7.1 工业炉用燃烧装置——燃烧装置在线视频

同学们好

我是来自武汉科技大学

材料与冶金学院的许学成

今天开始 我们进行第七章

工业炉用燃烧装置与燃烧新技术

这一章的学习

通过前面的课程

我们知道

要实现工业炉内的热工过程

我们需要借助于燃料来提供能量

那么 如何将燃料的化学能

转化为实现工业炉内热工过程热能

燃料在化学能转化为热能的过程

是否就像我们单纯理解的那样

将燃料和空气进行混合

然后点燃就可以了呢

为了回答这些问题

本章将从以下两个方面展开

第一 是燃烧装置

第二 是燃烧新技术

首先 我们进行燃烧装置

这一小节的学习

燃烧装置是指

用来实现燃料 燃烧过程的

一种装置

也就是用来实现燃料的化学能

转化为热能的装置

通常 我们又称之为燃烧器

或者说是烧嘴

按照燃料介质的种类不同

烧嘴可以分为燃气烧嘴

燃油烧嘴和燃煤烧嘴

对于目前的工业炉窑生产来说

燃气烧嘴是主流的烧嘴

其他两种烧嘴的使用量

相对比较少

所以 下面我们主要介绍燃气烧嘴

燃气烧嘴是目前工业炉窑生产中

使用规模最大的一种烧嘴

它的分类方式比较多

具体的分类方法

我们在学习燃烧学这门课程的时候

已经有所涉及

大家也可以参考本课程的PPT

虽然分类方式比较多

但是它的名称还是比较清晰易懂的

下面我们挑选一些常见的烧嘴

进行一下简单的介绍

首先 是直焰烧嘴

它属于扩散式燃烧

从这幅图中我们可以看出

空气和燃气的喷射角度是接近平行

二者在炉内是边混合边燃烧

火焰长并且直

这种烧嘴在轧钢加热炉上面

应用比较多

它有以下主要特点

第一 燃烧速度慢

在比较长的火焰范围内

燃料还没有燃尽

因此 它的火焰黑度是比较大的

黑度大是有利于炉内换热的

第二 是扩散式的燃烧方式

它是不会回火的

因此 空气和燃气的预热温度

就没有限制

第三 调节比比较大

即使能源介质的工矿出现一定波动

它仍然能够正常工作

因此 它适应恶劣环境的能力

是比较强的

下一个是调焰烧嘴

这种烧嘴也属于扩散式燃烧

它是对我们前面所讲的

直焰烧嘴的一种升级改进

从结构上我们可以看到

它引入了二次风

一次风牵引部分燃气

在烧嘴内混合燃烧

然后二次风再喷入炉内

将剩下的燃气燃烧完成

在使用过程中

我们可以通过调节一次空气

和二次空气的比例

来调节火焰长度

这种烧嘴除了具备直焰烧嘴的

优点之外

还具备另外两个优点

一 是火焰可调

火焰可调就使得这种烧嘴

适应工矿的范围比较广

第二是通过引入二次风

降低了火焰区的最高温度

带来的直接好处是氮氧化物的排放

会有所降低

因此 它的环保效果是比较好的

下一个是平焰烧嘴

这种烧嘴也属于扩散式燃烧

从图中我们可以看到

空气和燃起的喷射角度

是有一定的交叉

并且是有一定的旋转的

因此 它的混合效果就比较好

点火之后

在烧嘴砖内部就能够燃烧完全

从视觉上来看

它喷出的不是一个直直的火焰

而是紧贴着炉墙 或者是炉顶

向四周均匀伸展的圆盘形薄层火焰

这种烧嘴可以将炉顶

或者是炉墙内表面

均匀加热到很高的温度

然后 就会形成辐射能力很强的

炉顶和炉墙

因此 它会具有以下优点

一 是能够形成温度比较均匀的

加热源

尤其适用于对炉温均匀性要求

比较高的场所

第二是火焰比较短

它适用于加热工件

不能与明火接触的场所

第三 是由于炉墙或者是炉顶

能迅速被加热到比较高的温度

因此 它在炉内传热速度快

使得物料的加热速度也比较快

我们可以扩大产量 节约燃气

第四 是由于平焰烧嘴的炉子

它的负压区是在火焰的中心处

而沿炉壁四周都是一些正压区

所以炉子的压力分布是比较均匀的

而且在防止冷风吸入这方面

有很好的效果

下一个是无焰烧嘴

它是属于预混式燃烧

从结构上来说

煤气和空气在进入炉子之前

就已经混合均匀了

整个的燃烧过程

在烧嘴砖内部就可以结束了

火焰特别短

甚至我们是几乎看不到火焰的

这种烧嘴除了具备平焰烧嘴的

优点之外

还具备一个突出的优点

就是由于空气和燃气

在燃烧之前已经混合均匀

所以 它的燃烧效率是比较高的

但是 由于是属于预混燃烧

这种烧嘴是容易回火的

空气和燃气预热温度也是有限的

下一个是大气烧嘴

这是一种比较简单的烧嘴

最常见的例子就是家用的燃气灶

它的特点是燃气燃烧需要的空气

一部分是由燃起进入烧嘴的时候

从环境中吸入的

另一部分空气

就是在火焰产生的地方

从环境中直接吸入

这种烧嘴最大的优点是助燃空气

直接从大气环境中就可以获得

因此 它不需要设置助燃风机

整个燃烧系统都比较简单

比较适合一些低温 敞开

或者说对加热工艺要求

不是特别高的场所

下一个是高速烧嘴

它也属于扩散式燃烧

高速烧嘴顾名思义

这种烧嘴的燃烧产物喷出的速度

是非常高的

可以达到100到300m每秒

由传热学的知识我们可以知道

速度越高

炉内的气流扰动就越强烈

所以 对流传热系数就越高

因此 这种烧嘴我们可以实现

炉内比较高的传热系数

最终 它能够达到快速加热的目的

从结构上来说

这种烧嘴实现高速的基本原理

就是通过来强化空气和燃气的

混合效果

使得燃气在烧嘴端的前半部分区域

就已经实现了完全燃烧

燃气释放的热量可以充分加热

燃烧产物

燃烧产物受热就会产生热膨胀

热膨胀之后

它从烧嘴端出口喷出的体积流量

就会增大

这样就能够实现高速喷出

我们前面讲的几种烧嘴

都是在出烧嘴砖的时候

燃气恰好燃尽

或者说已经部分燃尽

而高速烧嘴则不同

它的燃气在烧嘴端的前半部分

就已经燃尽了

这是一种结构上的区别

目前 这种烧嘴在各类热处理炉上

都有着广泛的应用

下一个是自身预热烧嘴

它属于扩散式燃烧

这种烧嘴又称为换热器烧嘴

是因为它把烧嘴和换热器

联合成为了一个整体

它可以充分的回收烟气余热

来预热空气

由图我们就可以看到

这种烧嘴燃烧后的烟气

是通过烧嘴本身排出的

烟气通过烧嘴本身自带的换热器

就可以将热量传递给空气之后排出

这种烧嘴会有以下几个突出优点

第一 由于回收了烟气余热

并且预热空气的效果

比常见的集中式换热器要好很多

因此 它的节能效果是非常突出的

第二 预热空气的温度是更高

常见的这种集中式换热器

空气的预热温度

一般最高在500摄氏度左右

而这种烧嘴空气是可以预热到

800摄氏度

由于空气的预热温度比较高

因此 它能够适应燃料的热值范围

比较广

第三 这种燃烧器在设计的时候

一般都会有一部分烟气

回流到燃烧区

这是我们通过结构来实现的

这样 就能够有效的降低

燃烧区的峰值温度

产生的效果就是氮氧化物的排放

比较低

所以 这是一种节能减排的烧嘴

下一个烧嘴是辐射管烧嘴

它也属于扩散式燃烧

这种烧嘴一般适用于

燃烧产物与被加热的工件

不能够接触

这样的一种场所

所以 从这个图中 我们就可以看到

烧嘴的出口连接在

是有一个管道的

这个管道就叫做辐射管

烧嘴产生的燃烧产物

通过加热辐射管

来间接的加热工件

所以 这种烧嘴燃烧产物

全程是不与工件接触的

这种烧嘴在炉内的传热

是以辐射管的辐射传热式为主的

从优点上来说

这种烧嘴有以下几个突出优点

第一 由于燃烧产物不引入炉内

因此 炉内的气氛就非常方便

控制和调节

第二

我们可以通过调节辐射管的分布

来调节炉温

因此 我们想调节炉温的话

就更加的便捷

第三 便于在烧嘴本体集成

余热回收装置 如换热器

这样 它的热效率比较高

节能效果也比较好

下面这几幅图展示了辐射管烧嘴

在炉内工作以及使用辐射管烧嘴的

大型工业炉

总之 这种烧嘴的优点是比较多的

一般适用于一些加热要求

比较高的场所

前面我们介绍了几种比较典型烧嘴

我们可以看出

烧嘴的种类是多种多样的

而不同的应用场合

所使用的烧嘴也是不同的

因此 我们在各种工业炉窑的设计

以及这种工业炉窑的运行管理中

我们都会面临一个问题

也就是我们如何选择合适的烧嘴

所以 接下来

我们来介绍一下

在烧嘴选型时需要注意的几个问题

在烧嘴选型时

我们尤其需要注意以下几个因素

第一 燃料的种类与热值

同学们都有这样一个常识

我们在商场购买燃气灶的时候

销售人员一般都会问

我们家中的燃气是天然气

还是液化气

然后 他会根据我们所说燃气种类

有什么不同

然后卖给我们相应的燃气灶

烧嘴选型也是一样

这是因为不同的地区

不同的企业

他们的燃料种类和热值

一般是不同的

因此 这种烧嘴设计者

他们在设计烧嘴的时候

也会根据燃气的种类

和燃气的热值对烧嘴的结构

进行相应的变化

我们选型时一定要注意这个变化

第二 单台燃烧装置的负荷

这里的负荷是指单台烧嘴

单位时间内燃烧的燃料量

对于一台工业炉窑

被加热工件数量不同

使得单位时间消耗的燃料量也是不同

一定的燃料量到底是由多少台烧嘴来承担呢

这是烧嘴选型不容忽视的

一个关键问题

它会影响工件的加热质量

和加热效率

作为类比

我们假设这样一个场景

比如 房间的照明问题

如果我们消耗相同的电量

使用一个高功率的灯来照明

和如果我们使用多个低功率的灯

分散在房间不同的位置进行照明

如果我们从房间

光线均匀性的角度来看

肯定是灯的数量越多越均匀

烧嘴数量的选择也是如此

当然 这里我们应该注意

烧嘴的数量并非越多越好

因为 我们还要考虑造价

管道的复杂程度

以及各种减震仪表的复杂程度

等等问题

第三 烧嘴前的空 煤气压力

这一条主要是考虑

烧嘴的使用环境中

气源压力的问题

对于某些结构复杂的烧嘴

气体在烧嘴内部

通过的时候阻力损失是比较大的

如果气源的压力太低

烧嘴的燃烧效果就会大大降低

第四 我们要考虑烧嘴的供风方式

烧嘴的供风方式主要有两种

一种是采用鼓风机强制鼓风

第二是采用引射器从大气环境中

来吸风

在目前的工业生产中

我们基本都是以鼓风机

强制鼓风为主的

第五 我们要考虑的是加热方式

这个加热方式主要是指

直接加热和间接加热

我们前面讲过的辐射管烧嘴

它就是间接加热的一个例子

这种选择方式

它的主要出发点就是看

燃烧产物能不能够直接以工件

进行接触

第六 是点火与火焰监测方式

在现代工业化生产中

自动点火自动监测火焰

它是最基本的要求

具体的点火方式和火焰监测方式

是烧嘴设计的一个具体内容

我们在这里仅仅做一下简单介绍

所谓自动点火

目前的主流方式就是通过高电压

来作用于一个金属电极

金属电极就会产生电火花

然后 利用这种电火花来点燃燃气

有点类似于汽车的火花塞

来启动汽车这个过程

所谓的自动检测火焰

它是指在炉窑的生产过程中

远程监控系统要时刻能够监控到

烧嘴是不是正常工作

一旦烧嘴熄火了

我们要第一时间把燃气源给切断

这样的话

我们就可以避免燃气不断进入炉内

产生爆炸等安全事故

目前的火焰监测

主要有两种手段

第一 是将金属电极

深入火焰的电离层 检测电流值

当检测不到电流值我们就表示

火焰已经熄灭了

我们就要将燃气及时切断

第二 是采用UV探头

来检测火焰燃烧时产生的紫外线

如果我们这个探头检测不到紫外线

就表示火焰熄灭了

也要立即把燃气源进行切断

第七 我们要考虑安装方式的问题

因为烧嘴在工作过程中

每过半年或者是一年

都需要进行维修

当我们维修几次之后

可能还要更换新的烧嘴

所以 烧嘴要便于安装和便于拆卸

这样就能够降低现场的劳动强度

同学们

烧嘴是工业生产的关键设备之一

是实现加热工艺的核心设备

希望通过这次课的学习

让大家认识到烧嘴这个装置里面

所包含的科技之美

这次课我们就讲解到这里

谢谢大家