劉 峰 廖曉煒 竇文宇

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

直流擴散式燃氣燃燒器燃燒特性試驗研究

劉 峰 廖曉煒 竇文宇

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

針對目前國內廣泛運行的鍋殼式燃氣鍋爐，以在該結構鍋爐上大量使用的直流擴散式天然氣燃燒器為研究對象，研究了燃氣燃燒器在不同負荷、爐膛背壓、過量空氣系數(shù)等參數(shù)對鍋爐爐膛內火焰燃燒場分布的影響，其試驗結果對燃氣鍋爐的安全經濟運行以及燃氣燃燒器的結構優(yōu)化具有重要意義。

燃氣 燃燒器 負荷 爐膛背壓 空氣過量系數(shù)

在我國，能源結構長期以煤炭為主，在可預見的未來幾十年內，煤炭仍將在我國經濟建設和社會發(fā)展中占有很重要的地位。進入本世紀以來，我國各大中型城市積極推行集中供熱以減少小型燃煤鍋爐引起的局部環(huán)境污染問題，同燃煤相比，油氣燃料具有燃燒充分，燃燒效率高，污染物低等明顯優(yōu)點，因此以燃用天然氣、煤氣、液化石油氣等可燃氣體燃料以及液體燃料油等清潔燃料為主的環(huán)保型供熱系統(tǒng)，在城市小區(qū)供熱系統(tǒng)中得到廣泛的應用。然而，近幾年國際燃油價格一路上漲，使得原來單一依靠燃油的鍋爐用戶越來越承受不了其運行費用，而隨著大規(guī)模的天然氣資源勘探開發(fā)，煤層氣的開發(fā)利用，石油化工等行業(yè)生產工藝帶來的可燃副氣的綜合利用，以及“西氣東輸”、“海氣登陸”和“川氣出川”工程的實施以及從俄羅斯、哈薩克斯坦、緬甸等國引進天然氣等措施的開展，燃氣來源得到了基本的保證。綜合考慮成本、環(huán)境污染、國家政策等因素，燃氣鍋爐的優(yōu)勢愈發(fā)明顯。

因此，本文針對目前國內廣泛運行的鍋殼式燃氣鍋爐，以在該結構鍋爐上大量使用的、具有代表性的直流擴散式天然氣燃燒器為研究對象，通過試驗手段，詳細研究了燃氣燃燒器各參數(shù)（負荷、爐膛背壓、過量空氣系數(shù)等）對鍋爐爐膛內火焰燃燒場分布的影響，其結果對燃氣鍋爐的安全經濟運行具有重要意義。

1 燃燒特性試驗研究

1.1 試驗用燃燒器

試驗為燃天然氣燃燒器，采用目前被廣泛使用的強制鼓風整體擴散式燃燒器，其燃燒頭中小孔為燃氣孔，大孔為空氣孔，周圍是補充大量空氣的周界風，孔的前端有穩(wěn)焰器（見圖1）

圖1 燃氣燃燒器外觀以及內部結構照片

1.2 試驗用燃料

試驗用天然氣，其化學成分和熱值檢驗報告分別見表1：

表1 天然氣檢驗報告

1.3 試驗系統(tǒng)介紹

圖2為測試系統(tǒng)示意圖，包括測試爐以及相關的測試儀器。其中測試爐爐膛長度亦即爐膛容積熱負荷可調節(jié)，可模擬不同結構鍋殼鍋爐的實際爐膛容積熱負荷，并且在測試爐上裝有壓力測點、火焰觀察孔、溫度測點等。

圖2 測試系統(tǒng)示意圖

1.4 試驗工況

試驗工況設計見表2：

表2 燃氣工況設計參數(shù)

1.5 試驗數(shù)據(jù)與結果分析

所有試驗數(shù)據(jù)圖表中，橫坐標均采取無量綱參量x/d，x為測點距離爐膛中心線的垂直距離，d為燃燒器噴口直徑?？v坐標為溫度T，單位℃?？v軸右邊虛線部分為左邊的映射。

1）負荷對燃氣燃燒器爐內燃燒溫度場影響

圖3為在每個測量截面下各個工況（不同負荷）徑向火焰溫度分布。圖4為在每個工況下（不同負荷）各個測量截面徑向火焰溫度分布。

圖3 燃氣燃燒器在不同的負荷下徑向截面溫度對比圖

圖4 燃氣燃燒器同一負荷下不同截面沿徑向溫度分布對比圖

由圖3和4可以看出：

(1）在接近燃燒器出口區(qū)域（600mm、800mm截面)，火焰溫度分布沿徑向呈“M”型分布。

(2）離燃燒器出口距離越遠（600mm、800mm、3000mm三個截面)，截面火焰溫度越平均，也就是說截面溫度分布沿爐膛長度方向趨于均勻。

(3）隨著燃燒器負荷的增加， 在爐膛中后部（800mm、3000mm截面)，爐內溫度水平上升。

(4）隨著燃燒器負荷的增加，爐內最高溫度水平截面的位置趨向后移，亦即火焰長度增大；同一截面的火焰溫度峰值位置趨向爐膛壁面方向移動，亦即火焰直徑增大。

2）爐膛背壓對燃氣燃燒器爐內燃燒溫度場影響

圖5給出了燃氣燃燒器在不同的爐膛背壓下（工況5、6、7）徑向截面溫度對比圖：

圖5 燃氣燃燒器在不同的爐膛背壓下徑向截面溫度對比圖

試驗結果表明，爐膛背壓對燃氣火焰爐內溫度分布影響較為明顯：

（1）在相同燃燒器負荷下，爐膛背壓增大，在接近燃燒器出口區(qū)域(600mm、800mm截面)，爐膛中心火焰溫度提高，同時引起截面整體火焰溫度水平提高；

（2）在相同燃燒器負荷下，爐膛背壓增大，爐內最高溫度水平截面的位置沒有發(fā)生變化，亦即燃燒器火焰長度不變；同時，同一截面的火焰溫度峰值位置沒有發(fā)生變化，亦即燃燒器火焰直徑不變；

（3）在相同燃燒器負荷下，爐膛背壓增大，爐膛后部（3000mm截面）亦即爐膛出口煙氣溫度降低。

3）過量空氣系數(shù)對燃氣燃燒器爐內燃燒溫度場影響。

圖6給出了燃氣燃燒器在不同的過量空氣系數(shù)下（工況6、8、9、10）徑向截面溫度對比圖：

圖6 燃氣燃燒器在不同的空氣過量系數(shù)下徑向截面溫度對比

試驗結果表明：

（1）過量空氣系數(shù)增大后，爐膛中心火焰溫度提高，爐膛截面火焰溫度分布沿徑向由“M”型轉變?yōu)椤啊伞毙停?/p>

（2）過量空氣系數(shù)增大后，爐內最高溫度水平截面的位置向燃燒器噴口方向移動，亦即燃燒器火焰長度變短；同時，同一截面的火焰溫度峰值位置向爐膛中心靠近，亦即燃燒器火焰直徑也變小；

（3）過量空氣系數(shù)增大后，爐內整體溫度水平（包括爐膛出口溫度）降低。

2 結論

通過對燃氣燃燒器燃燒過程的試驗研究，得出以下結論：

1）燃燒器負荷：在試驗范圍內，燃燒器負荷大小除了直接影響爐膛溫度水平以及爐膛出口煙氣溫度外，還直接影響火焰尺寸（長度和直徑）。燃燒器負荷增大，爐膛出口煙溫提高，同時火焰尺寸（長度和直徑）增大。因此，在燃氣鍋爐的設計、改造亦或是運行，在爐膛設計或校核時，除了要考慮控制爐膛容積熱負荷qv這個宏觀熱力參數(shù)外，還要考慮爐膛結構與燃燒器火焰尺寸相匹配，在負荷變化范圍內，燃燒器火焰要在爐膛內充分展開，不能直接沖刷受熱面。

2）空氣過量系數(shù)：在試驗范圍內，過量空氣系數(shù)提高，爐內溫度水平下降，爐膛出口煙氣溫度下降。燃氣燃燒器火焰尺寸（長度和直徑）對過量空氣系數(shù)較為敏感，空氣過量系數(shù)越大，火焰越短，直徑越小。從保證燃燒完全以及減小鍋爐熱損失的角度綜合考慮，燃氣燃燒器過量空氣系數(shù)應盡可能接近1.0，燃油燃燒器不宜超過1.1。

3）爐膛背壓：在試驗范圍內，爐膛背壓對燃氣燃燒器的影響較大，爐膛背壓提高，火焰結構無較大變化，但整個燃燒過程提前，從而爐膛出口煙氣溫度降低。質檢公益性行業(yè)科研專項項目：火筒加熱爐爐內燃燒場研究與熱負荷均勻裝置研制（項目號：201310163）

1.包秀春,等.工業(yè)鍋爐高效運行措施的實施[J].北京:中國特種設備安全,2012,28(2):42~45

2 陳志良,等.工業(yè)鍋爐能效及其計算方法[J].北京:中國特種設備安全,2010,26(12): 3~5

Experimental Study on Combustion Characteristics of DC Diffusion Type Gas Burner

Liu Feng Liao Xiaowei Dou Wenyu
(China Special Equipment Inspection Research Institute Beijing 100029)

Aiming at the present domestic widely running pot shell with gas boiler, and widely used direct current diffusion type gas burner in this boiler, the experimental method was used to study the effect of gas burner under different loads, furnace backpressure, excess air coefficients, etc. The results can play great significance on guiding the gas boiler safe and economic operation and was instructive to structure optimization of the gas burner.

Gas Burner Load Furnace backpressure Air excessive coefficient

B

1673－257X(2014)06－20－04

劉峰 (1983～) 男，工程師、檢驗師，從事電站鍋爐檢測和燃燒器性能測試。

2013－11－08）