1、2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,1,第九章气体燃料燃烧技术,燃烧装置必须具备：规定热负荷下保证燃烧的稳定性；能够合理组织火焰，保持火焰的外形与刚度；具有足够的燃烧能力；结构简单，使用方便。,燃气灶头,燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,2,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,3,第十三章气体燃料的燃烧,燃气燃烧三阶段：燃气与空气的混合、可燃混合物的着火、燃烧反应的完成。,1、有焰燃烧：燃气与空气分别送入燃烧室，边混合、边燃烧。火焰较长、轮廓分明。属于扩散燃烧方式。,2、无焰燃烧：燃气与空气预先混合均匀，然后进入燃烧室燃烧。火焰短、没有鲜明轮廓。属于动力
2、燃烧。,燃烧速度取决于混合速度与燃料性质，火焰稳定，火焰黑度大，可提前预热空气与燃气，可以得到长火焰,3、半无焰燃烧：燃烧之前燃气与小部分空气预先混合。属于中间燃烧方式。,燃烧速度高，热强度大，取决于化学反应速度，火焰很短，高温区集中；在炽热背景下几乎看不到火焰。预热温度不能超过500度，要防止回火。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,4,第一节 无焰燃烧技术,（1）气体燃料与氧化剂在进入燃烧室前已经预先混合，燃烧的总体时间实际上仅取决于化学反应时间。（2）燃料完全燃烧所需的空气系数很小，而燃尽程度很高，其化学不完全燃烧热损失接近于零。（3）火焰较短，火焰高温区集中；在炽热的背景下
3、，几乎看不到，故谓之无焰燃烧。（4）由于可燃预混气的空气消耗系数很小，燃烧温度近似接近于理论燃烧温度，因此容积热强度高。（5）因为无焰燃烧的燃烧速度很高，燃料中的碳氢化合物来不及发生热分解，故火焰中游离的碳粒较少，火焰黑度较小，火焰的热辐射能力较差； （6）由于燃料与氧化剂预先混合，所以预热温度受到限制，原则上预热温度不能超过预混可燃气的着火温度。（7）火焰稳定性较差，容易发生回火。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,5,无焰燃烧方法要求可燃气体与空气在进入燃烧室之前必须均匀混合。工业上一般利用喷射器的引射原理来完成燃气与空气的混合过程。,炽热背景下的火焰,无焰燃烧器组成：（1）混
4、合部分：包括混合器和混合室两部分，其作用是使气体燃料和空气之间实现良好的混合 （2）喷头：喷头的作用是使预混可燃气以一定的速度喷入燃烧道，为了防止回火，要尽量保证出口截面气流速度分布均匀，故多采用收缩状喷口 （3）燃烧道：预混可燃气在燃烧道内完成预热、着火和燃烧过程,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,6,1、喷射引射式无焰燃烧器,高压燃气从喷嘴喷出，依靠自身的能量吸人燃气燃烧所需的全部空气，并在引射器内混合。混合均匀的燃气一空气混合物经喷头进入火道，在赤热的火道壁面和高温回流烟气的稳焰作用下进行燃烧。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,7,优点：（1）燃烧器具有自调性，
5、即引射的空气量能够随着气体燃料喷射量的变化自动按照一定比例改变，从而使空气消耗系数自动保持恒定；（2）混合装置结构简单、混合均匀，燃烧速度高，在时就可保证完全燃烧；（3）无需风机，能耗低，管路系统简单，控制系统简单。缺点：（1）要求较高的气体燃料的压力；（2）负荷调节范围比较小，容易发生回火；（3）燃烧状况受燃料性质、预热温度以及炉膛压力影响较大，喷嘴的自调节能力在实际工况偏离设计条件时不能保持；（4）引射式燃烧器的外形尺寸较大，安装、操作不便。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,8,依靠燃气自身能量吸人一次空气，并在引射器内相互混合。然后经头部火孔流出，进行燃烧。且一次空气系数通
6、常为0.450.75 。 多用于民用灶具。,2、引射式大气燃烧器,特点：（1）与引射式无焰燃烧器相比，其工况调节范围更宽，但热强度和燃烧温度稍低；（2）与有焰燃烧器相比，其火焰更短、温度较高，燃烧比较完全，但其燃烧稳定性相对较差；（3）其一次空气系数基本不随煤气压力变化而变化，具有一定的字调节性。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,9,3、脉动燃烧器,（a）燃烧过程：可燃混和物被电火花点燃，燃烧室压力逐渐升高，单向阀相继关闭，燃烧完成时燃烧时压力达到峰值；（b）膨胀排气过程：高温烟气沿尾管排出，燃烧室压力逐渐降低，高速气流的惯性作用使燃烧室内形成局部真空；,（c）充填压缩阶段：当燃
7、烧室压力低于空气、燃料供给压力时，单向阀打开，燃料、空气进入燃烧室；与此同时，由于燃烧室内存在局部真空，部分燃烧产物将发生回流，紧随其后也会有新鲜空气进入燃烧室。上述两股气流对可燃混合气进行压缩。（d）当燃烧室压力足够高时，单向阀重新关闭，可燃混和气被回流的高温烟气点燃，开始新一轮循环。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,10,脉冲式燃烧过程近乎定容燃烧，反应浓度高，燃烧强度大。燃烧过程的排烟速度是波动的，从而提高了传热系数，通常比稳定流态传热系数提高一倍。 存在问题：噪声控制问题。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,11,pulse combustion burner
8、,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,12,浸没式燃烧器是由混合室、喷头及火道组成。火道出口与鼓泡管连接，鼓泡管置于液体当中。燃气燃烧产生的烟气经过鼓泡管上的小孔直接喷入液体，将液体加热。,由于气液两相直接接触时所形成的无数气泡表面就是传热传质面，故传热传质面大；加之气泡在水(或溶液)中强烈扰动，使换热系数增大。但浸没燃烧要求较高的燃气、空气压力，电耗大、点火困难、噪声较大。,4、浸没式燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,13,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,14,第二节 有焰燃烧技术,优点：1、不存在回火现象 ；2、火焰中容易发生热分解现象，生成游离
9、的碳粒，从而使火焰的黑度较大，这对于增强炉内的辐射传热是有利的 缺点：1、由于煤气与空气的扩散混合需要一定的时间和空间，为了保证燃烧的完全性，就必须要有相当大的炉膛容积，炉膛的容积热强度相应减小。2、需要向炉内送入较多的空气，这将使燃烧温度降低，排烟损失增加。3、散热面积增加、炉墙漏风量提高，炉膛温度下降，从而使反应速度降低，不完全燃烧损失增大。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,15,可以通过改变空气与燃气的混合方式来强化燃烧、组织火焰,对于有焰燃烧而言，烧嘴的主要部件是喷头。其结构和形式不但要保证燃气与空气以一定的速度与流量进入燃烧室，还要保证二者良好的混合。,2018/7/2
10、,河北工业大学能源与环境学院,16,燃气与空气平行流动，离开喷嘴喉混合，有利于形成长火焰，属于低压烧嘴，结构简单、流动阻力小。适用于燃烧空间很大的燃烧设备。,1、套筒式燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,17,燃气与空气在烧嘴内部开始混合，强化了混合过程。根据混合方式分涡流片式、扁缝式、环缝式。混合气出口速度叫高，可以形成短火焰。,2、低压涡流燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,18,将燃气或者空气分两路注入，通过调节两路流量比例来调整火焰长度,3、火焰长度可调节燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,19,由于煤气中含有粉尘、焦油等杂质，不能
11、使用鼓风机送风加压，因此压力较低，流速较低，需要较大的喷口截面积。同时需要较高的空气压力促进混合过程。,4、脏煤气烧嘴,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,20,天然气热值很高，燃烧时需要大量空气，且着火范围相对较窄，因此关键技术是解决混合问题。多孔低压烧嘴使燃气通过小孔喷出，加强混合。多孔涡流烧嘴则利用导向砖使空气呈涡流，并与小孔喷出的燃气混合。,5、天然气燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,21,oxygen/natural gas-fired burner for high-temperature material,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院
12、,22,烧嘴火焰呈向四周展开的圆盘状火焰，并紧贴在炉墙上。火焰将炉墙表面均匀加热到很高温度，利用辐射换热方式加热物料，显著提高加热质量。 多用于轧钢锻造加热炉、热处理炉以及隧道窑等要求炉内温度分布均匀的场合。,6、平焰燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,23,燃烧过程在燃烧室内已经完成，燃烧时保持足够的压力，因此产物可以比较高的喷射速度喷出，从而强化了炉内烟气的循环，强化了传热效果。,8、高速烧嘴,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,24,燃烧产物高速喷出，促进了炉内烟气的循环，改善传热。同时，借助于空气喷设器产生的负压，将高温烟气引入换热器来加热燃料与助燃空气，提
13、高燃烧效率。,9、自身预热烧嘴,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,25,燃气经过分配管上的小孔进入辐射器，然后均匀地流向辐射板，所需的氧气借助扩散作用由周围大气流向辐射板。点火后，在催化剂辐射板上进行催化燃烧反应。催化作用使燃烧在较低温度下(400左右)即可进行。,10、催化式燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,26,Catalytic Combustion Flame,利用某些贵金属（如含0.2%Pt的氧化铝）进行催化燃烧，可有效降低NOx的排放,Catalytic Combustion Flame,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,27,？,意大利
14、 Baltur,德国 Weishapt,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,28,第三节 低NOx燃烧技术,所谓NOx，是指燃烧过程中所产生的氮氧化合物，一般包括NO、NO2、N2O、N2O4、N2O3 等，其中以NO、NO2对环境的危害最大。 （1）在日光作用下，将形成具有强烈刺激性和腐蚀性的光化学烟雾。 （2）将与空气中的水蒸气发生化学反应，形成酸雨，酸雨会对森林和作物的根系营养循环系统造成破坏。 （3）与二氧化碳一样，也会引起温室效应，使地球表面气温上升，造成温度异常。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,29,光化学烟雾以及酸雨,2018/7/2,河北工业大学能源与
15、环境学院,30,一、NOx生成机理,根据生成机理不同，NOx分为三类：燃料型（ ）、热力型（ ）和快速型（ ）。,1、燃料型NOx: 化石燃料中氮化物的氮原子结合较氮气中氮原子的结合更脆弱，故在燃烧过程中容易释放出 N、NHi、HCN等化学成分，这些成分在低温下转化为NOx。总体而言，燃料的含氮量越高，燃料型NOx的排放量将会越高,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,31,燃料含氮量与NO生成量之间的关系,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,32,燃料含水量对NOx生成的影响,水蒸气对NOx具有还原作用，因此含水量提高将导致NOx生成量降低,2018/7/2,河北工业大学能
16、源与环境学院,33,2、热力型NOx: 氮气在高温下的氧化反应是由一组不分枝的链锁反应构成。,由于氮原子的分解所需要的活化能很大，因此反应必须在高温下才可进行。 氧原子与燃料成分之间所的发生反应活化能较低，故在火焰面上进行的主要是燃烧反应，热力型NOx的生成并不在火焰面上，而是在火焰的下游区域生成。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,34,燃烧温度对热力型NOX生成的影响,避免局部高温区的出现是降低热力型NOx排放的主要手段,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,35,一般来说，空气消耗系数增大，氧浓度增加，但又导致燃烧区温度降低，因此，热力型NOx生成量逐渐提高，在达到某
17、一个峰值后，又会逐渐降低 。,对于预混火焰， 燃烧温度最高，热力型NOx的生成量也最大,对于扩散火焰来说，燃料与空气边混合、边燃烧，由于混合不良，热力型NOx的生成峰值并不在 处出现，而是出现在 的某一位置,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,36,助燃空气中氧浓度对热力型NOx影响显著。当氧浓度在60%左右时，由于燃烧温度迅速提高，NOx量骤增。随后，随着N浓度的降低，NOx量逐渐减小。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,37,氧气逗留时间对热力型生成的影响,氧气在高温区逗留的时间越长，NOx的生成量越大,直到NOx生成反应达到平衡位置。,综上所述，降低空气消耗系数或缩
18、短氧气在高温区逗留时间，可有效抑制热力型NOx生成,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,38,3、快速型NOx：对于碳氢化合物燃料， ，将会在火焰峰面内急剧地生成大量的NOx，而其它可燃物如一氧化碳、氢气等在空气中燃烧却没有这种现象发生。 碳氢化合物燃料燃烧时，经分解反应生成CH、CH2和C2等基团，这些基团将破坏氮分子的分子键并生成HCN、NH等中间产物，然后这些中间产物与火焰中的O及OH进一步反应结合生成NOx,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,39,快速型NOx主要在预混燃烧时烃类燃料过浓 的情况下，快速生成。生成地点集中在燃烧反应带即火焰面内，对温度的依赖性较小。
19、,当量比与空气消耗系数互为倒数关系,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,40,二、低NOx燃烧技术,低NOx燃烧技术主要可归纳为以下几种形式： （1）对燃料进行预处理，降低含氮量； （2）对燃烧方法和燃烧器进行改进，采用空气分级燃烧、低氧燃烧、浓淡燃烧、烟气再循环、喷注水蒸气等方法，来降低的生成； （3）改变操作条件，如降低空气预热温度、改变空气/燃料混合方法、降低燃烧室容积热强度等； （4）改进燃烧室结构，采用再燃技术、切向燃烧技术、反焰燃烧技术等等； （5）烟气后处理，对烟气进行脱硝处理。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,41,氮氧化合物的抑制方法,2018/7/2
20、,河北工业大学能源与环境学院,42,1、空气分级燃烧技术 将燃烧所需要的实际燃烧空气量分两段或多段送入燃烧区，一级燃烧时，将少于理论燃烧空气量的一部分空气从燃烧器送入，使燃料在缺氧的环境下燃烧，则其燃烧速度与燃烧温度相对较低，有利于降低热力型NOx生成量；同时，燃料中的氮将分解成为HCN、HN等中间产物，这些中间产物相互之间发生复合反应，将已经生成的NOx重新还原为氮气，从而抑制了燃料型NOx的生成。 在主燃区之后，将燃烧所需要空气的剩余部分以二次风形式送入，使未燃尽的燃料和不完全燃烧产物在空气过剩的区域实现完全燃尽，即二级燃烧；尽管此时燃烧区氧气浓度很高，但由于火焰温度较低，所以在这个区域不
21、会生成大量的NOx。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,43,空气分级燃烧器结构与原理,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,44,空气分级或分段送入，可有效降低燃烧温度，可有效降低第一段的NOx生成量存在极限偏离率，即一段空气系数0.77最佳,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,45,分级平/旋流供风燃烧器,空气分三级送入：1、15%总空气量，通过旋流器，形成稳定的旋转负压区2、65%-70%，经文丘里配风器，直流送入燃烧区3、10%-15%，周边环形通道供入，可同时用于调整火焰长度,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,46,2、烟气再循环技术 烟气再
22、循环，就是利用某些辅助手段将燃烧产物重新送回到主燃区内，从而使主燃区中的氧气浓度被稀释，同时烟气吸热也会降低主燃区的温度 ，从而达到抑制NOx生成的目的。 尤其适用于含氮量低的燃料，如燃气等。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,47,利用空气喷射所产生的引吸作用将烟气回流到烧嘴出口附近，并使烟气与燃气、空气掺混在一起,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,48,将空气分级、烟气再循环、燃料分段技术有机结合的燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,49,烟气再循环,也可利用风机将一部分燃烧产物回流到烧嘴出口附近与燃气、空气混合，降低局部氧气浓度，防止局部高温区的
23、产生。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,50,Baltur低Nox燃烧器,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,51,3、浓淡燃烧技术 使一部分燃料在空气不足的条件下燃烧，而另一部分燃料在氧气过浓的条件下燃烧，无论是上述那一种情况，其空气消耗系数都是偏离化学恰当比的，所以也称之为非当量比燃烧。在燃料过浓的部分，因氧气不足，燃烧温度较低，故热力型NOx和燃料型NOx的生成量都较低；在氧气过浓的区域，因空气量很大，燃烧温度将有所降低，故热力型NOx的生成量较少。 多用于大型煤粉锅炉。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,52,2018/7/2,河北工业大学能源与环境
24、学院,53,4、贫燃预混燃烧技术 即空气消耗系数远远大于1.0情况下的完全预混燃烧技术。在空气消耗系数等于1.0时，NOx生成量最大，增大或减小空气消耗系数都能抑制NOx生成。 于碳氢燃料，空气消耗系数大于1.0情况下，不会产生快速型NOx。 在完全预混情况下，燃料/空气混合均匀，燃烧温度场均匀，没有局部高温区，并且燃烧持续时间短，氧气在燃烧区逗留时间也短，所以热力型NOx生成量低。 可通过燃烧室热负荷的调整来控制燃烧温度。 该技术的关键问题是：当燃烧在偏离化学恰当比下进行时，燃烧室内的压力振荡与火焰热释放之间会发生热声耦合振荡，导致火焰动力学失稳，发生熄火。,2018/7/2,河北工业大学能
25、源与环境学院,54,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,55,Ultra-low-NOx combustor concept that injects fuel from the wall of a venturi section (LDWI), counter to the air swirl. The air swirl is generated upstream of the Venturi section. Shown is a module for flame-tube testing with an enclosed pilot burner.,2018/7/2,河北工业
26、大学能源与环境学院,56,The premix pilot (D-stage) and the two main fuel stages (A and B stages ) utilize swirler fuel injection (SFI) technology, which is the key design feature that enabl es this combustor design to achieve sub-9ppm NOx emissions. By injecting fuel through multiple injection holes in the swi
27、rler vanes, enhanced fuel/air mixing is achieved, thus reducing the peak temperature of local hot spots that contribute to NOx production. In addition to improved emissions, this design is capable of handling a wide range of fuel composition and fueltemperature.,燃料分级,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,57,Dry Lo
28、w NOx combustor systems help meet environmental emissions requirements,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,58,在燃气中添加水蒸汽天津市自然科学基金,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,59,第四节火焰监测,约80的爆炸事故是由于火焰熄灭、着火滞后或者点火失败。,04年7月26日抚顺一台燃气炉发生爆炸，一吨重的炉体飞到了50米以外。,火焰监测系统的作用：1、对着火过程进行程序控制，提供切实可行的点火措施以及确认是否点火成功。2、核定燃烧所需要的正常条件，使空燃比以及压力始终处于火焰稳定范围内。3、当火焰
29、熄灭时，立即作出反应，警报并切断燃料供应。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,60,紫外线火焰监测器,所有火焰都能够产生紫外线，可以利用紫外线监测管来接收火焰散发的紫外线。但是要避免使用电火花点火。,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,61,工业电视,内窥式高温工业电视系统利用光学镜头监视火焰，镜头利用水冷、空冷或采用耐高温材料，可伸入2200C高温炉窑内长期工作。火焰监视的主要目的包括观察燃烧器的点火过程，判别炉膛是否熄火，燃烧过程是否稳定，燃烧火焰是否处于正常的位置和形态。多用于大型煤粉炉,2018/7/2,河北工业大学能源与环境学院,62,参考文献1、天然气燃烧节能环保新技术，傅忠诚，中国建筑工业出版社，2008,
