端部出火的全預(yù)混燃燒器氣流分布問題的研究

劉文濤  楊艷

山東愛客多熱能科技有限公司，泰安271000

中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司城市燃氣熱力研究院，天津 300384

摘要：本文通過對不同燃燒器不銹鋼板開孔尺寸及形式的改進以及內(nèi)部擋板形式的仿真對比及測試，改善了燃燒器表面混合氣體的氣流分布，為后續(xù)開發(fā)使用該類型燃燒器的燃氣熱水爐、提高產(chǎn)品使用壽命、提高產(chǎn)品穩(wěn)定性提供理論依據(jù)與方法借鑒。

關(guān)鍵詞：全預(yù)混；燃燒器；結(jié)構(gòu)；氣流分布；

引言：隨著國內(nèi)對節(jié)能環(huán)保的要求越來越嚴(yán)苛，尤其是鍋爐行業(yè)氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)出臺后，大多數(shù)面臨排放不達標(biāo)的問題，以高效節(jié)能為亮點的全預(yù)混燃燒冷凝式爐，已成為當(dāng)前國內(nèi)供暖市場的未來趨勢。完全預(yù)混式燃燒具有燃燒速度快和單位容積熱強度高等特點，并在空氣系數(shù)較低的情況下，燃燒后的污染物排放量都很低，所以成為燃氣鍋爐中節(jié)能減排燃燒方式的發(fā)展趨勢。

01

全預(yù)混燃燒器

全預(yù)混燃燒時指燃氣和空氣在著火前預(yù)先按照一定比例均勻混合，達到燃燒區(qū)后混合物不再與外部空氣發(fā)生燃燒，瞬間燃燒完畢，所以火焰很短甚至看不見，又稱無焰燃燒。但全預(yù)混燃燒的火焰穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生回火現(xiàn)象，所以在設(shè)計全預(yù)混燃燒器時，需要考慮盡可能使燃氣與空氣混合均勻使其氣流速度場均勻，并保證在最低負荷下的氣流速度大于火焰的傳播速度，因此設(shè)計合適的燃燒器結(jié)構(gòu)是非常重要的。

目前市場上的全預(yù)混燃燒器空氣和燃氣的混合方式主要有風(fēng)機前預(yù)混和風(fēng)機后預(yù)混兩種方式。

圖1 前預(yù)混和后預(yù)混方式

燃燒頭方式主要包括金屬纖維燃燒頭、水冷燃燒頭、沖孔金屬板燃燒頭，陶瓷纖維燃燒頭等。金屬纖維燃燒頭是在不銹鋼沖孔圓筒的表面加上金屬纖維編織物，燃氣與空氣的混合物透過金屬纖維表面均勻滲出后被點燃，形成非常薄的一層藍色火焰，由于金屬纖維的阻力作用和湍流耗散作用，小孔射流被分散而導(dǎo)致速度逐漸降低，進而影響駐定火焰形態(tài)，預(yù)混氣體出流表面積更大，火焰隨之變化而具有更大的燃燒面積，局部單位體積的熱釋放率更小，使火焰最高溫度得以有效降低從而使得氮氧化物等排放量極低。

金屬纖維燃燒頭的形狀主要包括：平板式、圓柱形、及圓柱加端部出火形式。端部出火結(jié)構(gòu)因三面出火，容積熱強度大，允許更小的燃燒室設(shè)計，適合于單回程的火管鍋爐結(jié)構(gòu)。

圖2 端部出火燃燒頭結(jié)構(gòu)圖

02

燃燒頭氣流分布不均勻的危害

燃燒頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致氣流分布不均勻的情況會造成以下問題：

①燃燒噪聲

回火是引起燃燒噪聲的主要原因，在燃燒頭內(nèi)部氣流分布不均勻或者燃燒負荷下降時，會導(dǎo)致局部可燃混合器的流速降低，混合氣流速度低于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，則引發(fā)回火，回火條件分析見圖，回火會引起燃燒時的噪聲，同時可能燒壞燃燒器。

圖3 回火條件分析

1、 引發(fā)回火時的混合氣流速度 

2、回火極限時混合氣流速度

3、火焰穩(wěn)定燃燒時混合氣流速度  

4、火焰?zhèn)鞑ニ俣?/p>

②點火成功率低、爆燃傾向

燃燒頭表面氣流分布不均勻會導(dǎo)致局部燃燒的情況出現(xiàn)，很有可能導(dǎo)致在火焰感應(yīng)針的位置沒有火焰或者火焰強度極小，會出現(xiàn)感應(yīng)針感應(yīng)不到火焰，出現(xiàn)點火困難或者爆燃等問題。

③影響設(shè)備壽命

燃燒頭長期處于不均勻燃燒狀態(tài)，會造成局部的燃燒強度大，換熱強度大，會加速燃燒頭及換熱器的老化并導(dǎo)致?lián)p壞等。

圖4 改善前的燃燒頭氣流分布情況

03

解決辦法及模擬結(jié)果

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整不銹鋼開孔尺寸及數(shù)量，或者改變氣流的擾流狀態(tài)，在燃燒頭內(nèi)部增加擾流板等方式可以改善內(nèi)部的氣流分布情況。

1、 調(diào)整內(nèi)筒不銹鋼板的開孔尺寸及數(shù)量：圓筒側(cè)壁位置開孔形式為長條孔，端部位置調(diào)整為圓孔，中心位置開孔尺寸偏小，四周位置開孔尺寸偏大。

圖5 調(diào)整后不銹鋼開孔情況

圖6 調(diào)整后仿真氣流分布效果

2、增加圓形隔板：氣流經(jīng)過鈍體會形成擾流，鈍體后方壓力變低，會產(chǎn)生回流旋渦。

圖7 增加圓形隔板的氣流分布情況

3、 增加均孔板：進入燃燒頭的氣流均勻分布，可改善內(nèi)部的氣流狀態(tài)

圖8 增加多孔均流板的氣流分布情況

04

測試驗證

 根據(jù)以上改進方案，制作樣機測試，通過測試發(fā)現(xiàn)，對燃燒頭氣流分布不均勻問題有了很大改善，火焰高度相同、燃燒火焰很穩(wěn)定，無局部燃燒現(xiàn)象。

圖9 改善后的燃燒狀態(tài)

05

結(jié)語

通過對端部燃燒的金屬纖維燃燒頭的測試，了解到氣流分布不均勻?qū)θ紵^影響和危害，并提供了相應(yīng)的解決方案：

1、 改善不銹鋼板開孔的形式以及尺寸和數(shù)量，使得燒頭表面氣流分布更加均勻。

2、 增加擾流板來改善進入燃燒頭的氣流情況。

3、 采用圓形隔板和多孔式均流板都能起到一定效果，應(yīng)考慮不同擾流方式對壓降的影響。

參考文獻：

（1）黃志甲，張旭，胡國祥，金屬纖維燃燒器系統(tǒng)阻力特性的實驗研究。動力工程學(xué)報，2003,23（4）。

（2）同濟大學(xué)，重慶大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，等，燃氣燃燒與應(yīng)用，4版，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011。

（3）夏昭知，伍國福，燃氣熱水器，重慶，重慶大學(xué)出版社，2022.

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