内混式高效空气雾化油燃烧室的试验研究

内混式高效空气雾化油燃烧室的试验研究

1内混式多喷孔空气雾化油枪目前，大多数用于燃料加热炉燃烧和化油的燃料使用内混或外混蒸汽醚。内混蒸汽醚的油枪可以保持良好的效果，并可以获得理想的油滴分布。结构简单，适合燃烧缺点的燃料，如油、湿油和浓油。标准油耗分别为（50、100、200、300）kg和h，汽量减少25kg。采用压缩空气法治疗内混多喷孔空气雾源油枪，在小型恒温加热炉中未见应用和报道。起初在某部队废油常压管式加热炉上选用耗油量100kg/h的油枪,使用中发现,油枪喷嘴与加热炉炉膛几何尺寸不匹配。火焰长、发飘、舔炉管,燃烧不完全,局部火道结焦,油枪的雾化空气喷孔中心线与油孔轴线成一定的角度相交,使多股空气流对燃油形成一个锥体气封,气流与油流相互干扰严重,不利于平稳操作。同时还发现,喷嘴气雾离开明火就出现离焰、脱火等现象。为解决上述问题,研制出了与之相匹配的耗油量为25kg/h高效内混式多喷孔空气雾化油喷嘴和燃烧火盆。冷态试验和热态运行结果表明,燃烧器的试验研制是成功的,生产实际应用证明,油枪喷嘴性能良好,操作灵活,火焰瘦短,呈收缩型,长达1～2m,刚直明亮,完全满足了使用要求。2基于燃料设计的基础和结构特点2.1燃烧及炉硫油的设计一个完整的燃烧器包括油枪喷嘴,助燃风(合风),和火盆(火道)3部分,一个好的燃烧器必须是这3部分的良好配合,除保证燃烧器的结构设计合理,制造质量优良外,燃烧器应满足工艺要求,操作弹性大,调节性能好,燃烧稳定,火焰形状与炉型、炉壁密切配合,确保燃烧器在额定负荷下与炉膛管壁的最小安装距离,力求炉管表面热强度均匀。燃烧器的设计还要充分考虑和依据燃料油品种和性质,雾化介质种类及操作条件因素等。本燃烧器的设计依据为:在常压管式加热炉中应用,炉膛直径1.6m,高4.5m,最大热负荷≤25×108J/h,允许火焰高度0.6m～2.1m,燃料油为经加热器加热到50℃左右的废重柴油或污油,雾化剂为经加热炉排出的250℃热烟气进行预热达到60℃～80℃的压缩空气。助燃风不高于80℃,风压150Pa～250Pa,油枪在炉中单支使用。2.2喷嘴油枪的使用本试验设计的空气雾化油喷嘴为内混式多喷孔喷嘴,雾化方式是:燃料油与雾化剂(压缩空气)分别经油枪内、外管进入油枪雾化器腔体内,其出口有一缩颈喷气孔和喷油孔,燃料油沿喷气孔四周与中心孔喷出的空气在混合室内高速相遇、相混、撞击,形成第一次雾化,所形成的气液两项混合液再从混合室经外喷头多个喷口以均匀高速喷出,与炉膛内空气摩擦,撕裂,形成二次雾化。喷嘴采用内部混合措施,可以防止喷嘴受到火焰的直接辐射,不使油裂化堵塞喷口。油枪设置在火盆中心,单支使用。喷嘴及油枪枪体在结构上调节更换维修方便。在助燃风系统中设置稳压器,能均匀平稳的供风,达到充分燃烧。配制相应的火盆,起到引导火燃形状,解决喷嘴继续发火,不灭火的问题。内混式空气雾化油喷嘴结构简图见图1。3孔道角的选取内混式空气雾化油喷嘴结构尺寸如混合室出口孔的夹角α等参数直接影响到油枪喷嘴的雾化质量,火焰形状及操作弹性等,设计喷嘴时,必须正确选取喷孔(混合室出口孔)的夹角α,喷孔数,孔径,喷孔间距等。3.1油枪喷嘴雾化分析喷孔夹角即喷嘴雾化角的大小根据加热炉炉膛几何尺寸(直径与高度之比)和所需热负荷等因素来决定。本试验应用的是管式加热炉,最大热负荷≤25×108J/h,炉膛直径1.6m,高4.5m。起初选用6孔×ϕ2.5mm,雾化角为40°油枪喷嘴。实际使用结果表明,与工艺要求不匹配,喷嘴点燃后,炉膛内火柱过粗、过高、发飘、火焰舔炉管和炉墙等耐火材料产生局部过热。火焰过高,冲撞炉管上部,燃烧不完全,产生震动,更主要的是超出了加热炉热负荷的实际需要,增加了不必要的能源浪费。通过反复多次冷态试验观察考证,之所以出现以上状态,其主要原因是喷嘴的雾化角过大,喷孔数多,孔径大。试验表明,内混式空气雾化油喷嘴的雾化角只取决与喷孔夹角α的大小。夹角小,火焰细长;夹角大,火焰短粗。从燃烧角度看,喷孔夹角大,利于油滴分散,便于与空气混合;夹角小,则油滴密集,不利于与空气混合。因此,燃烧能量(喷油量)小的油喷嘴喷孔夹角可适当小些,燃烧能量大的喷嘴夹角相对增大些。依据试验用炉的几何尺寸及热负荷的实际需要,确定喷嘴夹角为17°。3.2开孔面积的影响喷嘴喷孔数与孔径的设计主要依据加热炉热负荷要求,还要根据喷头开孔面积来确定,其正确的喷头开孔面积应根据混合室背压试验确定。当气压为0.6MPa时,混合室背压为0.12MPa～0.14MPa的开孔面积才是最合适的喷头开孔面积。为了确保燃料油与雾化剂快速而均匀地混合,喷头开孔直径不宜过大或过小。过大,雾化粒度大,雾化效果不佳,燃烧不完全;过小,喷孔易堵塞,喷孔数量除了使孔径不宜太大太小外,还应注意喷孔之间距离不小于喷头孔径的3倍,以防火焰相互干扰或形不成完整的火柱。而喷孔节圆直径的大小直接影响火焰的形状,本试验设计的喷嘴结构尺寸详见表1。4设计:组成试验装置由管式加热炉、供气系统、供油系统、试验油枪4个部分组成。雾化剂预热到60℃后,经缓冲式1.0MPa的180m3/h压缩空气,燃料油加热到40℃由螺杆泵输送粘度约20mm2·s-1的重柴油。4.1燃烧时h当油压恒定为0.5MPa,气压比油压高0.02MPa～0.12MPa时,炉膛内火焰变化状况见表2。从表2可以看出,油压恒定在0.5MPa,随着调节气压与油压的压差,其炉膛内火焰燃烧情况不尽相同。最佳的操作条件是:气压比油压高0.07MPa～0.10MPa,即油压0.5MPa,气压0.57MPa～0.6MPa,这说明雾化介质的雾化细度随着气压的加大而减小,但气压增加到某一值后,喷嘴混合室压力达到临界值,喷头上小喷孔出口速度也达到了最高点。此时,再增加气压对雾化细度的改善,影响不大,相反只能增加雾化剂耗量,甚至出现燃烧不稳定,脱火,火焰被吹灭的情况。如果提高油压,混合室压力就会大于气压,发生燃料倒流进入气管现象,燃料油不能被完全雾化,造成燃料油燃烧不完全,火焰发红、发飘,火焰长、不集中,舔炉管,火焰尾部冒黑烟等。4.2燃油效果对比在不同油压p1和气压p2下试验所得的燃料油流量B和气耗Ws作为纵坐标,以p1和p2为横坐标作图,发现对于喷嘴雾化角都是17°,在油压0.5MPa时的燃料油燃烧能量最多不超过20kg/h。而气压在0.6MPa时,气耗量不超过0.25kg气/kg油。与目前国内现有的燃烧器的油枪相比,节油效果好。雾化剂消耗量也降低很多,气和油的质量比原通常范围限定的0.5降低0.25。4.3喷嘴雾化角对火盆热压的影响燃烧器燃烧的好坏首先取决于油枪喷嘴,但火盆也是关键因素之一。油枪喷嘴位于燃烧火盆的喉部,火盆的作用主要是引导气流,使空气更好地与燃料混合,同时火盆耐火材料积蓄的辐射热量为火焰根部提供了一个高温热源,这对火焰的稳定发火和加速燃烧过程起积极作用。通过多次冷态试验表明,火盆的出口锥角与喷嘴的雾化角必须相匹配,如果火盆的出口锥角小于喷嘴雾化角,易造成火盆结焦和烧损,如果火盆的出口锥角大于喷嘴雾化角,会出现漏气风,使一部分空气不能与油混合,喷嘴喷出的油雾燃烧后不能为火盆耐火材料提供辐射高温热源。这时会出现喷嘴喷出的气雾离开明火就熄灭的情况,这在实际生产中是很危险的。为此,在油枪的侧面加安长明灯,熄火报警探头,确保安全燃烧。本试验设计研制的喷嘴雾化角为17°,火盆壁与喷嘴火燃距离为12cm,火盆在实际使用中证明,喷嘴在火盆中燃烧正常,无结焦、离焰和脱火现象。火盆尺寸与喷嘴雾化角的几何关系见图2。5油枪喷嘴的安装位置和使用方法本试验设计研制的内混式高效空气雾化油燃烧器冷态试验成功后,在某部队废油常压管式加热炉上使用,运行状况良好,均达到了设计要求,生产出了合格产品。(1)该喷嘴结构简单,是国内管式加热炉上所使用的油枪喷嘴中雾化角最小的一种喷嘴,并且在加热炉热负荷≤25×108J/h炉中,单支使用;(2)喷嘴雾化效果好、雾化颗粒小、分布均匀、火焰集中、刚直明亮、呈收缩型、火焰扩散角度合适,火焰长度和直径与炉型匹配良好;(3)油枪喷嘴可以在小型管式加热炉中单支使用,也可以在大、中型管式加热炉中多组使用,雾化剂可用压缩空气,也可用蒸汽,喷嘴的负荷可在较大范围内变化;(4)油枪直立安装在火盆中心,可烧重质液体燃料,也可烧污油,为了减小燃料油的黏度,使燃料油有较好的流动性,保证雾化效果,避免火盆内侧结焦,喷嘴漏油,安装加热器,对燃烧油进行预热或加热。燃烧高黏度重质燃料油时,油枪喷嘴易结焦,应经常清洗油枪喷嘴;(5)油枪喷嘴火焰温度高,炉膛升温快,增加了辐射传热量,80min就可达到使用温度;为确保燃料系统,供气系统出现故障时,不致灭火,防止突然恢复供油供气造成事故,在油枪的侧面加安长明灯,熄火报警探头以确保安全燃烧。油