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高速氣體天時燃燒器的研制

2019-09-17

高速氣體天時燃燒器是現代燃燒技術在工業燃燒器產業的體現,其出口處高溫燃燒產物的噴射速度可達100 m/s~300 m/s,具有節能、高效、火焰動量可控等技術優勢,在發達國家已經廣泛地應用在航空、鋼鐵、化工、輕工等行業的各種加熱爐上。我國在80年代引進此項技術,并有一些仿制的產品投入市場,但是由于其成本高、耐火材料內襯易壞、使用壽命短,影響了推廣。

高速氣體燃燒器是一種把燃料的化學能轉換成燃燒產物的勢能和動能的裝置,液體火箭發動機是一種把推進劑的化學能轉換成燃燒產物的熱能和動能的裝置,兩者在工作原理上有相似之處。利用在液體火箭發動機研制方面的豐富經驗,開發研制了一種全金屬結構,采用再生冷卻的高性能的高速氣體燃燒器。

1.1 高速氣體燃燒器的技術特點

a) 精確組織燃燒,燃燒效率99.9%;
b) 寬運行工況:熱負荷調節比1∶20, 空氣系數0.5~10;
c) 采用分級燃燒,有害氣體(NOx)排放符合國家環保標準;
d) 具有煙氣引射回流功能,可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內;
e) 全金屬結構,連續使用壽命3年。

1.2 高速燃燒器提高換熱效率的機理

在傳統的工業爐設計中,燃燒器的火焰速度大約為每秒幾米,當燃燒產物溫度在600 °C~800 °C時,爐內對流換熱與輻射換熱各占50%;在燃燒產物溫度為800 ℃以上時,以輻射換熱為主;在燃燒產物溫度達到1 400 ℃時,輻射換熱是對流換熱的10倍,所以大部分爐窯設計中,是以輻射換熱為基礎。但是在采用高速氣體燃燒器后,即使在高溫區,爐內被強化的對流換熱在綜合換熱中所占的比重大大提高,具體說明如下。

采用普通燃燒器時,火焰速度低,燃燒產物在被加熱物表面的流動為層流,層流的對流換熱系數為

h1-Nu*λ/d

式中 努謝爾特數Nu=0.332Pr1/3*Re1/2;Pr為普朗特數;Re為雷諾數;λ為氣體的導熱系數;d為流道當量直徑。

采用高速氣體燃燒器, 火焰噴射速度高(100 m/s~300 m/s),被加熱體表面流動以紊流為主,紊流附面層局部放熱系數為

h2=Nu*λ/d

式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)

設加熱爐內腔尺寸為6.45m×2.3m×2.9m,燃燒產物溫度為1 790 ℃,被加熱體溫度為900 ℃。

采用普通燃燒器,燃燒產物流速為5 m/s時,燃燒產物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為

q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/h*m2

采用高速氣體燃燒器,燃燒產物流速為150 m/s時,燃燒產物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為

q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/h*m2

q2是q1的4倍。

國外曾就輻射加熱爐和高速對流加熱爐進行過比較試驗,在0 ℃~1 200 ℃的加熱過程中,輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的6倍,在750 ℃~1 200 ℃的加熱過程中,輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的10倍。

1980年,國內引進高速氣體正英燃燒器在井式加熱爐上進行技術改造,原有的輻射加熱爐從0 ℃~650 ℃升溫需要24 h,而采用了高速氣體燃燒器的加熱爐從0 ℃~650 ℃升溫只需4 h,并且燃料消耗量也由于采用了高速氣體燃燒器可以節省25%~30%。

在油田,用高速氣體燃燒器改造成三合一加熱爐,加熱效率提高了1倍,而燃料消耗量節約了20%。

高速氣體燃燒器的燃燒產物高速沖進加熱爐內,攪動多倍的爐內氣體隨之摻混,可以大大提高爐內溫度均勻度。國外一家工廠用高速氣體燃燒器改造加熱爐后,爐內溫度均勻度可由±15 ℃提高到±2 ℃。國內井式加熱爐采用高速氣體燃燒器后,爐溫均勻度達到±7 ℃。

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