同濟(jì)大學(xué) 鄧鈺才 馮 良 伊帥帥

全預(yù)混浸沒式燃燒器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和研究

同濟(jì)大學(xué) 鄧鈺才 馮 良 伊帥帥

針對(duì)目前國內(nèi)市場浸沒燃燒器存在的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套燃?xì)馊A(yù)混的浸沒式燃燒系統(tǒng)，將燃燒室置于冷流體中，解決了燃燒室在高溫燃燒的情況下還需要附加冷卻裝置的缺點(diǎn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了測試，分析了在不同水深的情況下全預(yù)混燃燒器的加熱溫度和燃燒情況，測試了CO和NOx排放量等數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和研究全預(yù)混浸沒燃燒器打下了良好的基礎(chǔ)。

浸沒燃燒 全預(yù)混燃燒 浸沒燃燒器 金屬纖維燃燒器

目前，天然氣作為一種清潔能源，越來越得到大家的關(guān)注和重視。使用天然氣作為燃料的浸沒燃燒器也逐步被大家接受。

浸沒式燃燒器可將燃?xì)馊紵螽a(chǎn)生的煙氣直接通入被加熱液體中，減少換熱、能量轉(zhuǎn)輸過程，最大程度的降低了能量的損失，提高了能源的利用率。與傳統(tǒng)的浸沒式燃燒裝置相比，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將燃燒室直接浸入在冷水中，無需額外的冷卻裝置，節(jié)省了材料和空間資源，同時(shí)燃燒室散出的熱量也被加熱液體吸收，最大程度減少了熱量的損失，燃燒器采用燃?xì)馊A(yù)混的方式，其具有燃燒速度快，燃燒效率高，排放低等優(yōu)點(diǎn)。為了防止冷流體回流入燃燒室內(nèi)，對(duì)鼓泡管也進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了防倒流的鼓泡管，保證了設(shè)備平穩(wěn)、安全的運(yùn)行環(huán)境。因此與傳統(tǒng)的浸沒式燃燒器相比，本系統(tǒng)不僅發(fā)揮了浸沒燃燒器原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了能源利用率，節(jié)省了空間資源，降低了污染物排放，解決了傳統(tǒng)浸沒燃燒系統(tǒng)燃燒室設(shè)在液面上方和冷流體倒流等難題，保證了設(shè)備高效穩(wěn)定地運(yùn)行，填補(bǔ)了國內(nèi)對(duì)此類全預(yù)混浸沒式燃燒設(shè)計(jì)和研究的空白。

1 全預(yù)混浸沒燃燒器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

目前針對(duì)浸沒燃燒裝置的研究不多，而將全預(yù)混技術(shù)和浸沒燃燒技術(shù)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)研究在國內(nèi)基本屬于空白，這二者技術(shù)的結(jié)合使本實(shí)驗(yàn)裝置具有燃燒強(qiáng)度大，燃燒速度快，污染物排放低，換熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括了全預(yù)混燃燒器、鼓泡管、浸沒池、氣泵和控制系統(tǒng)等組成部分。其工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理示意

首先，燃?xì)馔ㄟ^燃?xì)獗壤y，在風(fēng)機(jī)的入口處與混合器通入的空氣混合，由于風(fēng)機(jī)入口處的壓力為室外大氣壓，因此燃?xì)獗壤y可以根據(jù)燃?xì)馀c室外大氣壓的壓差直接控制空氣—燃?xì)獾谋壤⑶冶ＷC比例穩(wěn)定。經(jīng)混合后的燃?xì)狻⒖諝饣旌衔镉娠L(fēng)機(jī)吹入金屬纖維燃燒器內(nèi)被點(diǎn)火針點(diǎn)燃，整個(gè)燃燒室浸入在被加熱液體中，處在液面下方。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)沉入水底的鼓泡管，最終通過鼓泡口冒出，與浸沒池內(nèi)的冷流體直接進(jìn)行熱質(zhì)交換，獲得高溫液體，最終經(jīng)過換熱的低溫?zé)煔馀湃氪髿狻Ｈ绻紵魑袋c(diǎn)燃或者熄火時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y，進(jìn)行熄火后吹掃，并報(bào)警，確保燃燒安全。

1.2 燃燒器頭部優(yōu)化設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的浸沒燃燒裝置中，由于排氣的背壓較大，燃燒室內(nèi)燃燒的壓力波動(dòng)也比較大，為了保證不脫火或者回火，燃燒器大多采用擴(kuò)散或大氣式的燃燒方式，但這兩種燃燒方式的污染物排放較高，無法保證燃?xì)獾耐耆紵?。而本?shí)驗(yàn)所采用的燃燒器頭部為自行設(shè)計(jì)的新型全預(yù)混金屬纖維燃燒器，金屬纖維具有耐高溫(1 100 ℃)、機(jī)械強(qiáng)度大、抗氧化等優(yōu)點(diǎn)，此外金屬纖維在垂直方向上為長纖維的點(diǎn)接觸，因而在氣流方向上以纖維絲之間的接觸傳熱為主，熱傳導(dǎo)率比較小，金屬纖維表面即使達(dá)到1 000 ℃，未燃?xì)怏w的溫度仍然很接近混合氣的溫度，能有效的防止回火。因此燃燒器頭部的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，只有設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、符合工藝要求，才能保證系統(tǒng)充分穩(wěn)定地燃燒，避免發(fā)生回火、脫火等現(xiàn)象。

該實(shí)驗(yàn)所采用的燃燒器頭部結(jié)構(gòu)簡單，燃?xì)狻諝饣旌蠚怏w經(jīng)送氣管進(jìn)入頭部，經(jīng)過金屬纖維后在表面燃燒，形成一層淺藍(lán)色火焰。一般金屬纖維的火孔熱強(qiáng)度在1 500~2500 kW/m2，本實(shí)驗(yàn)所選用的金屬纖維網(wǎng)的設(shè)計(jì)面積熱強(qiáng)度約2 000 kW/m2，本次實(shí)驗(yàn)燃燒裝置設(shè)計(jì)最大熱負(fù)荷約為50 kW，故：頭部金屬網(wǎng)總面積：

式中：S——燃燒器頭部金屬網(wǎng)總面積，m2；

Q——燃燒器最大熱負(fù)荷，kW；

qh——金屬纖維網(wǎng)膜火孔熱強(qiáng)度，kW/m2。

經(jīng)過計(jì)算可得，金屬纖維的表面積為0.023 m2，為了保證燃燒器頭部在燃燒室內(nèi)的燃燒強(qiáng)度和穩(wěn)定性，故將金屬纖維表面設(shè)計(jì)為圓柱體的外表面，圓柱體的高和直徑為120×60 mm。燃燒器頭部外形如圖2所示。

圖2 燃燒器頭部結(jié)構(gòu)示意

1.3 浸沒燃燒池的優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用燃燒浸沒池尺寸1 200×400×1 200 mm，材料為不銹鋼鋼板，結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3所示空間為放置加熱鼓泡管的箱體部分。與原有的浸沒池相比，此設(shè)計(jì)有利于加熱鼓泡管直接裝入浸沒燃燒池，便于拆卸移動(dòng)，并且可以在浸沒燃燒池下部加裝滾輪，方便浸沒燃燒池的移動(dòng)和拆卸。

圖3 浸沒燃燒池示意

1.4 加熱鼓泡管的優(yōu)化設(shè)計(jì)

加熱鼓泡管部分包括燃燒室和鼓泡管，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。預(yù)混充分的燃?xì)夂涂諝鈴娜紵黝^部流出并被點(diǎn)火針點(diǎn)燃，在燃燒室內(nèi)燃燒。燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠诠呐莨苤惺芷攘鲃?dòng)，然后經(jīng)過鼓泡管上的鼓泡孔冒出，與冷流體直接進(jìn)行熱質(zhì)交換，最終換熱完成后的低溫?zé)煔馀湃氪髿?。由于本?shí)驗(yàn)裝置使用了金屬纖維表面，其燃燒強(qiáng)度大，表面溫度較高，可以達(dá)到1 000 ℃及以上，如果以傳統(tǒng)的浸沒燃燒器設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)的話，燃燒室一般放置在液面上方，那么燃燒室表面也會(huì)產(chǎn)生幾百度的高溫，長時(shí)間加熱的話，勢必會(huì)對(duì)燃燒室造成損害，并且通過燃燒室也會(huì)散走大量熱量，導(dǎo)致設(shè)備的熱效率下降。因此在本次設(shè)計(jì)中，為了解決上述難題，特將燃燒室浸沒在冷流體中，這樣在燃燒器運(yùn)行時(shí)，燃燒室外表面直接與浸沒池內(nèi)的冷流體直接接觸，外表面溫度大幅下降，既起到了冷卻作用，無需額外的冷卻裝置，并且燃燒室散發(fā)的熱量被冷流體吸收，提高了熱效率。

在燃燒過程中高溫?zé)煔鈴娜紵抑挟a(chǎn)生，并由鼓泡管鼓入冷液體中與之進(jìn)行熱質(zhì)交換，由于燃燒室位置處在液面下方，液面高度產(chǎn)生的背壓較大，燃燒室內(nèi)壓力波動(dòng)比較大，如果無法順利克服液面高度產(chǎn)生的背壓，那么冷液體可能會(huì)由鼓泡管倒流入燃燒室內(nèi)，這就可能對(duì)燃燒工況和設(shè)備造成極大的損害和安全隱患。為了解決此問題，本實(shí)驗(yàn)裝置特將鼓泡管設(shè)計(jì)為凸出狀，使鼓泡管的最高點(diǎn)高出液面。這樣無論壓力如何波動(dòng)，冷流體都無法倒流入燃燒室內(nèi)，保證了燃燒的穩(wěn)定進(jìn)行。同時(shí)為了增強(qiáng)換熱效果，鼓泡管全部浸入冷流體底部。由于是氣體與液體直接接觸換熱，鼓泡管產(chǎn)生的氣泡充分沸騰和對(duì)被加熱液體的攪拌都有利于加強(qiáng)換熱效果。鼓泡孔的數(shù)量越多，產(chǎn)生的氣泡數(shù)量越多，翻滾和攪拌的強(qiáng)度越大，越有利于換熱的進(jìn)行，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致燃燒時(shí)的壓力不穩(wěn)定。同時(shí)，鼓泡孔徑越小，產(chǎn)生的氣泡越小，在冷流體中停留的時(shí)間越長，越有利于換熱過程的進(jìn)行，但這樣又會(huì)增加排氣背壓。因此必須合理設(shè)計(jì)鼓泡孔的直徑和鼓泡孔的數(shù)目，才能保證換熱的順利進(jìn)行。

圖4 加熱鼓泡管結(jié)構(gòu)示意

1.5 風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)

在本實(shí)驗(yàn)中，由于需要研究不同功率下的燃燒狀況，因此需要控制燃燒器的功率來實(shí)現(xiàn)燃燒溫度的改變，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過改變變頻器和變頻氣泵的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率達(dá)到控制上述參數(shù)的目的。變頻氣泵采用的的是單段漩渦氣泵，功率為0.85 kW，排氣量為145 m3/h，排氣壓力為16 kPa。

本實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)主要為燃燒設(shè)備的自動(dòng)控制，其中主要為自動(dòng)點(diǎn)火控制、離子火焰探測控制、開關(guān)和功率調(diào)節(jié)控制及防爆安全控制。最終選用上海梅蒂公司生產(chǎn)的DFC—1燃燒控制器。DFC—1燃燒控制器可以檢測火焰信號(hào)，從而控制電磁閥的啟閉，由電磁閥上伺服閥控制燃?xì)獾牧髁?，?shí)現(xiàn)裝置高效安全的運(yùn)行。

2 燃燒性能測試與分析

2.1 熱效率的計(jì)算和分析

本實(shí)驗(yàn)采用的天然氣表壓力為3 kPa，熱值為34.2 MJ/m3，相對(duì)密度為0.594，水作為被加熱流體，初始溫度為23 ℃，密度為0.997 kg/m3。本次實(shí)驗(yàn)測定了系統(tǒng)在不同功率和不同水深下熱效率的變化情況，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

熱效率是指用于被加熱液體溫度升高的熱量占燃料燃燒輸入總熱量的百分比，可用來衡量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中燃料燃燒釋放的熱量最終被利用的程度。加熱效率表達(dá)式如下：

式中：η——加熱效率；

Q——液體在被加熱時(shí)間內(nèi)吸收的熱量，MJ；

QF——燃?xì)獾臒嶂担籑J/m3；

VF— —加熱時(shí)間內(nèi)燃?xì)獾南牧浚琺3。

根據(jù)上式和測量數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱效率進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同浸沒深度和不同燃燒功率下的熱效率

由表1計(jì)算數(shù)據(jù)可看出，浸沒深度從550 mm增加到650 mm，隨著浸沒深度的增加，熱效率也隨之增加。這說明當(dāng)浸沒深度增加時(shí)，高溫?zé)煔庠谒型Ａ舻臅r(shí)間變長，煙氣與水的熱質(zhì)交換更加充分，因而熱效率就越高。但同時(shí)也應(yīng)該注意到隨著浸沒深度的增加，熱效率的增加趨勢明顯變小，這說明再單純的增加浸沒深度時(shí)，熱效率不再會(huì)增長如此明顯，而是會(huì)趨于一定值。

2.2 排放水平分析

表2列出了不同浸沒深度和不同水深下的排放數(shù)據(jù)，可以看出此加熱系統(tǒng)的有害氣體成分CO、NO排放濃度很低，均在39×10-6以下，排放水平基本不受功率和水深的影響，可以一直穩(wěn)定在很低的水平，證明燃燒器在不同工況下的燃燒運(yùn)行十分穩(wěn)定，各種指標(biāo)完全符合國家的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同浸沒深度和不同燃燒功率下的排放數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

(1)此系統(tǒng)改進(jìn)了原有的浸沒燃燒技術(shù)，減少了換熱過程的熱量損失，提高了能源利用率。同時(shí)設(shè)備易于搬卸，便于移動(dòng)，降低了使用成本。

(2)本實(shí)驗(yàn)裝置采用全預(yù)混金屬纖維燃燒技術(shù)，具有燃燒效率高，熱強(qiáng)度大，排放低等優(yōu)點(diǎn)，為以后的浸沒燃燒技術(shù)提供了新思路和發(fā)展方向。

Optimal Design and Research on Submerged Burner with Fully Premixed Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Deng Yucai Feng Liang Yi Shuaishuai

Based on the current situation of submerged burner in China, a submerged combustion system with gas fully premixed has been designed. In this system, the heating room is put into cold fluid, so it does not need any extra cooling device during burning situation. Meanwhile, the experimental device has been tested, heating temperature and combustion situation at different water depth have been analyzed, and the CO and NOxemissions datum have been tested. These give the base to the further design and research on submerged burner with fully premixed.

submerged combustion, fully premixed combustion, submerged burner, metal fiber burner