达冠生物质燃烧机的设计与应用

摘要：采用理论分析与生产实践相结合的方法阐述了生物质燃烧机的设计原理和使用经验。介绍了玻璃熔窑生物质燃烧机的设计依据与应用实例分杌根据燃烧火焰特性对燃烧器的性能进行评价。

    生物质燃烧是古老而年轻的课题。生物质燃烧技术的进步在很大程度上依赖于燃烧器性能的提高，因此很有必要对生物质燃烧机的设计与应用进行再认讽本文论述玻璃熔窑生物质燃烧的基本过程，高效节能型燃烧器的设计依据，以及燃烧器的应用实例分析。

2生物质燃烧的基本过程

    生物质燃烧是一项很复杂的物理和化学过程，基本过程可分为生物质喷雾，油雾在窑炉内的流动过程，油雾升温过程，油雾裂解、气化与燃烧过程以及传热过程共5个过程。喷雾效果是燃烧器性能的重要评价指标，与燃烧器的设计密切相关。而油雾在窑炉内的流动过程，油雾升温过程油雾裂解、气化与燃烧过程，以及传热过程这4个过程与燃烧火焰联系紧密，除了与燃烧器性能有关外，还与燃料的性能、窑炉的结构与尺寸、助燃风的供应方式、玻璃熔制工艺要求，以及动力参数的调节密切相关，这些过程因素是燃烧器设计和调试的主要内容。

    生物质喷霉机理可分为三种：压力雾化，气动雾化和发泡雾化。

    (1)压力雾化

    生物质流股以一定的压力和流速从喷头流线槽中喷出，流线槽一般根据喷雾效果设计成一定的曲线形状，喷出的流股通过相与相之间边界层的作用以及绝热膨胀过程分裂成液滴、液泡和液膜，根据流体流动和物理化学原理，滴、泡和膜之间将发生转变，生物质***终分裂成直径细小的油雾，油雾的大小与喷头的结构、油的状态变量（压力、流速、温度等），以及油的物理化学性能（如粘度，表面张力等）有关，油雾的射程和扩散角对于燃烧火焰的调节影响很大。

    (2)气动雾化

    气动雾化是利用具有一定压力的雾化剂与生物质之间的相互作用，把油雾化成一定粒径的油雾，雾化剂常用蒸汽和压缩空气，***常用的是压缩空气，因此本文采用压缩空气作雾化剂来讨论。假设生物质喷头不变，喷雾射程和扩散角除了可以采用压力雾化方式调节外，还可通过压缩空气的压力和用量来调节，因此，与压力雾化相比，油雾的射程和扩散角的调节手段多，调节范围宽，这种雾化机理更具有实用价值。

    (3)发泡雾化

    诋粘度的生物质利用压力雾化和气动雾化可以获得直径很细的油雾，能够满足燃烧工艺要求。对于质量较差的生物质，如高标号的重油，号外渣油，以及未脱蜡的重油，虽然可以通过提高温度使油的粘度和表面张力降低，提高喷雾质量，但是加热温度受到很多因素的限制，油温不能太高，否则，循环油会引起油罐冒泡，将加快管路连接处密封材料的老化，容易使油管路产生油泄漏；生物质将发生气化和裂解，产生析碳结焦，堵塞燃烧器和管路，使输送压力提高，产生不安全隐患。虽然也可以采用重渣油浮化技术改变油的粘度和表面张力，但应用推广工作目前还未普及。

    发泡雾化尤其适合于表面张力重渣油的雾化。根据物理化学原理，假设油与空气接触不发生扩散和化学反应，气泡是球形的，油和气泡均静止不流动，且各处温度均匀一致，则油中的气泡压力Ph可由下式计算：

    Ph—Pa+ Po+ P。式中：Pl)为气泡中的压力；P。为大气压力；P。为油的压力；P。为表面张力引起的压力，P。一46/d，a为表面张力，d表示气泡的直径。

    取油与空气接触的表面张力d - 0.3 N/m时，表面张力引起的压力P。与气泡直径d的关系见表。

    表1  表面张力引起的压力与气泡直径的关系

Pa/× 0. 1 MPa          12         1. 2       0. 12     0. 012

    由此可见，气泡直径越小，油的表面张力越大，油中气泡内的压力越大。生物质中一旦形成小于0. 01m rri的微气泡，气泡中会产生大于0.12 MPa的压力，使气泡迅速膨胀而破裂，从而起到雾化生物质的作用。因此发泡雾化尤其适用于重油的喷雾雾化，弥补了压力雾化和气动雾化的不足。发泡雾化的技术难点在于如何使油产生大量的微气泡。

3燃烧火焰的组织

    燃烧火焰除了与燃烧器结构有关钋，与窑炉的设计技术、运行条件、动力供应条件，以及操作技术是分不开的。企业应注重实效，根据实际情况设计或选择燃烧器，对燃烧器的性能给予客观公正的评价。

    燃烧火焰的组织，作者从实践中体会到值得注意以下几个方面：

    (1)燃烧器的结构与加工质量

    从燃烧器外观质量来看，不管是冷态试验、热态试验还是工业性应用比较，内混式结构取代外混式结构是一种发展趋势。因此，燃烧器应首选内混式结构，其次是燃烧器的加工质量，燃烧器内在加工质量对燃烧火焰有明显的影响。

    (2)燃烧器的安装方式

    对于玻璃单元窑（见图1），燃烧器的安装方式对火焰不会产生明显的影响。

    对于蓄热室窑炉（图2、图3），燃烧器的安装方式对火焰有一定的影响。燃烧器的安装方式与燃料和助燃风的混合效果有关，主要取决于小炉结构、燃烧器结构、燃烧空间大小，以及助燃风从小炉出口的流速。燃烧器的倾角与火焰的长度关系密切，现场调试应根据实际火焰特性进行选取。

    (3)助燃风的用量与供应方式

    助燃风的用量取决于燃料与助燃风的比例以及燃料与助燃风的混合方式，混合充分，空气过剩系数可以控制得比校低。

    燃料与助燃风的混合效果取决于小炉的设计、燃烧器的设计以及安装操作方式。    作者在一座马蹄焰窑的调试中，开始时助燃风

量过剩，在工艺温度不变和火焰特性不变的情况下，减少助燃风的用量，燃料消耗减少1/3。

    对于马蹄焰窑炉，小炉出口助燃风速对燃烧室内空气的流动和扩散影响很大，直接影响到燃烧火焰特性。如果燃烧室内氧气浓度分布不合理为了保证理想的燃烧火焰特性，只能增加空气过剩系数，必将导致燃料消耗的增加。

    (4)对火焰特性的认识

    火焰的覆盖面积对于增加火焰对物料的有效传热至关重要。与火焰覆盖面有关的火焰长度、宽度以及扩散角，除了必须满足熔制工艺要求外，还得与实际窑炉的结构设计相匹配，保证燃烧空间内合理的温度梯度。

    火焰的温度和亮度对燃烧室内的传热过程影响很大，只要采用高热值燃料火焰的温度调节不成问题。火焰亮度的调节目前还只能根据具体燃烧条件通过燃烧器的设计和操作控制，关于火焰析碳与发光的专题论述参见文献[1]。

    在火焰的亮度控制方面有不同的观点，一种观点认为火焰的亮度越高越好，另一观点认为火焰的亮度越低越好。作者认为，火焰的亮度只能作为燃烧控制的参考指标，燃烧控制应首先满足熔制工艺温度和火焰的覆盖面，火焰的亮度应与烟气中02含量和CO含量以及燃料消耗指标结合起来综合考虑。火焰亮度高，虽然能增强火焰向周围空间的辐射传热，但火焰析碳发光的前提条件是燃料高温缺氧析碳，容易导致不完全燃烧，烟气中CO含量高；火焰亮度低，甚至呈透明状，虽然燃料燃烧充分完全，但火焰辐肘传热效率低。

    (5)动力消耗

    生物质燃烧的动力消耗主要指燃料的消耗与雾化介质的消耗。质量好的燃烧器，喷出的油雾直径细小，与助燃风的混合效果好，火焰的覆盖面大，燃料燃烧充分，因而燃料消耗低。对于一座热耗4. 18×106 kj/h的窑炉，如果节约10%的燃料消耗，每年可节约87 t油，按油价1 500元／t计算，每年可节约消耗13万元。

    燃料燃烧的另一项动力消耗是雾化介质，目前绝大多数企业采用压缩空气雾化，普通的燃烧器压缩空气的油消耗在0.6～1.2 m3/kg，结构好的燃烧器压缩空气的油消耗可以控制在不大于0.3 ffl3]kgo对于一座热耗4.18X l06 kj/h的窑炉来说，压缩空气按价格0. 10元／m3计算，每年至少可以节约消耗2.6万元。

    (6)烟气成分的测定和颜色的观察

    烟气成分测定工作的意义和经济价值是很明显的，烟气成分中0 2含量和CO含量控制得合理，每年可为企业减少可观的动力消耗。据统i-l-[a，每增加1%的含氧量，燃料消耗增加率为2%～2.5%。

    烟气的颜色与燃料的燃烧工况以及烟气成分有关，凭经验观察烟气的颜色可间接地推测燃烧工况。

4设计依据

    生物质燃料器的设计仅仅满足燃烧室熔制工艺温度是不够晌，还应获得理想的燃烧火焰工况和窑炉气氛，因此对燃烧火焰产生影响的因素都是燃烧器设计应考虑的内容。这些因素归纳起来可分为动力条件，窑型结构，燃烧器结构，燃烧火焰工况四个方面。

    (1)动力供应条件

    燃烧设计需要采集很多原始数据，如生物质的热值和理化性能、生物质的供应能力、压力要求，以及供应条件的可靠性和稳定性、满足雾化所需雾化介质的用量和压力要求，这些都是与燃烧器的设计和使用性能直接相关的重要设计资料。

    (2)窑型结构

    窑型结构对燃烧火焰产生直接的影响。假设燃烧条件相同，仅仅窑型不同，如横火焰窑与马蹄焰窑，燃烧火焰长度不同。为了获得相同的火焰长度，马蹄焰窑燃烧器出口速度必须高于横火焰窑。

    小炉的结构型式，小炉出口面积，助燃风从小炉出口的速度和压力直接影响着燃烧火焰的亮度和燃烧速度。

    (3)燃烧器结构

    燃烧器结构对生物质的雾化特性，火焰的长度、亮度，以及扩散角影响很大。

    生物质燃烧机结构分外混式和内混式两种类型。内混式燃烧器具有雾化油雾粒径细小、燃烧充分、火焰调节范围宽的优点。

    (4)燃烧火焰工况

    熔制工艺对燃烧火焰工况有一定的要求。玻璃出料量、窑压、燃烧能力均对燃烧火焰特性有很大的影响，燃烧器的设计应充分考虑火焰的饫度、亮度，以及对这些因素有影响的参数。

5应用

    国内以重渣油为燃料的玻璃熔窑，燃烧器的结构形式很多，按燃料与雾化剂混合方式可分为外混式和内混式两种型式。文献[3]中曾对内混式和外混式燃烧器的冷态试验结果、热态试验结构，以及生产使用效果进行了详细的报道。通过实际使用比较，内混式燃料器具有以下一些优点：

    ①火焰覆盖面大；②调节范围宽；③噪音小；④油耗低；⑤火焰长度方向上温差小；⑥雾化剂耗量

    国外玻璃熔窑早己使用内混式燃烧器，国内玻璃熔窑也有使用引进产品的，从引进产品与仿制品的比较看出，燃烧效果存在明显的差距。由此可见，燃烧器设计和制造技术含量高，高质量的燃烧器不能简单依靠仿制，只有依靠理论知识和实践经验的积累，产品质量才能不断提高。

    以下是几种燃烧器的应用实例分析：

    (1) 40 ffl2单元窑燃烧器

    此窑每侧分布12只燃烧器，燃烧器结构为外混式，实际运行中燃烧能力8.4×loskJ／}i左右。在窑炉过大火时，火焰的末梢可以见到芝麻大小发光的火星，正常运行日寸，火焰长度短、亮度较低，几个月后燃烧器头部发现有烧蚀现象。燃烧器雾化介质出口前设有几个一定坡度的台阶压缩空气耗量很低，在每公斤油0.3 ffl3左右。此燃烧器设计和加工技术难度较高，存在的不足之处是燃烧器在使用中有一定的振动和噪音，火焰长度偏短。

    (2) 10 ffl2马蹄焰窑燃烧器[4]

    此窑每台小炉设2只燃烧器，结构为内混式，燃烧能力3. 35×l06 kj/ho正常运行时，火焰与燃气火焰相近，火焰稳定且方向性强，听不到噪音，压缩空气每公斤油耗量在0.3 IT13以下，火焰长度方向上温差小，使用效果比较理恕。

    (3) 71 rr12横火焰窑燃烧器

    此窑设计4对小炉，每台小炉设一只燃烧器，结构为内混式，火焰方向几乎呈水平状态，火焰亮度低，几乎呈透明状态。在窑炉改造前采用外混式燃烧器，每台小炉设多只燃烧器，火焰向上倾l,火焰亮度很高，火焰狭窄，覆盖面积较小。窑炉改造后采用内混式燃烧器，生物质消耗明显降低。通过比较发现内混式与外混式相比，燃烧更充分更完全。

    (4) 27 1T12单元窑燃烧器

    此单元窑燃烧器结构为外混式，燃烧能力在8.4×10。kj/h，采用低压风雾化，雾化风用量占助燃风总量的1/3，在过大火升温时，可以见到雪花状的火星，正常运行时，火焰白亮，燃料消耗高。

    通过4个应用实例和理论分析可以看出以下几点：

    (1)火焰的亮度与油耗相联系更有实用价值。火焰发亮，烟气中CO含量高，导致化学不完全燃烧。火焰透明，辐射传热效率较发光火焰低。因此，火焰的亮度用油耗的高低来评价较客观合理。

    (2)油雾化效果应与燃烧效果相联系，不能简单地认为油雾越细，燃烧器性能越好。冷态试验和热态试验效果好并不能说明生产使用效果好。燃烧器的设计不仅要喷出直径细小的油雾，而且还应合理地组织油雾在窑内的流态，在很大程度上，燃烧器起着组织燃娆火焰的作用。

    (3)火焰的亮度受到油雾流态的控制，生物质同样能燃出透明火焰。

    (4)雾化用压缩空气的消耗对于大型玻璃池炉来说是一项很大的动力消耗，应作为燃烧器的一项技术指标来考虑。

    (5)内混式燃烧器的设计应体现出气动雾化机理和气泡雾化机理，油雾直径小，油耗低。

    综上所述，燃烧器的结构与性能应与窑炉结构和操作技术相结合，才能获得理想的燃烧火焰和较低的燃料和动力消耗。

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