油气燃烧器主要结构型式及运行性能(锅炉)

zyy8371 · 发表于 2008-12-4 14:06:34

油气燃烧器主要结构型式及运行性能

油气燃烧器是一种将油气燃料和空气按规定的比例、速度和混合方式送入炉膛进行及时着火和高效、清洁燃烧的装置。这种装置一般设有自动点火、火焰监视和自动调节装置的全自动燃烧器。目前我国工业炉窑领域采用的油气燃烧器绝大多数都是这种属于全自动燃烧器。

油气燃烧器是油气工业炉窑最重要的关键设备。按燃用的燃料可分为油燃烧器和燃气燃烧器；也有具备燃用两种不同燃料（燃油及燃气或两种不同的燃气）功能的双燃料燃烧器，如油气两用燃烧器等。

油燃烧器主要由油喷嘴（雾化器）和调风器等组成；燃气燃烧器则主要由燃气喷管或喷孔及调风器组成。

§3.1 燃烧器的基本要求[35]

为适应炉内燃烧过程的需要，确保锅炉等设备安全可靠、高效经济和低污染排放下运行，燃烧器应具有下列主要技术性能：

（1）高的燃烧效率

为确保运行高的燃烧效率，对于燃油燃烧器要求在一定的运行调节范围内，具有良好的雾化性能即：燃料油经雾化后的油滴群中油滴粒度细而均匀，雾化角适当，油雾沿圆周的流量密度分布与配风一致，油雾与空气的混合良好等。

对于燃气燃烧器在额定燃气压力下，应能通过额定燃气量并将其充分燃烧，以满足锅炉额定热负荷的生产。

（2）合理地配风，保证燃料燃烧稳定、完全。

在雾化炬的根部应及时地供给适量空气，防止油气因高温缺氧而热解为碳黑；在燃烧气流出口处应形成一个大小适中，位置恰当的回流区，使燃料与空气处于较高的温度场中，以保证着火迅速及稳定；在燃烧的中后期要使空气与油雾混合迅速均匀，确保燃烧完全，并使燃烧烟气中生成的有害物质(CO、Nox等)越少越好。

（3）燃烧火焰形状及长度应与炉膛相适应，火焰充满度好，火焰温度与黑度都应符合炉窑的要求。不应使火焰冲刷炉墙、炉底及出口窗处的对流受热面。

（4）调节性能好。燃烧器应能适应炉窑负荷的调节需要，即在炉窑最低负荷至最高负荷之间，燃烧器都能稳定工作，不发生回火和脱火。

（5）喷嘴在雾化时所消耗的能量越少越好。

（6）调风装置的阻力小，运行噪声小。

（7）点火和运行调节等操作方便，安全可靠。

（8）结构简单、紧凑，运行可靠，自动化程度高，维修方便。

油气锅炉及炉窑燃烧工况的好坏，主要取决于燃烧器的运行性能。油燃烧器雾化质量不好或配风不合理将会造成以下不良影响：

（1）燃烧不完全，污染锅炉尾部受热面，排烟温度上升，甚至造成二次燃烧。

（2）可燃气体未完全燃烧热损失增加。

（3）可燃固体未完全燃烧热损失增加。

（4）油燃烧器出口或炉膛中结焦。

（5）出现熄火、打炮甚至炉膛爆炸等事故。

§3.2 燃烧器主要结构型式[35-39]

§3.2.1 燃油燃烧器

燃油燃烧器按油雾化器（或称油喷嘴）的型式分类如下：

有时将转杯雾化器称为组合式雾化器，它是机械雾化与介质雾化的组合型式。

各种常用燃油雾化喷嘴的特性见表3-1。

1．油简单压力雾化喷嘴

简单压力雾化喷嘴的进油压力一般为2～5MPa，运行过程中的喷油量是通过改变进油压力来调节的，但进油压力降低会使雾化质量变差，因此负荷调节范围受到限制，这种喷嘴的最大负荷调节比为1：2。

图3-1为切向槽式简单压力雾化喷嘴，主要由雾化片、旋流片、分流片构成。由油管送来的具有一定压力的燃油，先经过分流上的几个进油孔汇合到环形槽中，

图3－1 切向槽式简单压力雾化喷嘴

1－雾化片 2—旋流片 3—分流片

表3-1 常用燃油雾化喷嘴特性比较表

注：目前大多数燃油锅炉采用机械雾化、低压空气雾化、蒸汽雾化和转杯雾化。

再进入旋流片上的切向槽，获得很高的速度后，以切向流入旋流片中心的旋流室，燃油在旋流室中产生强烈的旋转，最后从雾化片上的喷口喷出，并在离心力作用下迅速被粉碎成许多细小的油粒，同时形成一个空心的圆锥形雾化炬。

2.回油式压力雾化喷嘴

回油式压力雾化喷嘴如图3-2所示，其结构原理与简单压力雾化喷嘴基本相同。它们的不同点

图3-2 回油式压力雾化喷嘴

1--螺母 2—雾化片 3—旋流片 4—分油嘴5—喷嘴座 6—进油管 7—回油管

在于回油式压力雾化喷嘴的旋流室前后各有一个通道，一个是通向喷孔，将燃油喷向炉膛，另一个则是通向回油管，让燃油流回流到储油罐。因此，回油式压力雾化喷嘴可以理解为是由二个简单压力雾化喷嘴对叠而成。在油喷嘴工作时，进入油喷嘴的油被分成喷油和回油两部分。理论和试验表明，当进油压力保持不变时，总的进油量变化不大。因此只要改变回油量，喷油量就自行改变。回油式压力雾化喷嘴也正是利用这个特性来调节负荷的。显然，当回油量增大时，喷油量相应减少，反之亦然。同时，因这时进油量基本上稳定不变，油在旋流室中的旋转强度也就能保持，雾化质量就始终能得保证。这种喷嘴的负荷调节比可达1：4。

图3-3 转杯式喷嘴

1- 空心轴 2- 旋杯 3- 次风导流片4 次风机叶轮5 电动机6 传动轮7 轴承Ⅰ 次风 Ⅱ 二次风

3. 转杯式喷嘴

转杯式喷嘴如图3-3所示，它的旋转部分是由高速（3000～6000r/min）的转杯和通油的空心轴组成。轴上还有一次风机叶轮，后者在高速旋转下能产生较高压力的一次风（2.5～7.5kPa）。转杯是一个耐热空心圆锥体，燃油从油管引至转杯的根部，随着转杯的旋转运动沿杯壁向外流到杯的边缘，在离心力的作用下飞出，高速的一次风（40～100m/s）则帮助把油雾化得更细。一次风通过导流片后作旋转运动，旋流方向与燃油的旋转方向相反，这样能得到更好的雾化效果。

转杯式喷嘴由于不存在喷孔堵塞和磨损问题，因而对油的杂质不敏感，油粘度也允许高一些。这种喷嘴在低负荷时不降低雾化质量，甚至会因油膜减薄而改善雾化细度，因此调节比最高，可达1：8。转杯式喷嘴雾化油粒较粗，但油粒大小和分布比较均匀，雾化角较大，火焰短宽，进油压力低，易于控制。其最大缺点是由于它具有一套高速旋转机构，结构复杂，对材料、制造和运行的要求较高。

4.高压介质雾化喷嘴

高压介质雾化喷嘴利用高速喷射的介质（0.3～1.2MP a的蒸汽或0.3～0.6Mpa的空气）冲击油流，并将其吹散而使之雾化。该型喷嘴可分为内混式（图3-4）和外混式（图3-5）两种，这种喷嘴结构简单运行可靠，雾化质量好而且稳定，火焰细长（2.5～7m），调节比很大，可达1：5，对油种的适应性好。但耗汽量大，有噪音。

图3-4 内混式蒸汽雾化喷嘴

图3-5 外混式蒸汽雾化喷嘴

图3-6 低压空气雾化喷嘴

低压空气雾化喷嘴如图3-6所示。燃油在较低压力下从喷嘴中喷出，利用速度较高的空气从油的四周喷入，将油雾化。所需风压约为2.0～7.0kPa，这种喷嘴的出力较小，一般用于喷油量在100kg/h以下。它的雾化质量较好，能使空气部分或全部参加雾化，火焰较短，油量调节比大，在1：5以上，对油质要求不高，从轻油到重油都可燃烧，能量消低,系统简单，适合用于小型锅炉。

§3.2.2 燃气燃烧器

1. 燃气燃烧器的分类

燃气燃烧器的类型很多,分类方法也各不相同, 要用一种分类方法来全面反映燃烧器的特性是比较困难的。现介绍几种常用的分类方法：

(1) 按燃烧方法分类

1) 扩散式燃烧器：燃烧所需的空气不预先与燃气混合，一次空气系数file:///C:/Users/%E6%B1%9F%E5%8D%97/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif1=0;

2) 大气式燃烧器：燃烧所需的部分空气预先与燃气混合，一次空气系数file:///C:/Users/%E6%B1%9F%E5%8D%97/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif1=0.2～0.8;

3) 完全预混式燃烧器：燃烧所需的全部空气预先与燃气充分混合，其一次风系数file:///C:/Users/%E6%B1%9F%E5%8D%97/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif1=1.05～1.10。

(2) 按空气的供给方法分类

1) 引射式燃烧器：空气被燃气射流吸人或燃气被空气射流吸入；

2) 自然供风燃烧器：靠炉膛中的负压将空气吸入组织燃烧；

3) 鼓风式燃烧器：用鼓风设备将空气送人炉内组织燃烧。

(3) 按燃料分类

1) 纯燃气燃烧器：仅限于燃用燃气

2) 燃气-燃油联合燃烧器：可同时或单独燃用燃气或燃油

3) 燃气-煤粉联合燃烧器：可同时或单独燃用燃气或煤粉

(4) 按特殊功能分类

1) 浸没式燃烧器

2) 高速燃烧器

3)脉冲燃烧器

4)低NOx燃烧器

2. 燃气燃烧器的技术要求

不同装置、不同工艺对燃气燃烧器有不同的要求。在燃气锅炉中 , 对燃烧器的技术要求主要有以下几个方面:

(1)在额定燃气压力下，燃烧器能达到额定出力；

(2)火焰的形状与尺寸应和炉膛结构尺寸相匹配，应有良好的火焰充满度；

(3)具有良好的调节特性，在锅炉最低负荷至最高负荷运行时，燃烧工况应稳定，即有较大的调节比；调节比= 1：5

(4)燃烧效率高，燃烧污染物排放达标；

(5)结构紧凑、安装操作方便、调节灵活、噪音小。

§3.3 工业锅炉常用油气燃烧器

我国燃气工业锅炉用的燃烧器基本上都是进口产品，来自不同国家，其中以德国的威索(WEISHAUPT)、扎克 (SAACKE) 、意大利的百得 (BALTUR) 、利雅路 (RIELLO), 以及英国的力威 (NU-WAY) 和敦威 (DUNPHY) 等居多，而以威索燃烧器为典型。尽管燃烧器的品牌很多，但其组成基本相同，因为它们都遵守统一的欧洲标准。本节以国内市场上使用较为广泛的德国威索燃烧器为例，对工业锅炉常用油气燃烧器的结构型式及其技术发展趋势进行介绍。

§3.3.1 常用的结构型式

工业锅炉常用油气燃烧器的结构可大致分为燃料输送、空气输送、燃料-空气混合及点火系统、燃料-空气联动调节及安全保护这五个系统。以下以德国威索燃烧器为例对这五个系统分别加以说明。

图3-7 威索燃油燃烧器（分段式）结构示意图

图3-8 威索燃气燃烧器结构示意图

图3-10燃油输送系统（比例调节式）

1—油泵 3、4、6、7—电磁阀 12—比调型喷嘴 15回油调节阀 17 回油压力开关

图3-9 燃油输送系统（分段式）

1—油泵 2、3—电磁阀 10—分段式喷嘴

1.燃料输送系统

(1)燃油

燃油燃烧器的燃料输送系统通常由输油(进油及回油)软管、油泵、燃油电磁阀、回油调节阀(比例调节型燃烧器中)等组成。见图3-9、3-10。

(2)燃气

燃气燃烧器的燃料输送系统由一组阀组串构成，通常包括球阀、过滤器、稳压阀、电磁阀、蝶阀等。见图3-11。

图3-11 燃气输送系统

图3-12 分体式燃烧器空气输送系统

图3-13 燃料-空气混合及点火示意图

2.空气输送系统

空气输送系统通常由燃烧器风机马达带动同轴的鼓风叶轮及风道组成,如图3-7和3-8所示。在大型分体式燃烧器中，还可根据设备要求采用独立的风机并通过专门的风道输送空气，见图3-12。

3.燃料-空气混合及点火系统

燃料-空气混合及点火系统，对燃烧器的各项燃烧指标具有关键性作用。燃料与空气的混合好坏会直接影响到火焰的点燃与稳定；点火系统的稳定性则关系设备能否顺利开始运行，并对设备的安全使用具有重大意义。

4.燃料-空气联动调节系统

油气燃烧器在整个功率范围内的燃料与空气量的配合都是联动调节的，负荷变化时，空气量与燃料量的变化是同步进行的，其配合在燃烧器调试时通过烟气分析等手段予以设置。

图3-14 燃料（燃气）-空气联动调节系统示意图

5.安全保护系统

油气锅炉内如积聚有大量的可燃气体（如发生燃气泄漏或燃油在高温的炉膛内蒸发成为油气）并达到爆炸极限，在点火时就会产生爆燃，对油气锅炉的运行安全造成重大威胁。

所谓爆炸极限是指燃气或燃油蒸气与空气混合后遇火种能够发生高速燃烧浓度（一般指体积浓度）范围。这个范围的最低值称为爆炸下限 , 最高值称为爆炸上限。一般情况下 , 天然气的爆炸极限是 3%～15%；焦炉煤气是5%～36%；液化石油气是1.6%～11.1%。爆炸极限范围越大，爆炸下限越低的燃料气，其爆炸危险性越大。为防止燃料气泄漏进入炉膛造成安全隐患，燃烧器上均设置有相应的自动点火程序、熄火保护装置等安全保护系统。

通常，油气燃烧器在点火前均有一段前吹扫时间，即在点火电弧产生前，燃烧器风机对炉膛内有一个吹扫得过程。在这一过程中，可以把可能尚残留在炉膛内部的可燃气体排出炉膛以外，从而避免爆燃的发生。

此外，在油气燃烧器运行过程中，如果一旦发生火焰熄灭但燃料输送仍在继续的情况，则也会使炉膛内部积聚起大量的可燃物（燃气或油气），造成危险。因此，油气燃烧器均有火焰监测系统用来在熄火时保护系统，即断火时立即停止燃烧器的运行。图3-15所示是比较常用的两种火焰监测手段。通过电离法或紫外线探测法可以确定火焰的存在与否。

图3-15 燃烧器火焰监测系统原理示意图

燃烧器静止时，由于燃油燃烧器的油泵（燃料输送系统）是通过燃烧器马达与鼓风叶轮同轴驱动的，因此只要油箱位置安装正确，即便关断装置（如电磁阀）失效，燃料也不会轻易泄漏入炉膛。但在燃气燃烧器中，如果阀组中的关断装置有泄漏，燃气就有可能在燃烧器静止时流入炉膛，使燃烧器在下一次点火时面临爆燃的危险。因此，在燃气燃烧器的阀组串中，通常都会配备阀门检漏装置，它在每次燃烧器启动之前都会对燃气电磁阀进行气密性检验，燃烧器只有在检漏程序通过后才能点火。以威索公司采用较多的WDK3型阀门检漏系统为例(见图3-16)，可将检漏装置的工作过程分为以下几个过程：

(1)排空

在这一阶段前的2秒内，电磁阀V2打开，测试段内压力与外界取得平衡（即达到无压状态）。

(2)无压状态测试时间

在排空后8秒长的时间段内，程序会检测测试段是否真的无压，且这一状态是否得以保持。此时压力如果升高说明电磁阀V1（燃气流动方向上的第一个阀体）泄漏。同时，压力开关能否正确动作也在这一时间被检验（如压力开关本身有问题，检漏装置会将设备闭锁）。

(3)测试段内加压

从第16秒开始，电磁阀V1将打开2秒钟。测试段内的压力将升高至与燃气供气压力取得平衡。检测用压力开关会动作。

(4)保压状态测试时间

由此开始将对测试段进行9秒长的检漏工作。在这段时间内会检测，压力是否能够保持住，即是否有泄漏。压力如有降落则说明电磁阀V2或测试段内部有泄漏。当第2段测试时间安全通过后，检漏装置将被断开。

图3-16 WDK3型阀门检漏装置示意图

此外，油气燃烧器中通常还在铰接法兰上配有限位开关以防止燃烧器法兰部分在运行中意外开启，并在空气输送通道内安装空气压力开关，以防止在燃烧器运行过程中空气输送意外中断情况下，燃料仍在输入炉膛。

§3.3.2 工作过程

燃烧器的工作是在以上几个系统协调动作进行的基础上进行的。鼓风机马达转动后，带动同轴的叶轮转动，因离心力的原理，空气被高速旋转的叶轮抛出，因蜗壳式的风机原理，抛出的空气被吹向燃烧器的前方出口，在混合室内和进入的燃气充分混合，再经过扩散器的干扰，使燃料与空气充分混合均匀，吹入炉膛内燃烧。而风量的控制是由风门挡板来完成的。

当采用气体燃料时，燃气最后经过蝶阀进入混合室与空气混合，利用蝶阀的开度来控制燃气量的多少。燃气和空气充分混合后，被送入炉膛内燃烧。为点燃燃气，在燃烧器上装有一个电子打火装置，连接到点火电极上，点火电极击穿空气进行放电，形成一个电弧，用该电弧将送入的混合好的燃料点燃，这就是点火系统。

燃料输入量的多少与鼓风量的多少是联动的。空气量按预先设定好的空气过量系数与燃料同步增加或减少，从而控制负荷的变化。燃烧器上装的伺服马达、驱动凸轮和连杆，同步控制风门挡板和燃气蝶阀或回油调节阀，这就是供给(调节)系统。

铰接法兰的限位开关、空气压力开关和火焰监视器则构成保护系统。

在燃烧器上还装有电眼，即火焰监视器，以保证在点火和正常燃烧时，对火焰进行监视和控制。在应该看到火焰时，若看不到火焰，则马上切断燃烧器和切断燃料的供给系统，以保证锅炉的安全运行，防止出现爆燃事故。

油气燃烧器在第一次投入运行时，调试人员会在燃烧器负荷变化范围内对燃料与空气的配比进行设定，其依据是通过对照燃烧后烟气成分中的氧含量及一氧化碳或林格曼黑度（燃油时）的值，来确定燃料是否已充分燃烧以及过量空气系数的值是否得当（提高效率）。燃烧器应在安全（燃料充分燃烧）的前提下，尽量降低过量空气的量，以提高锅炉的整体热效率水平。