關(guān)鍵詞 液體火箭發(fā)動機，燃燒器，燃燒試驗。
1 前 言
高速氣體燃燒器是現(xiàn)代燃燒技術(shù)在工業(yè)燃燒器產(chǎn)業(yè)的體現(xiàn)，其出口處高溫燃燒產(chǎn)物的噴射速度可達100 m/s～300 m/s，具有節(jié)能、高效、火焰動量可控等技術(shù)優(yōu)勢,在發(fā)達國家已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在航空、鋼鐵、化工、輕工等行業(yè)的各種加熱爐上。我國在80年代引進此項技術(shù),并有一些仿制的產(chǎn)品投入市場,但是由于其成本高、耐火材料內(nèi)襯易壞、使用壽命短，影響了推廣。
高速氣體燃燒器是一種把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成燃燒產(chǎn)物的勢能和動能的裝置，液體火箭發(fā)動機是一種把推進劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成燃燒產(chǎn)物的熱能和動能的裝置，兩者在工作原理上有相似之處。利用在液體火箭發(fā)動機研制方面的豐富經(jīng)驗，開發(fā)研制了一種全金屬結(jié)構(gòu)，采用再生冷卻的高性能的高速氣體燃燒器。
1.1 高速氣體燃燒器的技術(shù)特點
a) 精確組織燃燒，燃燒效率99.9％；
b) 寬運行工況：熱負荷調(diào)節(jié)比1∶20， 空氣系數(shù)0.5～10；
c) 采用分級燃燒，有害氣體（NOx）排放符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)；
d) 具有煙氣引射回流功能，可以將廢煙氣從爐后引回重新投入爐內(nèi)；
e) 全金屬結(jié)構(gòu)，連續(xù)使用壽命3年。
1.2 高速燃燒器提高換熱效率的機理
在傳統(tǒng)的工業(yè)爐設(shè)計中，燃燒器的火焰速度大約為每秒幾米，當(dāng)燃燒產(chǎn)物溫度在600 °C～800 °C時，爐內(nèi)對流換熱與輻射換熱各占50％；在燃燒產(chǎn)物溫度為800 ℃以上時，以輻射換熱為主；在燃燒產(chǎn)物溫度達到1 400 ℃時，輻射換熱是對流換熱的10倍,所以大部分爐窯設(shè)計中,是以輻射換熱為基礎(chǔ)。但是在采用高速氣體燃燒器后，即使在高溫區(qū)，爐內(nèi)被強化的對流換熱在綜合換熱中所占的比重大大提高，具體說明如下。
采用普通燃燒器時，火焰速度低，燃燒產(chǎn)物在被加熱物表面的流動為層流，層流的對流換熱系數(shù)為
h1-Nu*λ/d
式中 努謝爾特數(shù)Nu=0.332Pr1/3*Re1/2；Pr為普朗特數(shù)；Re為雷諾數(shù)；λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；d為流道當(dāng)量直徑。
采用高速氣體燃燒器, 火焰噴射速度高(100 m/s～300 m/s),被加熱體表面流動以紊流為主，紊流附面層局部放熱系數(shù)為
h2=Nu*λ/d
式中Nu=Pr1/3(0.036Re0.8-836)
設(shè)加熱爐內(nèi)腔尺寸為6.45m×2.3m×2.9m，燃燒產(chǎn)物溫度為1 790 ℃，被加熱體溫度為900 ℃。
采用普通燃燒器，燃燒產(chǎn)物流速為5 m／s時，燃燒產(chǎn)物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為
q1=h1(tg-tw)=2671X4.18kJ/h*m2
采用高速氣體燃燒器，燃燒產(chǎn)物流速為150 m/s時，燃燒產(chǎn)物與被加熱體表面之間的對流換熱比熱流為
q2=h2(tg-tw)=10685X4.18kJ/h*m2
q2是q1的4倍。
國外曾就輻射加熱爐和高速對流加熱爐進行過比較試驗，在0 ℃～1 200 ℃的加熱過程中，輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的6倍，在750 ℃～1 200 ℃的加熱過程中，輻射加熱爐所需加熱時間是高速對流加熱爐的10倍。
1980年，國內(nèi)引進高速氣體燃燒器在井式加熱爐上進行技術(shù)改造，原有的輻射加熱爐從0 ℃～650 ℃升溫需要24 h，而采用了高速氣體燃燒器的加熱爐從0 ℃～650 ℃升溫只需4 h，并且燃料消耗量也由于采用了高速氣體燃燒器可以節(jié)省25%～30％。
在油田，用高速氣體燃燒器改造成三合一加熱爐，加熱效率提高了1倍，而燃料消耗量節(jié)約了20％。
高速氣體燃燒器的燃燒產(chǎn)物高速沖進加熱爐內(nèi)，攪動多倍的爐內(nèi)氣體隨之摻混，可以大大提高爐內(nèi)溫度均勻度。國外一家工廠用高速氣體燃燒器改造加熱爐后，爐內(nèi)溫度均勻度可由±15 ℃提高到±2 ℃。國內(nèi)井式加熱爐采用高速氣體燃燒器后，爐溫均勻度達到±7 ℃。
2 高速氣體燃燒器設(shè)計要點
2.1 精確組織燃燒
新研制的高速氣體燃燒器,為了達到完全燃燒，使燃氣和空氣通過眾多的噴孔分別進入燃燒室，燃氣射流與空氣射流一一撞擊，均勻混合，合成射流矢量方向應(yīng)與燃燒室主軸線平行，避免一射流穿透另一射流，造成混合不均。為了減少NOx的生成，采取分區(qū)燃燒，前區(qū)燃燒溫度低于后區(qū)燃燒溫度，在燃燒室出口燃燒溫度比較高。前區(qū)是貧氧燃燒，后區(qū)增加供氧，在燃燒室出口達到過?？諝庀禂?shù)α＝1。
如此設(shè)計，既能夠合理配風(fēng)，保證完全燃燒，防止CO生成，又能夠維持較低的燃燒溫度，減少有害氣體NOx的生成。
2.2 燃燒室室壁冷卻
燃燒室內(nèi)充滿高溫的燃燒產(chǎn)物,其金屬室壁必須有足夠的冷卻，才能安全工作。效仿液體火箭發(fā)動機的再生冷卻，在高速氣體燃燒器的設(shè)計中，利用空氣在燃燒室外腔流動，吸收室壁傳導(dǎo)的熱量，保證室壁在安全的溫度范圍內(nèi)工作。同時將空氣預(yù)熱能夠促進完全燃燒和提高理論燃燒溫度。
在燃燒室噴口局部高溫區(qū)，專門設(shè)計有空氣膜保護金屬壁。
由于采取了以上的設(shè)計，高速氣體燃燒器的使用壽命可達3年，而其他單位設(shè)計生產(chǎn)的高速氣體燃燒器的燃燒室由耐火材料作內(nèi)襯，使用壽命為幾個月，甚至有的產(chǎn)品，其耐火材料內(nèi)襯工作不足3個月就開裂。
2.3 流阻設(shè)計
在高速氣體燃燒器設(shè)計中，為了使燃燒產(chǎn)物具有足夠的動量，燃燒室應(yīng)該有一定的壓力。根據(jù)用戶提供的燃氣物理化學(xué)參數(shù)和速度要求，進行燃燒計算確定燃燒產(chǎn)物的各個熱力參數(shù)后，燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)物的壓力可以求出，即
pc=pa/[1-(k-1)w2/2kRT]k/(k-1)
式中pc為燃燒室壓力；pa為環(huán)境壓力；k為燃燒產(chǎn)物絕熱指數(shù)；R為燃燒產(chǎn)物氣體常數(shù)；T為燃燒溫度；w為燃燒產(chǎn)物在噴口處的流速。
空氣和燃氣進入燃燒器，流經(jīng)各自的通道，經(jīng)過噴孔進入燃燒室，沿途存在一定的流阻。圖1給出了燃燒器空氣流量Qk和空氣壓降Δpk的關(guān)系；圖2給出了燃燒器燃氣流量Qr和燃氣壓降Δpr的關(guān)系。
圖1 燃燒器空氣流路流量與壓降的關(guān)系(20 ℃) 圖2 燃燒器天然氣流路流量與壓降的關(guān)系(20 ℃)
燃燒器的空氣入口壓力pk是燃燒室壓力pc和空氣壓降Δpk之和，燃燒器的燃氣入口壓力pr是燃燒室壓力pc和燃氣壓降Δpr之和。即：
pk=pc+Δpk
pr=pc+Δpr
pk和pr不能過高，應(yīng)該滿足用戶提供的使用條件。
高速氣體燃燒器在使用天然氣作燃氣時，燃燒產(chǎn)物速度為100 m／s，其天然氣入口壓力為2 500 Pa，空氣入口壓力為2 100 Pa。
3 設(shè)計計算
3.1 燃燒計算
通過燃燒計算確定燃氣燃燒的空氣需要量L0、燃燒產(chǎn)物量Vα、燃燒產(chǎn)物密度ρ、氣體常數(shù)R、絕熱指數(shù)K和理論燃燒溫度T。
a) 根據(jù)選定的燃氣，確定低位熱值Qyd和組成成份的容積百分比。
b) 確定燃燒1m3燃氣所需的理論空氣量L0為
L0=4.672/100*[1/2*CO+1/2*H2+(n+m/4)CnHm+3/2*H2S-O2]
式中 CO，H2，CnHm為燃氣成份容積百分比。
c) 確定燃燒1m3燃氣產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物量Vy為
Vy=αL0+0.38+0.075Qyd/1000
e) 確定理論燃燒溫度T為
T=(Qyd+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α>1)
T=(Qy+CrTr+CkTkLα)/(VyCy) (α<1)
式中 Cr，Ck，Cy分別是燃氣、空氣、燃燒產(chǎn)物的平均比熱；Tr、Tk分別是燃氣和空氣的起始溫度；Qy為燃氣的有效發(fā)熱量。
Qy=Qyd-QVy
式中 Q為燃燒產(chǎn)物所含的熱量。
Q=3022Xco + 2581Xh2
式中 Xco、Xh2為燃燒CO、H2的容積百分比含量)。
f) 確定燃燒產(chǎn)物密度為
α＝1 時 ρy=(44Xco2 + 18XH2O +28XN2)/22.4
α<1 時 ρy=(44Xco2 + 28Xco + 18XH2O + 2XH20 + 28XN2)/22.4
式中Xco2、Xco、Xh2O、Xh2、Xn2分別為CO2、CO、H2O、H2、N2在燃燒產(chǎn)物中的容積百分比含量。
g) 確定燃燒產(chǎn)物氣體常數(shù)R為
R=8.314/Meq
式中Meq為燃燒產(chǎn)物的折合分子量。
式中Xi為第i種成分在燃燒產(chǎn)物中的容積百分比含量；Mi為第i種成分的分子量。
h) 確定燃燒產(chǎn)物絕熱指數(shù)k為
式中Cpi為燃燒產(chǎn)物中第i種成份的比熱。
3.2 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計計算
a) 選定燃燒器的熱負荷Q0。
b) 確定燃氣消耗量Vr(體積)、Gr(質(zhì)量)為
式中 ρr為燃氣密度。
c) 確定空氣消耗量Vk(體積)、Gk(質(zhì)量)為
Vk=L0Vr
Gk=Vkρk
式中ρk為空氣密度。
d) 確定燃燒產(chǎn)物生成量Gy為 Gy=Gr+Gk
e) 根據(jù)使用條件選定燃燒產(chǎn)物在噴口的速度ｗe。
f) 確定燃燒室出口截面積Fe、直徑de為
Fe=GyWe/ρy(1+T/273)
g) 確定燃燒室圓筒段截面積F1、直徑d1為
G562S5q616ZW/5bqmTDHkuLogTDE9KDF+MS40KWQx" src="http://www.whluck.com.cn/uploadfile/2014/0219/20140219111513880.jpg" style="margin: 0px; padding: 0px; font-size: 12px;" />
h) 確定燃燒室圓筒段長度L1為 L1=(1~1.4)d1
3.3 燃燒室噴孔設(shè)計計算
3.3.1 燃氣噴孔設(shè)計計算
a) 燃氣噴射速度wrj的選定。
選定的原則是：燃氣射流與相應(yīng)的空氣射流撞擊后，合成射流方向與燃燒室軸線平行。
b) 確定燃氣噴孔總面積Frj為 Frj=Vr/wrj
c) 確定燃氣噴射流量沿燃氣噴管長度的百分比分布。
根據(jù)圖3，燃氣流量在燃燒室混燃區(qū)的百分比分布，確定燃氣噴射流量沿燃氣噴管長度的百分比分布。
圖3 燃燒室內(nèi)空氣燃氣流量的分配
d) 確定燃氣噴孔沿燃氣噴管長度的分布。
沿燃氣噴管長度方向共有ｎ組燃氣噴孔，間距約為20 mm；沿燃氣噴管圓周方向，每組共有ｍ個噴孔，ｍ＝12～24。
e) 確定各組燃氣噴孔直徑。
根據(jù)燃氣流量沿噴管長度的百分比分布，可以知道噴孔的面積百分比分布，知道每組噴孔的總面積，設(shè)同組噴孔直徑相同，則該噴孔直徑可求。
3.3.2 空氣噴孔設(shè)計計算
a) 空氣噴射速度wkj的選定。
選定的原則同3.3.1，在額定設(shè)計狀態(tài)下，建議wkj≈15m/s。
b) 確定空氣噴孔總面積Fkj為 Fkj=Vk/wkj
c) 確定空氣噴射流量在燃燒室內(nèi)壁的分布。
根據(jù)圖3確定空氣流量，在額定設(shè)計狀態(tài)下，建議在點火區(qū)的空氣過剩系數(shù)α≈0.6；在混燃區(qū)末端α≈0.8；在尾燃室末端α≈1。圖4為燃燒室內(nèi)氣體流程圖。
圖4 燃燒室內(nèi)氣體流程圖
d) 混燃區(qū)空氣噴孔分組。
根據(jù)燃料噴孔分組確定空氣噴孔分組，每組空氣噴孔個數(shù)為m。
e) 尾燃區(qū)空氣噴孔的確定。
尾燃區(qū)空氣流量約占空氣總流量的20%～30%，空氣噴孔應(yīng)該直徑小、數(shù)量大，在尾燃區(qū)筒內(nèi)壁形成均勻的空氣冷卻膜。
4 燃燒試驗
高速氣體燃燒器經(jīng)天然氣燃燒試驗，證明其工作可靠、操作簡便。
4.1 點火方式
燃燒試驗采用了兩種電點火方式，一種是高能
點火器DHZ-103，點火頻率1.5次/s，貯能12J/次；另一種是火焰監(jiān)測點火器HJ-1，點火電壓15 000 V，點火嘴為汽車火花塞。
4.2 點火程序
a) 按額定負荷所需總空氣量的1/4供風(fēng)；
b) 電點火器通電；
c) 打開天然氣開關(guān)，在α≈0.6時，即可成功點火。
4.3 熱負荷調(diào)節(jié)
額定熱負荷為30 m3/h的燃燒器，在試驗中，天然氣量減少至1.6 m3/h時，仍能維持燃燒(α≈14)。
4.4 空氣系數(shù)調(diào)節(jié)
試驗中，燃燒器的空氣系數(shù)調(diào)節(jié)范圍為0.5～20，均可維持燃燒。
4.5 燃氣溫度調(diào)節(jié)
試驗中，燃燒器出口實測溫度變化范圍為90 ℃～1 300 ℃(α≥2)。
5 結(jié) 論
高速氣體燃燒器是利用液體火箭發(fā)動機的燃燒技術(shù)為工業(yè)加熱爐開發(fā)的一種高效、節(jié)能、低污染燃燒器。經(jīng)天然氣燃燒試驗，證明其工作可靠、操作簡單、熱負荷調(diào)節(jié)范圍大、空氣過剩系數(shù)及燃氣溫度調(diào)節(jié)范圍大。該燃燒器目前已成功地應(yīng)用在油田、陶瓷、鋼鐵等行業(yè)的加熱爐上。
