将分解90%。碳氢化合物分解后产生游离的碳粒。如果碳粒来不及燃烧，被烟气带走，就会形成煤烟对大气的污染，同时引起不完全燃烧热损失。但是高温下碳粒的燃烧会产生明亮的淡黄色火焰。因此如何控制碳粒生成及防止出现煤烟，是扩散燃烧中应注意的问题。三、 燃烧器噪声控制原理1、 噪声形成机理 空气动力性噪声，可分为射流噪声、涡流噪声及边界层噪声三种。a、 射流噪声是由于喷嘴出口的气体与周围介质之间有剪切力作用和进行动量和质量交换形成高速湍动而产生的噪声。它存在高、低频两类，高频噪声主要发生在喷嘴出口处，低频噪声主要发生在混合区和湍流区的交界处附近，产生射流噪声最显著的区域是射流混合区，高频噪声与垂直射流轴向的径向湍流速度有关，主要是径向辐射，低频噪声与轴向湍流速度有关，主要沿轴向辐射，本生灯火焰和无焰燃烧器喷嘴处产生的噪声主要属于高频噪声，随气体压力的升高而增大，峰值在2000Hz以上。b、 涡流噪声，当流体绕流一个断面为非流线形物体时在物体的两侧将交替产生旋转方向相反的旋涡，引起振动而产生噪声，如锥形稳焰器，突扩流道等。c、 边界层噪声，在固体壁面处的的流动边界层内由于壁面上压力变动所产生的噪声如稳焰器罩壳，旋流叶片等。 燃烧噪声。分为紊流燃烧噪声和振动燃烧噪声两种。a、 紊流燃烧噪声，层流燃烧火焰形成时一般不认为产生噪声，紊流燃烧火焰形成时，燃烧产物的温度、压力发生不规则的变化产生的噪声为紊流燃烧噪声，其产生机理与空气预混燃烧或扩散燃烧无关，产生的原因为气体密度的变化出现压力波产生噪声，燃烧反应所引起的气体摩尔数的变化和温度变化造成产生噪声，通常后者为主要因素。气流中速度的紊乱经燃烧使之增大所致。其特性为：一雷诺数1.5104以下时，声功率与混合气体的出口速度的平方成正比，雷诺数1.5104以上时，声功率与混合气体的出口速度的4次方成正比；二噪声的方向性与流动方向成4080。之间的声功率具有最大值；三声功率与热负荷的平方成正比；四频率特性为主要峰值在250500Hz处的低频噪声。b、 振动燃烧噪声又分为气柱振动燃烧噪声和体积振动燃烧噪声。前者为燃烧室内的气流系统的音响固有振动的任一波形与燃烧反应的变化发生共鸣而引起噪声，后者为燃烧时间的滞后，并与供给燃烧室的燃气或空气量的变动，燃烧室内的压力变动结合起来所激发的振动噪声。振动燃烧的噪声频率在3003000Hz之间。2、 噪声控制方法 影响燃烧器噪声的主要声源是射流噪声和紊流燃烧噪声。 射流噪声的控制：a、改变喷嘴出口处的紊流结构。如多孔喷嘴；b、当喷嘴内外压力比P1/P01.89时，噪声增加值较多，因此适当降低燃气压力；c、在进风口设置消声风箱。 紊流燃烧噪声的控制：a、降低单台燃烧器的热负荷（燃烧噪声与热负荷平方成正比）；b、降低喷口出口处的速度；c、短火焰，高负荷易产生振动燃烧，因此，使火焰延长在整个燃烧室均匀进行较好；d、保证火焰的稳定性，采取稳焰措施； e、改善燃料和空气的混合，防止混合不均匀，而出现振动燃烧；f、降低燃烧器出口空气流的紊流强度，降低振源；g、设置消声风箱。四、 氮氧化物的生成及抑制1氮氧化物的生成氮氧化物有N2O、NO、N2O3、NO2、N2O4、N2O5等。对大气造成污染的主要是NO和NO2，统称NOX。NO是无色气体，NO2是茶褐色气体，在加热炉中，通常NO2的排出量约占NOX容积的10%左右。燃料燃烧时产生NOX，通常有三个途径：a热力型NOX，空气中的N2在高温状态下被氧化而生成NOX，也叫高温状态NOX，简称为TNOX，主要是在1500以上的高温区产生，特点是：一、O2浓度越高，NOX生成速度越快；二、温度越高，生成越多。控制方法主要是降低氧浓度，降低火焰温度及缩短高温区停留时间。b快速型NOX，是碳氢系燃料热分解产生的CH游离基与空气中的氮气反应生成HCN、N、NH等中间产物，在进一步与氧作用而以极快速度生成的，也称瞬时型，简称为PNOX，特点为在火焰带内瞬时形成，在火焰带中氧含量较低时，生产量较低，但在总NOX所占比例仍较大。锅炉扩散燃烧中（不含N的天然气），火焰温度在1500左右时，NOX在10100ppm之间，主要是PNOX。c燃料型NOX，燃料中含有各种氮化物，在燃烧时转换而生成NOX，简称FNOX，理论上讲FNOX生成主要受反应区附近局部空气比和温度影响，同时还明显受燃料的氧化进程、自由基（O、OH、H）浓度等局部燃烧条件影响，实际燃烧过程主要是被燃料和空气的混合过程所控制。FNOX是在600900的较低温度条件下生成的。如果燃料中的含氮量为0.1%（重量），当完全转化NOX时，可达130ppm，在一般燃烧过程中，转化率为2080%。通常采用两段燃烧法，一段燃烧（=0.7左右时），把燃料过浓还原段区域设在烧嘴附近适当位置，可使FNOX的转化率达到最小值。2NOX的抑制方法、原理a热力型NOX抑制原理主要有：降低氧浓度、降低燃烧温度、缩短高温燃烧区域的停留时间、降低氮浓度。具体方法有：烟气再循环、两段（多段）燃烧（空气、燃料）、浓淡燃烧、预混合（稀薄）燃烧、催化燃烧、纯氧燃烧。b快速型NOX抑制原理主要有：预混合（稀薄）燃烧、纯氧燃烧。c燃料型NOX的抑制原理及方法有：通过调节燃烧空气过剩率来控制燃烧场温度，通过改变燃烧空气的吹入方式来控制燃烧场的混合，利用燃料的两段吹入促进NOX还原（再燃烧）等，具体方法有：两段燃烧（空气、燃料）、低氧燃烧等。3低NOX燃烧措施和发展炉内NOX生成控制措施是与组织炉内稳定燃烧及燃尽的技术原则有些相悖，主要有燃烧效率有所降低，低温和低氧燃烧延