直流扩散式燃气燃烧器燃烧特性试验研究

刘 峰 廖晓炜 窦文宇

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

直流扩散式燃气燃烧器燃烧特性试验研究

刘 峰 廖晓炜 窦文宇

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

针对目前国内广泛运行的锅壳式燃气锅炉，以在该结构锅炉上大量使用的直流扩散式天然气燃烧器为研究对象，研究了燃气燃烧器在不同负荷、炉膛背压、过量空气系数等参数对锅炉炉膛内火焰燃烧场分布的影响，其试验结果对燃气锅炉的安全经济运行以及燃气燃烧器的结构优化具有重要意义。

燃气 燃烧器 负荷 炉膛背压 空气过量系数

在我国，能源结构长期以煤炭为主，在可预见的未来几十年内，煤炭仍将在我国经济建设和社会发展中占有很重要的地位。进入本世纪以来，我国各大中型城市积极推行集中供热以减少小型燃煤锅炉引起的局部环境污染问题，同燃煤相比，油气燃料具有燃烧充分，燃烧效率高，污染物低等明显优点，因此以燃用天然气、煤气、液化石油气等可燃气体燃料以及液体燃料油等清洁燃料为主的环保型供热系统，在城市小区供热系统中得到广泛的应用。然而，近几年国际燃油价格一路上涨，使得原来单一依靠燃油的锅炉用户越来越承受不了其运行费用，而随着大规模的天然气资源勘探开发，煤层气的开发利用，石油化工等行业生产工艺带来的可燃副气的综合利用，以及“西气东输”、“海气登陆”和“川气出川”工程的实施以及从俄罗斯、哈萨克斯坦、缅甸等国引进天然气等措施的开展，燃气来源得到了基本的保证。综合考虑成本、环境污染、国家政策等因素，燃气锅炉的优势愈发明显。

因此，本文针对目前国内广泛运行的锅壳式燃气锅炉，以在该结构锅炉上大量使用的、具有代表性的直流扩散式天然气燃烧器为研究对象，通过试验手段，详细研究了燃气燃烧器各参数（负荷、炉膛背压、过量空气系数等）对锅炉炉膛内火焰燃烧场分布的影响，其结果对燃气锅炉的安全经济运行具有重要意义。

1 燃烧特性试验研究

1.1 试验用燃烧器

试验为燃天然气燃烧器，采用目前被广泛使用的强制鼓风整体扩散式燃烧器，其燃烧头中小孔为燃气孔，大孔为空气孔，周围是补充大量空气的周界风，孔的前端有稳焰器（见图1）

图1 燃气燃烧器外观以及内部结构照片

1.2 试验用燃料

试验用天然气，其化学成分和热值检验报告分别见表1：

表1 天然气检验报告

1.3 试验系统介绍

图2为测试系统示意图，包括测试炉以及相关的测试仪器。其中测试炉炉膛长度亦即炉膛容积热负荷可调节，可模拟不同结构锅壳锅炉的实际炉膛容积热负荷，并且在测试炉上装有压力测点、火焰观察孔、温度测点等。

图2 测试系统示意图

1.4 试验工况

试验工况设计见表2：

表2 燃气工况设计参数

1.5 试验数据与结果分析

所有试验数据图表中，横坐标均采取无量纲参量x/d，x为测点距离炉膛中心线的垂直距离，d为燃烧器喷口直径。纵坐标为温度T，单位℃。纵轴右边虚线部分为左边的映射。

1）负荷对燃气燃烧器炉内燃烧温度场影响

图3为在每个测量截面下各个工况（不同负荷）径向火焰温度分布。图4为在每个工况下（不同负荷）各个测量截面径向火焰温度分布。

图3 燃气燃烧器在不同的负荷下径向截面温度对比图

图4 燃气燃烧器同一负荷下不同截面沿径向温度分布对比图

由图3和4可以看出：

(1）在接近燃烧器出口区域（600mm、800mm截面)，火焰温度分布沿径向呈“M”型分布。

(2）离燃烧器出口距离越远（600mm、800mm、3000mm三个截面)，截面火焰温度越平均，也就是说截面温度分布沿炉膛长度方向趋于均匀。

(3）随着燃烧器负荷的增加， 在炉膛中后部（800mm、3000mm截面)，炉内温度水平上升。

(4）随着燃烧器负荷的增加，炉内最高温度水平截面的位置趋向后移，亦即火焰长度增大；同一截面的火焰温度峰值位置趋向炉膛壁面方向移动，亦即火焰直径增大。

2）炉膛背压对燃气燃烧器炉内燃烧温度场影响

图5给出了燃气燃烧器在不同的炉膛背压下（工况5、6、7）径向截面温度对比图：

图5 燃气燃烧器在不同的炉膛背压下径向截面温度对比图

试验结果表明，炉膛背压对燃气火焰炉内温度分布影响较为明显：

（1）在相同燃烧器负荷下，炉膛背压增大，在接近燃烧器出口区域(600mm、800mm截面)，炉膛中心火焰温度提高，同时引起截面整体火焰温度水平提高；

（2）在相同燃烧器负荷下，炉膛背压增大，炉内最高温度水平截面的位置没有发生变化，亦即燃烧器火焰长度不变；同时，同一截面的火焰温度峰值位置没有发生变化，亦即燃烧器火焰直径不变；

（3）在相同燃烧器负荷下，炉膛背压增大，炉膛后部（3000mm截面）亦即炉膛出口烟气温度降低。

3）过量空气系数对燃气燃烧器炉内燃烧温度场影响。

图6给出了燃气燃烧器在不同的过量空气系数下（工况6、8、9、10）径向截面温度对比图：

图6 燃气燃烧器在不同的空气过量系数下径向截面温度对比

试验结果表明：

（1）过量空气系数增大后，炉膛中心火焰温度提高，炉膛截面火焰温度分布沿径向由“M”型转变为“∩”型；

（2）过量空气系数增大后，炉内最高温度水平截面的位置向燃烧器喷口方向移动，亦即燃烧器火焰长度变短；同时，同一截面的火焰温度峰值位置向炉膛中心靠近，亦即燃烧器火焰直径也变小；

（3）过量空气系数增大后，炉内整体温度水平（包括炉膛出口温度）降低。

2 结论

通过对燃气燃烧器燃烧过程的试验研究，得出以下结论：

1）燃烧器负荷：在试验范围内，燃烧器负荷大小除了直接影响炉膛温度水平以及炉膛出口烟气温度外，还直接影响火焰尺寸（长度和直径）。燃烧器负荷增大，炉膛出口烟温提高，同时火焰尺寸（长度和直径）增大。因此，在燃气锅炉的设计、改造亦或是运行，在炉膛设计或校核时，除了要考虑控制炉膛容积热负荷qv这个宏观热力参数外，还要考虑炉膛结构与燃烧器火焰尺寸相匹配，在负荷变化范围内，燃烧器火焰要在炉膛内充分展开，不能直接冲刷受热面。

2）空气过量系数：在试验范围内，过量空气系数提高，炉内温度水平下降，炉膛出口烟气温度下降。燃气燃烧器火焰尺寸（长度和直径）对过量空气系数较为敏感，空气过量系数越大，火焰越短，直径越小。从保证燃烧完全以及减小锅炉热损失的角度综合考虑，燃气燃烧器过量空气系数应尽可能接近1.0，燃油燃烧器不宜超过1.1。

3）炉膛背压：在试验范围内，炉膛背压对燃气燃烧器的影响较大，炉膛背压提高，火焰结构无较大变化，但整个燃烧过程提前，从而炉膛出口烟气温度降低。质检公益性行业科研专项项目：火筒加热炉炉内燃烧场研究与热负荷均匀装置研制（项目号：201310163）

1.包秀春,等.工业锅炉高效运行措施的实施[J].北京:中国特种设备安全,2012,28(2):42~45

2 陈志良,等.工业锅炉能效及其计算方法[J].北京:中国特种设备安全,2010,26(12): 3~5

Experimental Study on Combustion Characteristics of DC Diffusion Type Gas Burner

Liu Feng Liao Xiaowei Dou Wenyu
(China Special Equipment Inspection Research Institute Beijing 100029)

Aiming at the present domestic widely running pot shell with gas boiler, and widely used direct current diffusion type gas burner in this boiler, the experimental method was used to study the effect of gas burner under different loads, furnace backpressure, excess air coefficients, etc. The results can play great significance on guiding the gas boiler safe and economic operation and was instructive to structure optimization of the gas burner.

Gas Burner Load Furnace backpressure Air excessive coefficient

B

1673－257X(2014)06－20－04

刘峰 (1983～) 男，工程师、检验师，从事电站锅炉检测和燃烧器性能测试。

2013－11－08）