邹艳芳 史河 胡晓红 曾思惠

摘  要 燃烧效率和热效率是评价燃烧设备的重要指标，对指导节能起到重要作用。燃烧综合实验包括燃烧效率测定实验和燃烧热平衡实验，用以测量分析排烟损失、过量空气系数等因素对燃烧效率和热效率的影响，是能源动力类学科专业教学中的重要组成部分。通过燃烧综合实验，学生可以了解燃烧效率和热效率的测定方法；通过改变不同的工况，学生更能深入了解影响效率的因素，将抽象的效率和热平衡的分析转换为实际认知。同时，通过实验确定实验台的最佳运行工况，能够培养学生的自主探索能力。

关键词 燃烧效率；热效率；燃烧综合实验

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）14-0049-04

0  引言

锅炉是工矿企业大量使用的一种主要动力设备，能耗较高，且排放物污染环境[1]。燃烧效率和热效率是评价各种热工设备运行经济性的主要指标[2]。分析研究燃烧效率和热效率，对于高效清洁燃烧技术的发展、燃烧动力设备的优化设计和效率评定以及燃烧污染物的排放控制及锅炉改进设计等方面，都有极其重要的作用[3]。

实验教学是工科人才培养过程中的重要教学环节[4]。本科生直接接触锅炉效率测量的机会较少，通过燃烧综合实验，能够让学生掌握有关效率测定方面的知识，深入了解影响燃烧设备效率的因素，对于培养工科学生的实际能力，为以后进一步与工程实际结合打下良好基础。

1  理论基础

燃烧效率是衡量燃料燃烧充分程度的重要指标，其定义为燃料燃烧后实际放出的热量占其完全燃烧后放出的热量的比值[5]。燃烧效率主要取决于燃料自身的特性，即颗粒粒径、发热量、挥发分和灰分含量等因素[6]。

一般通过正反平衡这两种方法测定锅炉效率[7]。锅炉设备热平衡可以反映热量在锅炉中的利用情况[8]。利用正平衡法测量时需要测定燃料消耗量，以及锅炉的有效利用热。而反平衡法是通过测定热损失，如排烟热损失、气体不完全燃烧热损失等，进而计算锅炉热效率，利用反平衡法可以了解锅炉机组的工作情况并找到提高锅炉热效率的措施。因此，大型电站锅炉通常采用反平衡来确定锅炉的热效率。

2  实验装置

燃烧综合实验装置有可视化的燃烧室，可配置相关参数进行燃烧效率测定、燃烧热平衡实验、燃料与空气混合、燃料着火与熄火等实验。如图1所示，实验台主要由燃料系统、燃烧设备本体（小型锅壳式锅炉）、水系统、排烟系统、控制和采集系统等组成，燃烧综合实验台可更换燃烧器进行不同燃料（燃油、燃气）的实验，本次实验采用燃油。

进行燃油实验时，燃油经油泵供给燃烧器，经燃烧器中的燃油喷嘴雾化后燃烧，燃烧生成的高温烟气在鼓风风机的作用下经过燃烧炉膛并将热量传给冷却水，最后由烟囱排入大气。冷却水进入锅壳吸收炉胆中燃料燃烧释放的热量后经出水管道排出。在冷却水管道上装有涡轮流量计和进出口水温测量仪表。在炉膛处设有在线烟气分析仪，可监测炉膛内燃烧完成情况；出口烟道设有烟气分析仪表和温度测量仪表测孔，可进行烟气成分分析和排烟温度测定。烟道出口处烟气分析仪如图2所示。

3  实验内容

燃烧时的空气量及其与燃料量的配比，对燃烧效率和热效率的影响较大，过大过小都不利于燃料的燃烧。学生在实验中需要调节空气量和油压，分析过量空气系数以及油压对各效率的影响，并尝试找到最佳油气配比，如图3所示。

实验开始前，要保证良好的通风，并确保CO检测器已工作；开启实验台主电源；打开水源供应。缓慢调节冷却水流量控制阀，水流量大于200 g/s时，水流开关灯会变为绿色，水出口温度绿灯亮起，并调节水温控制转盘设定到70～80 ℃。旋转三通阀到所需燃油箱，打开燃油隔离阀，并利用提供的4 mm对边六角形键燃烧器风门大小进行调节，可改变空气量，其调节范围为nol-0～nol-4。此时，可按下绿色燃烧器on/off键，燃烧器风扇会立刻启动，进行吹扫，短时间间隔之后会听到点火火花声；轻轻挤压灌液泵辅助燃油流动，燃烧器开始点火；松开手泵，泵压力表会指示输送压力，绿色燃烧器on灯亮起，点火成功。如果没有点火成功，燃烧器会因火焰中断锁定；如果燃烧器锁定，需要等30秒才能按复位键。

4  实验数据与分析举例

过量空气系数和油压对燃烧效率的影响  从图4可以看出，随着过量空气系数增大，燃烧效率呈现减小的趋势，且当过量空气系数超过nol-1.5时，燃烧效率剧烈下降。这是因为当空气量增大，空气流速变大，将没来得及燃烧的可燃气体带出炉膛。此外，较大的空气量会降低炉温，而在低于800～900 ℃时，CO很难燃烧，气体不完全热损失增大，燃烧效率降低[9]。

图5所示为空气量为nol-1.5时，燃烧效率、排烟处CO含量随油压的变化曲线。由曲线可知，油压增大，CO含量降低。油压越高，使得燃油的雾化效果越好，燃烧越充分，排烟处CO含量降低，燃烧效率升高。但是，油压并不是越高越好。比如：学生在进行油压为9.5 bar的实验时，空气量降至nol-1时，燃烧器熄火，且此时排烟处的CO含量很高，这是因为油压较高时所需的空气量较大。同时会发现，燃烧效率在油压为8 bar处开始出现拐点，这说明当空气量为nol-1.5，油压为8 bar时，实验台处于较佳的运行工况。

过量空气系数和油压对反平衡效率的影响  如图6所示，排烟热损失随著过量空气系数的增大而增大；相应地，反平衡效率随过量空气系数的增加呈现下降趋势。与影响燃烧效率的机理类似，较大的空气量导致炉温降低，且烟气流速增加，可燃气体来不及燃烧就被空气带出炉膛，排烟量增加，从而导致反平衡效率降低[10]。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，为了得到较低的排烟温度，应适当减小过量空气系数[11]。当然，这也不是绝对的，油压较大时，空气量不能太小。

图7所示为一定空气量下，反平衡效率随油压的变化曲线。由曲线可知，随着油压的增大，排烟损失和气体不完全燃烧热损失减小，反平衡效率增大。这是由于油压越大，其雾化越好，燃烧越充分，反平衡效率增大。

过量空气系数对正平衡效率的影响  如图8所示，正平衡效率随着过量空气系数的增大先减小后增大。当过量空气系数为1.48时，正平衡效率最低。对于本实验，正平衡效率主要和有效利用热有关，即和炉膛温度相关[12]，内焰的温度可以从一定程度上反映炉膛温度，如图9所示，内焰的温度随过量空气系数增大先减小后增大。当过量空气系数为1.48的时候，内焰温度最低，与正平衡效率的变化趋势一致。

5  结束语

本实验可以作为一般测试性实验，也能作为探索性实验。学生通过不同工况下的燃烧效率测定、正反平衡实验以及实验数据处理和分析，能够直观深入地了解不同因素对效率的影响情况，以及各因素之间的耦合关系。这样一方面有助于强化学生的燃烧学理论知识，实验过程中遇到的问题和现象能激发学生探索的兴趣，增强学生的自主性；另一方面可以掌握对效率的测试，为以后的工程实践打下良好基础。

参考文献

[1]赖光楷.工业锅炉与煤的清洁燃烧[J].工业锅炉，2006（1）：1-5.

[2]崔克清.安全工程大辞典[M].北京：化学工业出版社，1995.

[3]刘涛，纪军，齐飞，等.我国燃烧领域的基础研究进展[J].中国科学基金，2012（6）：325-329.

[4]郝伟，李信.以培养创新人才为目标的实践教学模式探索[J].中国电力教育，2014（3）：184-185，204.

[5]汪军，馬其良，张振东.工程燃烧学[M].北京：中国电力出版社，2008.

[6]黄士忠.浅谈影响循环流化床锅炉燃烧效率的因素[J].锅炉制造，2011（5）：20-22.

[7]工业锅炉热工性能试验规程[S/OL].（2017-07-12）[2020-08-12].http：//www.jianbiaoku.com/webarbs/book/119561/3645334.shtml.

[8]周强泰，周克毅，冷伟，等.锅炉原理[M].2版.北京：中国电力出版社，2009.

[9]TSGG0003—2010工业锅炉能效测试与评价规则[S/OL].（2018-08-30）[2020-08-30].https：//wenku.baidu.com/view/fcde8aea551810a6f52486d4.html.

[10]孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M].北京：中国电力出版社，2002.

[11]马永涛.加热炉过量空气系数测量[M]//华西冶金论坛第27届（成都）会议：全国冶金节能与合同能源管理暨热工技术研讨会.2012：3-4.

[12]陆馗枢.锅炉热效率测试的影响因素探析[J].河南科技，2013（6）：76，83.