同济大学 邓钰才 冯 良 伊帅帅

全预混浸没式燃烧器的优化设计和研究

同济大学 邓钰才 冯 良 伊帅帅

针对目前国内市场浸没燃烧器存在的现状，设计了一套燃气全预混的浸没式燃烧系统，将燃烧室置于冷流体中，解决了燃烧室在高温燃烧的情况下还需要附加冷却装置的缺点，并对实验装置进行了测试，分析了在不同水深的情况下全预混燃烧器的加热温度和燃烧情况，测试了CO和NOx排放量等数据，为进一步设计和研究全预混浸没燃烧器打下了良好的基础。

浸没燃烧 全预混燃烧 浸没燃烧器 金属纤维燃烧器

目前，天然气作为一种清洁能源，越来越得到大家的关注和重视。使用天然气作为燃料的浸没燃烧器也逐步被大家接受。

浸没式燃烧器可将燃气燃烧后产生的烟气直接通入被加热液体中，减少换热、能量转输过程，最大程度的降低了能量的损失，提高了能源的利用率。与传统的浸没式燃烧装置相比，本实验系统将燃烧室直接浸入在冷水中，无需额外的冷却装置，节省了材料和空间资源，同时燃烧室散出的热量也被加热液体吸收，最大程度减少了热量的损失，燃烧器采用燃气全预混的方式，其具有燃烧速度快，燃烧效率高，排放低等优点。为了防止冷流体回流入燃烧室内，对鼓泡管也进行了优化设计，采用了防倒流的鼓泡管，保证了设备平稳、安全的运行环境。因此与传统的浸没式燃烧器相比，本系统不仅发挥了浸没燃烧器原有的优点，同时在此基础上进行了优化设计，提高了能源利用率，节省了空间资源，降低了污染物排放，解决了传统浸没燃烧系统燃烧室设在液面上方和冷流体倒流等难题，保证了设备高效稳定地运行，填补了国内对此类全预混浸没式燃烧设计和研究的空白。

1 全预混浸没燃烧器的系统设计

1.1 系统设计及工作原理

目前针对浸没燃烧装置的研究不多，而将全预混技术和浸没燃烧技术相结合的实验研究在国内基本属于空白，这二者技术的结合使本实验装置具有燃烧强度大，燃烧速度快，污染物排放低，换热效率高等优点。

本实验系统包括了全预混燃烧器、鼓泡管、浸没池、气泵和控制系统等组成部分。其工作原理如图1所示。

图1 系统原理示意

首先，燃气通过燃气比例阀，在风机的入口处与混合器通入的空气混合，由于风机入口处的压力为室外大气压，因此燃气比例阀可以根据燃气与室外大气压的压差直接控制空气—燃气的比例，并且保证比例稳定。经混合后的燃气、空气混合物由风机吹入金属纤维燃烧器内被点火针点燃，整个燃烧室浸入在被加热液体中，处在液面下方。燃烧产生的高温烟气流经沉入水底的鼓泡管，最终通过鼓泡口冒出，与浸没池内的冷流体直接进行热质交换，获得高温液体，最终经过换热的低温烟气排入大气。如果燃烧器未点燃或者熄火时，系统将自动关闭燃气阀，进行熄火后吹扫，并报警，确保燃烧安全。

1.2 燃烧器头部优化设计

在传统的浸没燃烧装置中，由于排气的背压较大，燃烧室内燃烧的压力波动也比较大，为了保证不脱火或者回火，燃烧器大多采用扩散或大气式的燃烧方式，但这两种燃烧方式的污染物排放较高，无法保证燃气的完全燃烧。而本实验所采用的燃烧器头部为自行设计的新型全预混金属纤维燃烧器，金属纤维具有耐高温(1 100 ℃)、机械强度大、抗氧化等优点，此外金属纤维在垂直方向上为长纤维的点接触，因而在气流方向上以纤维丝之间的接触传热为主，热传导率比较小，金属纤维表面即使达到1 000 ℃，未燃气体的温度仍然很接近混合气的温度，能有效的防止回火。因此燃烧器头部的设计是整个系统设计的关键部分，只有设计合理、结构紧凑、符合工艺要求，才能保证系统充分稳定地燃烧，避免发生回火、脱火等现象。

该实验所采用的燃烧器头部结构简单，燃气—空气混合气体经送气管进入头部，经过金属纤维后在表面燃烧，形成一层浅蓝色火焰。一般金属纤维的火孔热强度在1 500~2500 kW/m2，本实验所选用的金属纤维网的设计面积热强度约2 000 kW/m2，本次实验燃烧装置设计最大热负荷约为50 kW，故：头部金属网总面积：

式中：S——燃烧器头部金属网总面积，m2；

Q——燃烧器最大热负荷，kW；

qh——金属纤维网膜火孔热强度，kW/m2。

经过计算可得，金属纤维的表面积为0.023 m2，为了保证燃烧器头部在燃烧室内的燃烧强度和稳定性，故将金属纤维表面设计为圆柱体的外表面，圆柱体的高和直径为120×60 mm。燃烧器头部外形如图2所示。

图2 燃烧器头部结构示意

1.3 浸没燃烧池的优化设计

实验用燃烧浸没池尺寸1 200×400×1 200 mm，材料为不锈钢钢板，结构如图3所示。图3所示空间为放置加热鼓泡管的箱体部分。与原有的浸没池相比，此设计有利于加热鼓泡管直接装入浸没燃烧池，便于拆卸移动，并且可以在浸没燃烧池下部加装滚轮，方便浸没燃烧池的移动和拆卸。

图3 浸没燃烧池示意

1.4 加热鼓泡管的优化设计

加热鼓泡管部分包括燃烧室和鼓泡管，其结构如图4所示。预混充分的燃气和空气从燃烧器头部流出并被点火针点燃，在燃烧室内燃烧。燃烧产生的高温烟气在鼓泡管中受迫流动，然后经过鼓泡管上的鼓泡孔冒出，与冷流体直接进行热质交换，最终换热完成后的低温烟气排入大气。由于本实验装置使用了金属纤维表面，其燃烧强度大，表面温度较高，可以达到1 000 ℃及以上，如果以传统的浸没燃烧器设计思路设计的话，燃烧室一般放置在液面上方，那么燃烧室表面也会产生几百度的高温，长时间加热的话，势必会对燃烧室造成损害，并且通过燃烧室也会散走大量热量，导致设备的热效率下降。因此在本次设计中，为了解决上述难题，特将燃烧室浸没在冷流体中，这样在燃烧器运行时，燃烧室外表面直接与浸没池内的冷流体直接接触，外表面温度大幅下降，既起到了冷却作用，无需额外的冷却装置，并且燃烧室散发的热量被冷流体吸收，提高了热效率。

在燃烧过程中高温烟气从燃烧室中产生，并由鼓泡管鼓入冷液体中与之进行热质交换，由于燃烧室位置处在液面下方，液面高度产生的背压较大，燃烧室内压力波动比较大，如果无法顺利克服液面高度产生的背压，那么冷液体可能会由鼓泡管倒流入燃烧室内，这就可能对燃烧工况和设备造成极大的损害和安全隐患。为了解决此问题，本实验装置特将鼓泡管设计为凸出状，使鼓泡管的最高点高出液面。这样无论压力如何波动，冷流体都无法倒流入燃烧室内，保证了燃烧的稳定进行。同时为了增强换热效果，鼓泡管全部浸入冷流体底部。由于是气体与液体直接接触换热，鼓泡管产生的气泡充分沸腾和对被加热液体的搅拌都有利于加强换热效果。鼓泡孔的数量越多，产生的气泡数量越多，翻滚和搅拌的强度越大，越有利于换热的进行，但同时会导致燃烧时的压力不稳定。同时，鼓泡孔径越小，产生的气泡越小，在冷流体中停留的时间越长，越有利于换热过程的进行，但这样又会增加排气背压。因此必须合理设计鼓泡孔的直径和鼓泡孔的数目，才能保证换热的顺利进行。

图4 加热鼓泡管结构示意

1.5 风机和控制系统

在本实验中，由于需要研究不同功率下的燃烧状况，因此需要控制燃烧器的功率来实现燃烧温度的改变，本实验系统通过改变变频器和变频气泵的运转频率达到控制上述参数的目的。变频气泵采用的的是单段漩涡气泵，功率为0.85 kW，排气量为145 m3/h，排气压力为16 kPa。

本实验的控制系统主要为燃烧设备的自动控制，其中主要为自动点火控制、离子火焰探测控制、开关和功率调节控制及防爆安全控制。最终选用上海梅蒂公司生产的DFC—1燃烧控制器。DFC—1燃烧控制器可以检测火焰信号，从而控制电磁阀的启闭，由电磁阀上伺服阀控制燃气的流量，实现装置高效安全的运行。

2 燃烧性能测试与分析

2.1 热效率的计算和分析

本实验采用的天然气表压力为3 kPa，热值为34.2 MJ/m3，相对密度为0.594，水作为被加热流体，初始温度为23 ℃，密度为0.997 kg/m3。本次实验测定了系统在不同功率和不同水深下热效率的变化情况，实验系统如图5所示。

图5 实验系统

热效率是指用于被加热液体温度升高的热量占燃料燃烧输入总热量的百分比，可用来衡量实验系统中燃料燃烧释放的热量最终被利用的程度。加热效率表达式如下：

式中：η——加热效率；

Q——液体在被加热时间内吸收的热量，MJ；

QF——燃气的热值；MJ/m3；

VF— —加热时间内燃气的消耗量，m3。

根据上式和测量数据对实验系统的热效率进行了计算，计算结果如表1所示。

表1 不同浸没深度和不同燃烧功率下的热效率

由表1计算数据可看出，浸没深度从550 mm增加到650 mm，随着浸没深度的增加，热效率也随之增加。这说明当浸没深度增加时，高温烟气在水中停留的时间变长，烟气与水的热质交换更加充分，因而热效率就越高。但同时也应该注意到随着浸没深度的增加，热效率的增加趋势明显变小，这说明再单纯的增加浸没深度时，热效率不再会增长如此明显，而是会趋于一定值。

2.2 排放水平分析

表2列出了不同浸没深度和不同水深下的排放数据，可以看出此加热系统的有害气体成分CO、NO排放浓度很低，均在39×10-6以下，排放水平基本不受功率和水深的影响，可以一直稳定在很低的水平，证明燃烧器在不同工况下的燃烧运行十分稳定，各种指标完全符合国家的污染物排放标准。

表2 不同浸没深度和不同燃烧功率下的排放数据

3 结语

(1)此系统改进了原有的浸没燃烧技术，减少了换热过程的热量损失，提高了能源利用率。同时设备易于搬卸，便于移动，降低了使用成本。

(2)本实验装置采用全预混金属纤维燃烧技术，具有燃烧效率高，热强度大，排放低等优点，为以后的浸没燃烧技术提供了新思路和发展方向。

Optimal Design and Research on Submerged Burner with Fully Premixed Tongji University College of Mechanical and Energy Engineering

Deng Yucai Feng Liang Yi Shuaishuai

Based on the current situation of submerged burner in China, a submerged combustion system with gas fully premixed has been designed. In this system, the heating room is put into cold fluid, so it does not need any extra cooling device during burning situation. Meanwhile, the experimental device has been tested, heating temperature and combustion situation at different water depth have been analyzed, and the CO and NOxemissions datum have been tested. These give the base to the further design and research on submerged burner with fully premixed.

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