全预混燃烧(精选PPT)

C 第四章全预混燃烧技术 一 燃气全预混燃烧的特点1 燃气全预混燃烧是指燃气在燃烧器前与足够的空气进行充分混合 在燃烧的过程中不再需要供给空气的燃烧方式 全预混燃烧的火焰传播速度快 燃烧室容积热强度很高 一般可达28 56x103kW m2或更高 且能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧 通常 1 05 1 1 几乎不存在化学不完全燃烧现象 因此 燃烧温度很高 但火焰稳定性较差 易发生回火 为防止回火 应尽可能使气流速度场均匀 保证在最低负荷下燃烧器上各点的气流速度均大于火焰传播速度 同时 气流分布均匀也保证了燃烧器表面火焰的均匀 避免在燃烧器表面上火焰过长 接触到换热器表面导致不完全燃烧 2 全预混燃烧方式有效降低污染物的排放1 全预混燃烧降低了氮氧化物的排放首先 全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物 其次 全预混燃烧不产生快速型氮氧化物 最后 全预混燃烧降低了温度型 C 氮氧化物的生成浓度 2 全预混燃烧降低了CO浓度由CO的生成机理可知 CO是由含碳燃料氧化而产生的一种中间产物 燃料中最初所含有的碳都将先被氧化成CO 再进一步被氧化成CO2 实验证明 在火焰温度下 如果有充分的氧气和停留时间 CO的浓度就会在反应之后降至很低的程度 由于全预混燃烧在燃烧前已经完成了燃气与过剩空气的均匀混合 可以在很大程度上保证每一个燃气分子周围都有充分的氧气分子存在 因此全预混燃烧的CO排放浓度很低 C C C C C C C 二 冷凝式燃气壁挂炉采用全预混燃烧器目前 冷凝壁挂锅炉上使用的全预混燃烧器均为鼓风式全预混燃烧器 主要有 平板形 半球形和圆柱形 如下图所示 其中圆柱形应用居多 实践证明 圆筒形和半球形表面与平面相比 比较容易形成均匀的气流分布 全预混燃烧器的组成主要包括 燃烧头 鼓风机 混合气以及燃气电磁阀 燃烧头的表面材料主要有两种 不锈钢和金属纤维编织物 其中前者应用较多 对于不锈钢圆柱形头部 是在一个不锈钢圆筒的筒壁上 按照设计的要求形成许多小孔 燃气和空气的混合物从小孔中喷出后被点燃 对于金属纤维编织物表面的燃烧头 燃气与空气的混合物透过金属纤维表面均匀渗出后被点燃 由于是全预混燃烧 因此只在筒壁上形成非常薄的一层蓝色火焰 同时 圆筒壁被加热到很高的温度 形成一个高温辐射源 因此 这种燃烧器与普通壁挂锅炉中使用的大气式燃烧器的另一点不同之处在于 前者对于换热器既有对流换热又辐射换热 而后者主要为对流换热 辐射换热所占比例很小 C 对流换热的概念对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递现象 对流换热是指流体与固体表面的热量传输 对流换热是在流体流动进程中发生的热量传递现象 它是依靠流体质点的移动进行热量传递的 与流体的流动情况密切相关 当流体作层流流动时 在垂直于流体流动方向上的热量传递 主要以热传导 亦有较弱的自然对流 的方式进行 对流换热与热丢刘不同 既有热对流 也有导热 不是基本传热方式 对流换热的特点 1 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 2 必须有直接接触 流体与壁面 和宏观运动 也必须有温差 辐射换热的概念两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过程 是传热学的重要研究内容之一 C 在分析大气式燃烧热水器的热交换过程时 必须注意到燃烧产生的是不发光火焰 因此 火焰辐射式依靠三原子气体 没有固体粒子辐射 而气体燃料所产生的三原子气体所占份额很小 更为重要的是 热水器燃烧室尺寸都很小 其辐射层厚度很小 气体辐射能力很弱 辐射热交换吸热在总吸热中只占较小的部分 而全预混燃烧器在圆筒形燃烧器的壁面上形成一层非常薄的蓝色火焰 圆筒壁被加热到很高的温度 形成一个高温辐射源 因此在全预混燃烧器的热交换过程中 辐射换热也占到一定的比例 C 考虑到燃烧的稳定性 燃烧器火孔热强度应适当 以某一个24kW天然气全预混燃烧器为例 使用不锈钢圆筒形燃烧头 其火孔总面积为1175 8mm2 则其火孔热强度为 再如 另一个金属纤维表面的全预混燃烧器 输入功率为33 5kW 金属纤维表面积为37680mm2 则计算得到燃烧器表面热强度为0 89W mm2 C 三 燃气 空气比例调节系统1 对于鼓风式全预混燃烧器 在燃烧过程中 特别是在符合变化过程中始终保证燃气与空气的混合比例恒定 是保证稳定 高效 低排放燃烧的先决条件 因此 有一个精确可靠的燃气 空气比例调节系统是非常重要的 对于普通的大气式燃烧器 由于引射器在一定范围内具有自动调节能力 即当燃气喷嘴的流量发生变化时 被引射进入的一次空气量也会随之相应的变化 这在一定程度上保证了燃气 空气比例的恒定 而在鼓风式全预混燃烧器中 由于燃气与空气的混合方式不同 燃气流量与空气流量失去了在大气式燃烧器中所具有的相互关联 因此需要使用调节装置来实现对燃气 空气比例的控制 实现这一功能的技术通常有两种 1 电子式燃气 空气比例的控制技术 该技术是利用流量传感器检测空气流量信号 控制器根据该信号经相应的运算后控制燃气比例调节发 以维持燃气与空气流量比例的恒定 这种控制方法多用于大型的燃烧系统 特别是非线性系统 由于目前技术条件限制 应用于如燃气壁挂炉这样的小型燃烧系统上 其控制精度不够理想 C 2 机械式燃气 空气比例控制技术 目前在冷凝式燃气壁挂炉中广泛使用的是第二种技术 即利用风压变化自动调节燃气流量的机械式燃气 空气等比例控制技术 原理图如下 机械式燃气 空气等比例调节技术2 风机的选择1 风机所用的电机燃烧器上的风机使用的电机一般有三种形式 罩极式电机 通用电机和无刷直流电机 C 罩极式电机的优点是结构简单和价格低廉 但其操作效率低 一般只有20 40 且只有1 2档速度 其套筒轴承的工作寿命大约只有25000h 通用电机的速度很高 通常可以使用外加控制器对速度进行控制 但其内部电刷的寿命一般只有10000h 另外 射频干扰 RFI 使其在某些场合的使用受到限制 RFI是射频干扰 RadioFreqencyInterference 的英文简写 射频是一种高频交流电 也就是通常所说的电磁波 射频干扰就是电磁波所带来的干扰 如两个频率相差不多的电磁波会同时被接收机接收造成干扰 在离发射台近的地方会有谐波干扰 干扰其他的接收设备 发射相同频率的电磁波可干扰敌人的电台 无刷直流 BLDC 电机使用低压直流电源 12V 48V 新型的设计集成了全桥整流电路部分 将交流电压 220V 直接转换为电机需要的直流电压 BLDC电机的操作效率高 一般可达60 85 电机的寿命可达40000h 但缺点就是价格很高 C 另外 由于是用于全预混燃烧系统 因此从防爆的角度考虑 风机采用抗静电叶轮 这种风机比普通型壁挂炉中使用的风机具有更高的扬程 因为在冷凝式壁挂锅炉中使用鼓风式全预混燃烧系统要克服比普通型壁挂炉更高的阻力 其次 燃气比例调节阀在工作时需要较高的空气压力驱动 四 文丘里型混合器在全预混燃烧系统中 一般采用文丘里混合装置来保证燃气与空气的充分混合 燃气与空气的混合可以在风机出口进行 后预混 也可在风机入口进行 前预混 1 后预混型文丘里混合器 C 上图为混合气的结构 空气流过文丘里混合气 将在文丘里管喉部产生负压 燃气从文丘里管喉部进入后与空气混合 在文丘里管入口处设有取压环室 取出的静压用于控制燃气调节阀 实现燃气流量与空气流量的同步调节 并保持恒定比例 后预混式混合器的负荷调节范围一般为1 5 下图给出了两种不同型号混合气的特性曲线 从曲线上可以看出 当提高风机进口压力时 在保持混合比不变的情况下增大了负荷 文丘里混合气安装在风机出口 C 后预混方式与前预混方式相比 由于是在风机出口处混合 因此对风机的防爆要求比前预混低 C 2 前预混文丘里混合器前预混混合器设在风机入口处 仍为文丘里型 系统如下图 C 混合器一侧的空气吸入口3的开度可通过调节环4进行调节 其完全打开时 对应混合器所能适用的最大输入功率 当其完全关闭时 对应混合器所能适用的最小输入功率 最大和最小输入功率与燃烧装置的特性密切相关 C 下面的曲线图给出了在燃烧装置不同的额定输入功率下 且燃气进口压力降为50Pa时的文丘里混合装置的调节范围 C 四 燃气阀组与调节原理冷凝式燃气壁挂炉使用的燃气阀组包括 安全切断电磁阀EV1 伺服电磁阀EV2 伺服压力调节器RP 零点迁移量调节器G A 空燃比例调节阀RQ等组成 如下图所示 与文丘里混合器配合 在负荷调节过程中 始终保证燃气流量与空气流量的比例恒定 C 1 文丘里混合器的恒混合比原理 根据伯努利方程 流过文丘里混合器的空气流量为 C 式中Va 空气流量 m3 h 文丘里混合器流量系数Aa 文丘里混合器过流面积 m2Pa1 文丘里混合器前静压 PaPa2 文丘里混合器喉部静压 Pa a 空气密度 kg m3Ka 混合器阻力系数 进入文丘里混合管的燃气流量为 式中Vg 燃气流量 m3 h 燃气喷嘴流量系数Ag 燃气喷嘴面积 m2Pg 燃气喷嘴前静压 PaPa2 文丘里混合器喉部静压 Pa g 燃气密度 kg m3Kg 喷嘴系数 C 根据上述两个公式得到 当Pg Pa1时 燃气流量与空气流量的比值为一常数 因此只要保证在负荷调节过程中维持Pg Pa1 即可保证空燃比恒定 如欲改变燃气与空气的流量配比 只需调节Kg即可 改变燃气喷嘴 2 预混系统工作原理 下图为这一系统的内部结构原理图 其工作过程如下 当两个电磁阀EV1 EV2均不得电时 在阀组入口处测得燃气压力为燃气管网额定压力Pin 当电磁阀EV1打开时 点火燃烧气开始工作 如有点火燃烧器 在鼓风全预混燃烧方式的壁挂锅炉中均不设点火燃烧器 当电磁阀EV2打开后 主燃烧器才能工作 此时才可测得压力Pint C 1 燃气进口 2 安全电磁阀 3 调节阀 4 6 9 联通孔 5 伺服电磁阀 7 指挥阀 8 指挥阀膜片 10 调节阀膜片 11 比例调节阀 12 鼓风压力信号管 13 燃气喷嘴 14 空气进口 15 文丘里混合器 16 混合气 燃气 空气 出口 17 零点调节螺丝 18 比例调节螺丝 C 当需要提高燃烧负荷时 首先提高风机转速 使风量增加 此时文丘里混合器入口静压Pa1增加 经空气取压管12 使得膜片8上侧压力增加 指挥阀的阀口7被关小 其结果使得原经过指挥阀阀口7 联通孔6的燃气泄流阻力增加 进而使得经联通孔9导入调节阀膜片10下侧的压力增加 调节阀3被开大 燃气流量增加 此时建立的压力平衡关系为 Pint 调节阀膜片10下侧压力 膜片8下侧压力 膜片8上侧压力Pa1 弹簧力Os即 Pint Pa1 Os由于在变负荷过程中膜片8上侧弹簧的位移很小 因此认为弹簧的弹性力Os恒定不变 由式 3 4 1 可知 此时无论风量如何变换 Pa1变换 均能保持Pint与Pa1的比例关系 通过零点调节螺丝17可以改变Os值 称为 零点迁移 如下图所示 C 前预混系统与后预混原理基本相同 前预混系统所使用的文丘里型混合器安装在风机入口 文丘里管的前压Pa1为大气压 即Pa1 0 因此 无需空气取压管 阀上的取压口位置直通大气即可 Pa2为文丘里混合器出口压力 即风机进口压力 运行原理与后预混相同 C 五 全预混冷凝不锈钢盘管换热器简介 1 不锈钢换热器的强化换热方法最近几年的研究证明 不锈钢是制作冷凝换热器的理想材料 对于天然气冷凝锅炉上的换热器 可以利用不锈钢合金 主要元素师 铬 镍 钼 钛等 制作 这种合金材料能够防止冷凝液的腐蚀 因此换热器表面不需要进行防腐处理 不锈钢的导热性能不如铜和普通钢 为弥补其导热性能差的特点 换热器在设计时应特别注意采取一些强化换热的措施 在锅炉换热器中 要将烟气的热量有效地传递给水 就必须使烟气与换热器表面进行充分的接触 为了达到这一目的 目前最常用的方法有两种 1 对换热器烟气侧的表面进行设计 使其在烟气流过时形成许多小的局部旋流 这样可以避免在烟气流的通道截面上中心温度过高 四周温度过低 形成过大的从通道中心到换热器壁面的温度梯度 而光滑平整的壁面是无法做到的 下图给出了两种换热器的对比 C C 2 使烟气产生强烈的紊流 对于提高传热系数 它的作用与方法一是相同的 目的是打破烟气通道中的温度梯度 使用矩形 或扁圆形 不锈钢管盘成螺旋形 烟气从螺旋形的中心 通过螺旋间距只有0 8mm的狭长缝隙径向冲刷不锈钢螺旋管 烟气在这些缝隙中形成薄片状层流 大大提高了传热系数 烟气经过36mm长的缝隙 温度即可从较高温度被降到50 C 2 换热器中的烟气