直流式低热值煤气燃烧器稳燃特性研究

对常规直流燃烧器和锥形半角不同的扩口直流燃烧器进行了低热值煤气的着火和稳燃试验研究发现：直流燃烧器内径小于8 rrm吨其淬熄作用严重影响火焰稳定；提高H浓度可以改善低热值煤气的稳燃特性对于低热值煤气扩口直流燃烧器的稳燃性能优于常规直流燃烧器；扩口直流燃烧器的锥形半角大于iooat,可产生双点火环，提高脱火极限

    石油化学和钢铁工业都会产生一些低热值气体，由于这些低热值气体燃烧难以组织，所以阻碍了其高效利用。实际应用中低热值燃烧器多采用旋流式燃烧器，但由于直流燃烧器的简单性，很多企业也在研究直流式燃烧器的稳定燃烧条件。低热值煤气不稳定燃烧的主要原因是：脱火和回火现象本研究的目的是探讨直流低熟值煤气燃烧器的稳定燃烧的条件，以及如何通过改善直流式燃烧器的结

构来改善低热值煤气的稳燃特性旧。这对大力推广低热值煤气锅炉，寻找合适的燃烧优化方案具有重要意义。

1研究原理及方案

    试验中，通过用H、00和N按浓度比例混合配置煤气模拟低热值煤气，实验系统如图1所示。低热值煤气是一种高着火点燃料，燃烧组织困难，火焰传播速度慢。当燃气速度较高时，低热值煤气易脱火。低热值煤气的易脱火特性导致其无法被高效的利用，因此需要设计一种可以提高低热值煤气脱火极限的燃烧器。本研究提出了扩口直流燃烧器，如图2(b)所示。并对常规直流燃烧器和不同锥

形半角（12和35。）的扩口直流燃烧器进行稳燃特性的试验研究。

2管径对稳燃特性的影响

    低浓度低热值煤气燃烧时淬熄是影响煤气稳定燃烧的一个重要因素。在临近喷口壁只有数毫米的地方，壁面的散热作用十分强烈，以玫火焰不能传播，这种现象称为淬熄。目前对淬熄现象的研究依然大多停留在试验阶段，基本可以确定的是它的影响因素主要为管径、材料导热系数以及火焰传播速度，其中管径是最重要的因素。实验采用4种管径的常规直流燃烧器进行燃烧实验，如图2(a)所示，由以上的实验可以得出该低热值煤气的大致淬熄直径，并认为一旦燃烧器直径大于此直径则淬熄作用不会造成燃烧终止。因此，实验采用的燃烧器直径均大于8 mm热量更高于CQ使得a[堵火条件得到改善，低热值煤气中含有的Q则可以直接与c[）进行反应，使得燃气有一部分成为预混，从而使得低热值煤气的着火温度降低，着火稳定性加强。

3 H浓度对低热值煤气稳燃特性的影响    4直流式燃烧器稳燃特性研究

实验主要目的是研究低热值煤气的脱火性能。在研究初期，采用常规直流燃烧器进行实验，发现低浓度a[燃气并不容易形成稳定的扩散火焰，只有OC）体积浓度高于30%才可以形成稳定的扩散火焰，这个实验值远大于实际的低热值煤气的畋）含量。

    根据∞的燃烧理论，氢原子的活化性能对燃烧条件改善的影响非常大，氢气燃烧火焰传播速度也大大高于燃气稳定燃烧时的喷射速度。目前几乎所有低热值煤气的研究都忽视了低热值煤气中微量成分的作用，但实验表明，低热值煤气中的含氢量对燃烧的影响常大，直接利用低浓度00模拟的低热值煤气很难形成稳定的扩散火焰。

实际的低热值煤气中并不存在着高达4% -5%的H，但是却可以在常规直流燃烧器中燃烧，这是由于能形成活化中心的并不是只有H，还有在低热值煤气中含有的a co. 2% -Q 5%l Q(Q 2%-Q 4%)以及微量的水蒸气，这些成分都可以形成H O和OH等活化中心，进而减小反应所需要的活化能，并且q和Q都可以进行反应，而q的发

4 1常规直流燃烧器可自持燃烧，并且随着oo浓度和燃气流速的升高，外加空气的速度也随之升高。但当外侧空气流速增大至14 m/ sW，燃烧无法稳定，点火环完全被吹离形成脱火。由实验现象观察发现当空气流速高于12 m/时，燃气与空气的交界面上的点火环开始不稳定，极易发生脱火。由于燃气流速写空气流速均无法提高，导致热功率无法满足实际生产的要求。所以常规直流燃烧器无法满足工业要求。

4 2扩口直流燃烧器

    采用扩口直流燃烧器的理论依据：改善着火稳定性的关键在于点火环的稳定存在。采用扩口直流燃烧器时，当锥形角度大于一定值时，燃气射流不能闭合，理论上可以存在内、外圈两个点火环。当外圈空气流速不高日寸，内、外圈点火环同时存在。一般情况下，外圈空气速度远高于火焰传播速度，容易造成外圈点火环吹离，即外圈脱火。内圈由于卷吸回流的空气流速不高，不易造成脱火，故内圈点火环相对外圈点火环容易稳定存在，这对改善低热值煤气的火焰稳定性有很大帮助。下面通过试验来验证一下内圈点火环机理。

    从射流扩展角理论可知，对于平面自由射流其外边界扩展角大约为10.也就是说当锥形半角大于10”的时低环形射流内边界不会闭合。第5期    赵振兴，等：直流式低热值煤气燃烧器稳燃特性研究 

    当射流的内边界线不闭合时（即锥形半角大于由于回流卷吸作用，喷嘴中心会回卷空气，会在燃气的内外两边都形成一圈点火环。因此，分别设计了喷嘴锥形角度为8 12和35。的扩口直流燃烧器进行实验研究，扩口直流燃烧器如图2(b)所示，其具体结构参数如。

    实验时，首先选定燃烧器和煤气各成分的比例，然后每给定一个燃气速度，寻找在此速度下达到脱火时的对应空气速度，燃气速度加到其自身不能形成稳定火焰（即不加空气就脱火）为止。

4 2 1锥形半角为8”

    对锥形半角为8”的扩口直流燃烧器进行分析，由扩展角理论可知，试验中采用的锥形半角是低于10,所以射流应该是闭合的。

    锥形半角为8。的扩口直流燃烧器与常规直流燃烧器相比其稳燃极限有明显的提高。相同流速下提高了近30%，而锥形半角为12和35。的扩口直流燃烧器的提高更为明显。这是由于该燃烧器可以使部分空气被卷吸到中央的钝体处，使燃气与空气的混合增强，改善了反应的条件¨1，提高了脱火极限。

    由试验观察到，在燃气流速不高然气流速低于2 m/s）的情况下，火焰有明显的分层现象，却并没有成型的内圈点火环。由于只存在外圈点火环，外圈空气速度无法增大至实际工程应月的值（大于20 m/兢4 2 2锥形半角为12和35。

    在锥形角为8。的扩口直流燃烧器实验中，可以看出锥形半角是对火焰的稳定性有影响的，但是由射流理论可知，8。的锥形半角射流最终还是闭合的，对于锥形半角增大到射流不闭合的情况，通过对锥形角为12和35 0f)-口直流燃烧器进行燃烧实验来进行分析。

火焰脱火极限的提高，锥形半角为12和35 0扩口直流燃烧器优于锥形半角为8”扩口直流燃烧器。通过观察火焰，当外圈空气流速不高时，可以看到明显的双点火环。当空气流速增大，外圈点火环被吹离，内圈点火环依然稳定存在。“双环”点火环的存在极大的改善了低热值煤气的燃烧稳定性。

    锥形半角为35 0tj-口直流燃烧器的火焰稳定性最好。说明随着锥形半角的增加低热值煤气的稳燃特性有所改善。实验中所采用的燃烧器中出口设有扩流锥，类似于钝体，气流经过后，产生“脱流，，，在它后面出现一个回流区。增加锥形半角可以使回流区加宽，增大回流区与高温烟气的接触面积。更重要的是，回流的过程中更多的空气氧化剂被卷吸到燃气的出口处，可以使燃烧器的内环形成稳定的点火环，这是“双环”点火环形成的必要条件。同时，燃气与空气的混合度增加，改善了反应的条件。扩流锥的位置可以伸缩，来调节燃气的出口速度和气流扩散角的大小，以适应不同的工作条件。

5结  论

    (1)管径对于火焰稳定性有着重要的作用。当燃烧器内径小于8 rruy其淬熄作用严重影响火焰稳定。

    (2)H、a{等成分对于低热值煤气稳燃特性的有重要作用。

    (3)扩口直流然烧器火焰的稳定性优于常规直流式燃烧器。锥形半角的角度大小对火焰的稳定起着重要作用。而随着锥形半角增大，火焰的稳定性增强。

    (4)提出了“双环”点火环机理：对于扩口同轴环形射流，当扩口锥形角度大于气流内圈扩展角度时，可以形成内、外双圈点火环。“双环”点火环可以有效地提高低热值煤气的脱火极限。

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