高负荷强旋流半预混杯式燃气燃烧装置的应用.pdf

第2 1 卷 第1 期 煤气与热力 文章编号： 1 0 0 0 4 4 1 6 ( 2 0 0 1 ) 0 1 0 0 3 5 0 4 高负荷强旋流半 预混杯式燃气燃烧装置 的应用 罗贤成 ( 重庆建筑大学， 重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘要 ： 论述天然气高负荷强旋流半预混杯或燃烧装置的构造、 工作原理、 空气动力与热工 性能以及基本特性 ， 介绍 了该燃烧装置在化工裂解与转化炉上的实际应用效果 关键词 ： 半预混杯式燃烧装置； 天然气节能燃烧 中图分类号 ： T U 9 9 6 7 文献标识码 ： A 1 引 言 燃气燃烧装置应用十分广泛 不同用途的工业 炉窑对燃烧装置有不同要求。根据工业炉对燃烧装 置的要求， 研制适应不同炉型的燃烧装置， 对满足最 佳加热工艺 、 节约能源 、 提高产品质量与数量、 降低 燃烧污染等方面具有重要意义。下面结合 2 0 0 0 t a C 技改工程， 针对化工裂解与转化炉工艺特点及 其对天然气燃烧装置火焰形态、 特性的特殊要求， 对 天然气高负荷强旋流半预混杯式燃烧装 置( 简称半 预混杯焰) 进行试验研究 并在两种不 同用途 的化 工炉上实际应用， 均获得成功。 2 半预混杯焰构造 与工作原理 2 1 基本构造 优 良的燃烧装置应满足燃气与助燃空气的最佳 混合、 稳定燃烧及强化传热， 同时满足某些炉型工艺 对燃烧装置火焰特性、 形态及温度 的特殊要求。据 此， 半预馄杯焰基本结构如图 1 所示。 2 2 工作原理 燃气从喷嘴喷出形成射 流， 使燃烧所需 一次空 气被吸入， 燃气与一次空气( O I =0 2 50 4 5 ) 在 I 射器内局部混合后由混气孔 喷出， 与风机提供并高 速旋转的二次空气( 0 2 =0 60 8 ) 完全混合 、 迅速 燃烧 ， 形成旋流火焰。部分旋 流火焰 与紧贴 附的杯 形火道强烈地热交换， 形成高温辐射面 ， 起强化传热 作用， 其余呈杯状在炉内强烈旋转燃烧 中心为负 压区也是高温烟气回流区， 不仅强化燃气燃烧 ， 还起 着稳定火焰和均匀炉温作用。调节 一 次空气人 口面 积 ， 可改变空 一燃 气预 混 程度 ， 由此 调节 火 焰 长 度 、 亮 度和炉 膛温 度 l 一燃气喷嘴； 2 一一次空气调节板 ： 3一引射器 ： 4一蜗壳旋流器 5 一预揠气喷 头； 6一枰形A道砖 7 一长明燃烧器 7 图 l 半预揠杯焰基丰结构 2 3 技术参数 半预混杯焰适合于高 、 中温加热工艺 ， 主要技术 参数为 ： 额定天然气压力 ： 3 0 k P a ； 额定燃气量 5 O、 7 5 、 l 0 o h ； 风机全 压 23 k P a ； 烟气 中 C O含量 ( 0 0 1； 燃烧噪声 8 5 d B ； 比常规 直焰节气 、 节电2 5 3 5； 火焰形态好， 加热 均匀 ， 炉内温差小 ； 预混程度高 ， 显著强化燃烧与 传热 ， 升温加热速度快。 收翦日期 ：1 9 9 9一】 】 一2 l 作者筒舟 ： 罗贤成 ( 1 9 5 2一) ， 男 重庆市 讲师， 大学 ， 从事城市热力 、 燃 气工程技术的教学 与研究工作。 维普资讯 http:/ 罗贤成： 高负荷强旋流半预混杯式燃气燃烧装置的应用 2 0 0 1 年 2月 3 试 验模型及测试系统 3 1 试验模型 工程应用 中不同工业炉所需热负荷不同， 要求 采用燃烧装置热负荷也各异 ， 而在试验 中建立大型 工业炉对大负荷燃烧装置特性进行试验是 困难的。 所以为获得理论分析和设计燃烧装置 系列所需数 据 ， 采用小型燃烧装置作 为研究模型是最快捷和最 节约的途径。尽管模型试验与实际应用在条件上有 区别 ， 但其规律是一致的。试验中采用 A型( 2 5 m 3 h ) 半预混杯焰装置作为客观直接的试验模型 3 2 结构计算式 杯焰主要结构计算式如下 ： k=1 2 4 5 K ， , l - I s ( 1 j _ ) ( F ( 2 ) F r P ： 型F ( 3 ) x ” 小等 s= ( D P +a ， D 6 8 ( 4 ) 3 3 测试系统 测试系统主要由杯焰装置 、 燃气供应管路 风机 及空气供应管路、 长明火燃烧器及其供气管路、 燃气 安全控制 电磁阀及有关检测 、 计量仪器组成 ， 测试系 统参见文献 4 半 预混杯焰 的性能试验 ( 1 )空气动力特性 在火道出口断面及5 0 i i l n 断面处用皮托管和斜 管压力计测得沿中心轴线问隔2 0 l t lQ tn均匀分布测点 的压力曲线如图 2所示。 由此看出， 强烈旋转的气 流由于受杯形火道形状限制 ， 紧贴火道 内表面是薄 的旋转着的空心杯状体。心部存在 着较大的负压 区， 气流几乎全部沿杯 口内表面旋转延伸。性能曲 线与强旋流燃烧器特有的双峰 曲线相似， 这正是 由 蜗壳旋流器喷出并强烈旋转的二次空气对造成离心 回流和紧贴杯面的附壁效应起着关键作用。 ( 2 )点火特性 在很大的燃 气流量与空气量范围内， 用长明火 燃烧器点燃主火燃烧器的成功率为 1 0 0， 并且点 燃后的火焰始终维持稳定燃烧 ， 为半预混杯焰燃烧 装置正常燃烧奠定了稳定火焰 的基础 图 2 压 力分 布曲线 ( 3 )仅供一次空气时的燃烧特性 当全开调风板仅 只供一次空气时， 在较小负荷 ( 2 53 o) 下 ， 燃烧 器仍能维持正常燃烧 ， 火焰 稳定并呈蓝色。逐渐增大燃气量 ， 火焰 由蓝渐渐变 白( 约 3 5) ， 最终变为黄白色直火焰。 ( 4 )一次空气调节特性 由风机适当供给二次空气并转动一次空气调节 板 ， 增大一次空气人口面积， 被燃气吸人的一次空气 量增大 ， 火馅 明显 由黄白色渐变为透明蓝白色， 且长 度明显缩短 由此表明 ， 改变 m能显著改变半预混 杯焰 的火焰特性与形态。 ( 5 )运行 中的火焰特性 当燃气量_为额定负荷的 1 O， 开启风机适当供 给二次空气， 在杯形 火道 内得到稳定 的旋流火焰 随着空 一 燃气量成 比例地增加， 火焰沿着杯形火道 内表面旋转扩展。火道轴 向上负压逐渐增大， 附壁 和卷吸作用不断增强， 呈现 出明显的漏 斗形旋焰。 当空 一燃气量约 3 5 4 0时， 火焰旋 出杯 口。 继续增大空 一燃气流量 ， 旋流火焰进一步伸长变宽。 当负荷达 到 鲫 后， 火焰长度与宽度变得不太明 显， 然而燃烧强度及杯形砖内温度急剧升高， 形成炽 热的高温辐射面。再继续增加空 一燃气量， 杯焰温 度升得更高， 燃烧变得更为激烈。 ( 6 )半预混杯焰结构特性试验 燃烧器性能好坏取决于在其内部形成的气流速 度分布 、 燃料浓度分布、 燃烧时的温度分布以及三者 的相互关系。而燃烧器结构上的任何变动都将程度 维普资讯 http:/ 第2 1 卷 第1 期 煤气与热力 不同地改变这些分布， 燃烧性能也 必然发生变 化。 为确定杯焰最佳结构及燃烧特性， 特进行如下试验： 喷头伸缩长度 L 、 预混气喷孔直径 d n 及喷出角度 n 对燃气完全混台程度的影响； 引射器喉部直径 d t 、 预混气喷孔面积 、 孔径 d D 、 喷孔深度 h及喷出 角度 a 对空 一燃气预混程度 ( a ) 的影 响； 燃气流 量对引射器 自动调节特性及一次空气系数 u _ 的影 响； 预混气喷孔尺寸对火焰特性及形态 的影响； 杯 Is l 深度 h与扩张角 口对回流区直径 D f 及火焰 形态 的影 响 。 ( 7 )预混气喷头结构优化试验 喷头结构形式对火焰形态的影响极大 为了得 到最佳的喷头结构 ， 以满足火焰特性及形态上 的特 殊要求， 在喷头结构的优化试验中， 相继作了 5 种不 同形式的喷头， 并进行 了对 比试验。喷头与引射器 采用螺纹连接， 并使螺纹具有足够长度， 便于试验 中 能适当调节 喷头 的伸缩长度 ， 也便于拆 卸和更换 通过优化 ， 确定 c型为晟佳 图 3 燃气流量 与 力关系 ( 8 )半预棍杯焰 基本特性 燃烧装置 的基本特性是供用户和技术人员根据 工艺正 确选 择 、 使 用燃烧 装置 的科学依据。测得 亿O B B 一2 5型的特性如下： 喷嘴前燃气流量与压 力关系如图 3所示； 二次空气量与空气压力关系 如图 4所示 ； 燃烧噪声与燃气压力关 系如图 5 所 示 ； 燃烧极限调节 比达 1 ： 1 5 ； 火焰分 布均匀 、 整齐 ， 呈中空杯状 ， 焰尾扩展性好 ， 火焰充满度高： 火焰特性、 形态 、 空 一燃气量及预混程度易于调节和 控制 ； 点火容易 、 启动迅速 、 燃烧稳定 ， 可显著强 化辐射传热 ， 升温加热速度快 。 政空气流量与压力关系 ELr k I n - 圉 5 燃烧噪声与燃气压力关系 5 半预混杯式燃烧装置实际应用 5 1 在化工裂解炉上应用 该裂解炉为直立圆柱形结构并配备有完善的现 代化监控 与检 测设备。炉膛 内壁布置垂直 u形炉 管， 炉尾布置有多级介质预热器 圆形炉膛 的净空 e l l 6 8 0IT I I I1 ， 净高 3 8 5 0IT II I 1 ， D型( 1 0 0m 3 h ) 半预混杯 焰装置安装 于圆炉底 中心 介质为 2 C r t V C I 裂解 反应 为 ： 2 c HF 2 C I c 2 R+2 H C I ( g ) 应用效果 ： 炉温 1 0 2 8， 实际燃气耗量 7 0 h ， 比原设计节气 3 o； 炉 内温度均匀 ， 上 、 下 温差 ( 测点高差 2 8 0 O 1 ) 为 0 ， 连续运行 1 0 0 h以 上 ， 炉温及介质温度始终恒定； 由 自动色谱仪 定 期取样检测结果证明 ： 产品纯度高 、 质量稳定 、 裂解 率高于设计值。 5 2 在化工转化炉上应用 转化炉与裂解炉 的结构相似， 检测 与监控设各 维普资讯 http:/ 罗贤成 ： 高负荷强旋流半预混杯式燃气燃烧装置的应用 2 0 0 1 年 2月 配置相仿。炉 内布置 0 7 6 r 一 垂直炉管， 主要 用于 加热过热蒸汽 ； 炉尾布置三级预热器和省煤器， 圆形 炉膛净空 O 1 4 2 0| ， 净高 3 2 0 0 1T I IR I ； C型( 7 5 r 门 h ) 半预混杯焰装置安装于圆形炉底中心。运行效果 ： 炉温 9 2 0 o c 过热蒸汽 9 0 0 o c， 燃气耗量 5 2 1 1 1 3 h ， 比原设计节气 3 2；炉 内温度均匀， 上 、 下温 差几乎为 0 连续运行超 过 1 0 0 h ， 炉温及 介质温度 始终恒定； 由定期取样 检测结果证明： 产品纯度 高、 质量稳定 、 转化率和产量均高于设计能力， 表 l 技改前后直接经济效益比较 名 称 电加热 然气加热 节约值c 万元 年产量( t a ) A 3 O O A 3 O O i 裂解与转化率( )l 2 2 l 7 2 f 产量折算苹( ) 3 3 l O O 电费( 玎 L ) 气费( 万元 ) 5 8 5 6 天 然 气 加 热 节 约 ( 万 元 J i 5 5 3 4 4 5 3 裂解炉用燃气代替电加热的经济效益 技改前是用 电加热裂解 与转化 c 。电加热存 在很多问题 ： 耗电量大 、 耗 电功率共 6 8 0 k W； 设备陈 旧， 工艺落后； 产量不足燃气加热的 1 3 ， 裂解与转 化率仅 2 0 2 3( 燃气为 7 2 7 4) ； 夜间电 力供应不足时基本无法生产。燃气加热裂解与转化 炉和用 电加热的在同等年产量条件下比较 ， 直接经 济效益见表 1 由表看出， 用燃气代替 电加热不仅 节约大量运行费用 ， 还极大地提高了质量与产量。 6 结 语 天然气高负荷强旋流半预混杯式燃烧装置通过 试验研究和在化工裂解与转化炉上实际应用说明： 空 一燃气先后强烈混合 ， 旋流燃烧， 火焰稳定、 燃烧 完全， 焰尾扩展性好 ， 炉膛充满度高， 极大地强化 了 炉内传热。具有升温快 、 启动迅速 、 燃烧调节