范文一：气体燃料的燃烧

气体燃料的燃烧

一 概 述

从原则上讲，燃气轮机燃烧室可以燃烧各种气体燃料。通常，在工业上采用的气体燃料天然煤气、炼焦炉煤气、高炉煤气、发生炉煤气以及由地下煤层气化而得的地下煤气等。实际上，任何一种气体燃料都是由几种简单气体混合而成的，其中某些气体具有可燃，而另外一些则是多余的惰性成分而已。属于可燃气体的有氢、一氧化碳、甲烷、硫化氢及各种碳氢化合物CmHn等。如饱和烃:乙烷—C2H6、丙烷一C3H8、丁烷一C4H10 、戊烷一C5H12 等，不饱和烃 :乙烯一C2H4 、丙烯一C3H6 、丁烯一C4H8 等。属于非可燃气体的有二化碳和氮气。此外，有时也含有少量氧气，但是它并不是惰性成分，因为在燃烧时它是有用的。

除了上述那些主要成分外，在气体燃料中还会有水蒸汽，有时可能含有悬浮状态的水分和其他呈汽化状，渡滴状和固体状的物质，如各种焦油、苯、石蜡、石油、煤粉和矿物质微粒等等。一般来说，供给燃气轮机用的气体燃料是事先清除了这些杂质的，除了水蒸汽外，其余物质的含量极少。表7-1中给出了各种气体燃料的容积平均组成成分

表7—1 各种气体燃料的容积平均组成成分(,)

煤气组成 硫化水蒸其他烃类CmHn 一氧 二氧 氮 氧 甲烷 氢 氢 气 化碳 化碳 戊烷煤气种类 CH4 Hg 乙烷 丙烷 丁烷 CO CO N2 O2 等 H2S H2O

天 0.1-0.气井天然气 85-89 0.5-2 0-微 0-微 0-微 - 0-1 0-微 0.1-6 0-微 然 8

煤 油井伴生气 70-90 2-10 1-10 1-10 0-微 0-微 - 0-1 0-微 0.2-7 0-微 气

炼焦炉煤气 23.9 2.0 56.8 5.4 2.2 - 9.3 0.4

水煤气 07 - 47.3 43.5 3.5 - 4.4 0.6

高炉煤气 1.5 - 1 27.5 11.5 - 60 - 人

造 地下气化煤1 - 21 8 19 - 50 - 煤 气

气 鲁奇炉煤气 4.4 - 15.7 10.7 10.7 0.5 30.2 - 27.8

流动床煤气 0.5 - 15.6 31.8 0.5 0.7 50.4 - 0.5

通常，可以根据热值把气体燃料分为三类，即:1.高热值煤气——热值大于15?07×106焦/标准米3(3600大卡,标准米3)者;2.中热值煤气——热值自6.28×106焦,标准米3(1500大卡,标准米3)至15.07×l06焦,标准米3(3600大卡,标准米3)者;3.低热值煤气——热值小于6.28×l06焦,标准米3(1500大卡,标准米3)者。当然，热值越低的气体燃料，其燃烧过程就越难组织。

显然，气体燃料的性质与其组成成分有密切关系。表7-2中给出了某些气体燃料的燃烧特性，可供参考。

表7—2 某些气体燃料的燃烧特性

热 值 理论燃气体理论燃3燃烧极限 最大火焰传播速度 积 在空气中 理论密度 千焦,标准米烧空气3(空气中的浓度) 米/秒 标准米/ 千克/的最低着 燃烧煤气种类 量 33标准米 标准米火温度 大卡,标准米 温升 3标准米/ 3 ? ? 空气中的浓度 3标准米 下限 上限 比值 速度 高热值 低热值 干 湿 %

天然气 0.736 5.26 14.95 2.84 0.678 9.46 530 35588/8500 39611/9461 1927 9.49 8.5 10.75 油井伴生气 0.89 4.8 13.5 2.81 0.71 10.5 650 40528/9680 44296/10580 1937 9.9 9.7 11.8 炼焦炉煤气 0.42 5.6 31.0 5.54 1.7 17.0 500 17375/4150 19050/4550 2897 4.2 3.0 4.85 高炉煤气 1.30 37.6 73.1 1.94 3479/831 3517/840 1207 0.69 发生炉煤气 1.16 17.4 66.0 3.79 - - 5652/1350 5945/1420 1577 1.22 鲁奇炉煤气 0.996 18.0 60.6 3.37 4559/1089 5652/1350 1266 1.08 流动床煤气 1.067 15.1 69.8 4.62 5803/1386 6142/1467 1650 1.23

由于在天然气中一般并不含有钒、钠等有害物质，其发热量(即热值)又很高，因而当天然气在获得大

量开采并进一步准备用作动力燃料时，就会成为燃气轮机中最有前途的一种燃料。在国外大约从五十年代

开始，就已着手对这个问题进行了研究。随着我国国民经济的迅速发展，有一定储量的天然气资源迫切需

要开采和输送，这就为燃气轮机燃烧天然气提供了条件。

此外，在国外由于能源危机的影响，目前正在大力研究煤和渣油的煤气化问题。这种低热值的入造煤

气经过处理之后，可以直接供燃气轮机应用。据估计。在1985年之后，这种动力装置将具有工业价值而成

为一种很有经济意义的能源形式。值得充分注意。

本章中，我们将着重讨论燃气轮机燃烧室燃用天然气和低热值人造煤气的问题，至于其他气体燃料的

燃烧问题有相似之处，就不赘述了。

天然气的燃烧与燃烧室

一般来说，天然气燃料比较容易燃烧，但是，在燃气轮机燃烧室中，假如空气与天然气的混合过程组

织不当，那么由于天然气的可燃范围比较窄(当均匀混合时，只是在 ,1 = 0.6,1.6 之间可以燃烧)，就有

可能出现熄火或火焰脉动等燃烧不稳定现象，。燃烧效率也不容易很高，特别是当天然气遇到冷空气时，

燃烧情况就会严重地恶化起来。

目前，在组织天然气的燃烧过程时有两种基本方案可循。第-种是预先混合式的燃烧方案，另一种是扩

散燃烧式的燃烧方案。

所谓预先混合式的燃烧方案就是指把天然气与-次空气预先均匀混合后，再送到燃烧室中去燃烧的方

案。图7—1中给出了这种燃烧方案的一个配气机构，可供参考。

由图可知:在这种配气机构中，空气旋流器的叶片是做成空心的，在旋流叶片的内弧侧钻有许多小孔，这样就可以使天然气由空心叶片的中间，经这些小孔喷射到空气旋流器的流道中去与一次空气相互掺混，随后进到火焰管中去进行燃烧。

图7—2预先混合式燃烧方案的 图7—1预先混合式的燃烧方案中天然气的配气机构 tl，=，(a1)关系 1一空气 2一天然气 3一值班喷嘴用天然气

这种燃烧方案的特点是:1.燃烧火焰比较短，因而燃烧室的热强度可以做得相当高;2.燃烧稳定性则比较差，一般在,= 2.6,3.0，即,= 15 左右时燃烧室就容易熄火了;3 . 在低负荷工况下燃烧1 ,

效率有较大幅度的降低。 图7—2中给出了这种燃烧方案的,=f (,)关系曲线。由图可知，当,=111 r

时，, = 94,95,;但当,增加到2时，,却会降至82,83,。 1 rr

研究表明，造成这些特点的主要原因应归咎于:在燃烧之前天然气已与空气混合得相均匀的缘故。因为当它们均匀混合后，在机组的负荷降低时，燃烧区内的一次过量空气系,1 (也就是燃料的浓度)就会普遍地降低，这样就会导致燃烧区温度全面下降，有时还会使燃料浓度超过了天然气的可燃范围。

为了克服这些缺点，可以在旋流器的中心部位安装一个值班喷嘴，用它来稳定燃烧火焰。当机组的负荷变化时，流经值班喷嘴的天然气流量基本上是不变的，这样就可以使得值班喷嘴附近的,1 恒定地维持在1.0-1.1的最佳范围之内，从而保证值班喷嘴的火焰始终不灭。这股火焰将作为一个稳定的点火源存在，在低负荷工况下就可以依靠它来引燃主火焰，使它不熄火。这就扩大了燃烧室的稳定工作范围，并使燃烧效率获得改善。通常，流经值班喷嘴的天然气流量可以取为燃烧室最大天然气消耗量的5-10% 。

克服这些缺点的另一个有效办法是;在空气旋流器的前面加装一个可以调整一次空气量的调风机构。当负荷降低时，这种调风机构可以关小一些，以减少一次空气量，保证燃烧区的一次过量空气系数,1 在任何负荷工况下都能维持在1.1,1.3范围之内。显然，这种燃烧室的火焰稳定性和燃烧效率一定都很良好。

A一A 放大

图7-3天然气的供气机构

l一天然气供气机构2,点火天然气流出的喷i:l 3一主天然气流出的喷口 4一点火天然气进口 5一主天然气进口 6一包角旋流器

所谓扩散式的燃烧方案就是指:把天然气与空气分别供入燃烧区，在那里一边混合一边进行燃烧的方案，就是一例。图7-3上给出了在图5-23所示的燃烧室中采用的这种燃烧方案的供气机构，就是一例。在这种供气机构中，主天然气的供应方式是模拟液体燃料喷油嘴的喷射方式来设计的，它能够使燃烧空间中天然气的浓度分布规律，大体上与液体燃料的浓度分布规律相似，从而可以保证同一个燃烧室在燃烧液体燃料或天然气时，都能获得良好的燃烧性能。

供气机构的头部结构情况如图7-4所示。

A一A B一B

图7—4供气机构的头部结构 1一主天然气流出的喷口 2一点火天然气流出的喷口

22在满负荷工况下，天然气的供气压力为6.375×105牛,米。(6.5公斤力,厘米)，主天然气的喷射速度为150米,秒左右。

图7-5中给出了在图5-29所示的OT-F-2]00S-4型机组上采用的天然气喷嘴的结构图。它也是扩散燃烧式

22的供气机构。在空载工况下，天然气的供气压力为3.462×10 5牛,米(3.53公斤力,厘米)，在基本负荷工

22况下，天然气的供气压力为7.944×105牛,米(8.1公斤力,厘米)。天然气由喷孔喷出的速度为170,200米,秒左右。

图7-5 OT—F一2100s一4型机组上采用的天然气喷嘴

图5-29和图5-29那样的燃烧室既能燃烧气体燃料，也能燃烧液体燃料。在改烧燃料品种时，需要停机更换相应的燃料喷嘴;而燃烧室本体却是通用的，无需改装和更换。

为了提高燃气轮机在改烧燃料品种时的机动性，目前人们已广泛采用了双燃料喷嘴的结构型式。这种喷嘴的特点是把液体燃料喷嘴与气体燃料喷嘴并联地组合在一起。在调节系统的控制下，它们既可以单独工作，相互切换;也可以联合工作，即同时烧油和烧气。也就是说，在改烧燃料品种时，不需要停机更换相应的燃料喷嘴。从而改善了机组的运行机动性和可靠性。

图7—6上给出了在图1—2那样的分管型燃烧室上采用的双燃料喷嘴的结构图。就天然气 的燃烧方式来看，它也是一种扩散燃烧式的供气机构。天然气燃料是由专门的供气通道 l 供给的，它被引到喷油嘴头部用精铸方法制成的旋流叶片的中间，由喷射孔5 喷入火焰管进行燃烧的。燃烧天然气时，

5 22 应保证天然气压力在(16.427,19.859)×10牛,米，即16.75,20.25公斤力,厘米范围内变化。当供气系

5 22统的压力低于(12.357?0.137)×10牛,米，即12.6士0.14公斤力,厘米时，机组就不能燃烧天然气了，否则容易发生熄火事故。

图4-59上示出了在图5-31那样的环管型燃烧室上采用的双燃料喷嘴结构图。该喷嘴是由一个天然气喷嘴和一个低压空气喷油嘴彼此并联在一起组成的。天然气是由?18的管道输入到天然气喷嘴的内腔，然后由开

0在天然气喷头8上的六个?5 喷射孔，沿着与火焰管的轴线相夹32角的方向喷到火焰管串去进行燃烧的。此外在天然气喷嘴体的头部还有一个吹气孔板，其上钻有两排彼此错列的20一?1.5小孔。通过这些小孔，可以把由天然气喷嘴体上的四个?9.6的径向孔引来的少量一次空气，喷向火焰管，借以防止在天然气喷嘴的头部形成积炭或积焦。

图7-6 在JB5301机组上采用的双燃料喷嘴的结构示图

1--天然气供气通道 2一雾化空气供给通道3一液体燃料供给通道

4一旋流叶片5--天然气喷到旋流叶片之间的喷射孔6一液体燃料喷嘴 7一雾化空气旋涡器

其上的低压空气喷油嘴是由雾化空气流道和燃油流道组成的。燃油经旋流锥上的六个切向槽产生高速

00旋转运动，最后通过喷口，喷入火焰管。喷油雾化锥角大约为70—80。

低压雾化空气在输入雾化空气流道后，将由开在螺旋帽套12端部的八个?1.1小孔，喷向燃料雾锥，

00借以帮助雾化。雾化空气流与燃料雾锥之间的夹角大约是65—70。通常，在机组启动时或是在燃烧重质液体燃料时，才有必要输入低压雾化空气。

扩散式燃烧方案的特点是:燃料在着火燃烧之前需要依靠紊流扰动与氧化剂进行混合。由于混合过程远较燃烧过程的进展缓慢得多，因此燃烧火焰比预混式者长，而燃烧稳定范围却宽得多，燃烧效率随负荷而降低的程度也不那么严重。但是，在组织这种燃烧过程时，必须特别注意一次空气与天然气的配合关系，应防止把天然气喷到冷空气层中去，否则燃烧效率将会严重恶化。

除此而外，人们还在研究另一种所滑射流配气式的供气机构，如图7-7所示。

A 向

空气

天然气 A

图7-7 射流配气式供气机构

这种燃烧方案的特点是;1(燃烧火焰也比较短，通常火焰长度只有火焰管直径d的1.5倍左右;2.燃f

烧稳定性很好。当过度锥顶上的一次空气进气孔采用顺列布置方案时，熄火时所相当的,=16,17;3(燃1 烧效率,=f (,)的关系曲线很平坦，如图7—8所示。这就是说，这种燃烧室在很广的负荷变化范围内，都1r

能获得比较高的燃烧效率。

为什么这种燃烧方案具有上述那些特点呢?主要原因是:在这种结构型式的燃烧室中，随着负荷的降低，天然气喷向燃烧空间的射程就会相应地缩短，这样就可以使得在天然气射程之外的那些一次空气射流，无法供应到天然气射流中去，即天然气的浓度不会被稀释的缘故。也就是说，当燃烧室的负荷改变时，利用天然气射程的变化可以自动调整直接参与燃烧反应的一次空气量，以确保在燃烧火焰区中始终能够具有合

1，和很高的燃烧温度水平。当然，在装设天然气喷嘴时，应该注意使每股天然气适的一次过量空气系数a

的射流，都能喷射到两排顺列布置的一次射流孔之间。这样，就可以防止燃烧火焰被高速的空气射流吹跑，有利于提高燃烧室的火焰稳定性。

总之，天然气是一种比较理想的燃料。一般来说，凡是能够燃烧液体燃料的燃烧室只要适当更换供气机构后，就可以改烧天然气。由于天然气的燃烧火焰比较透明，热辐射强度低，因而在燃烧天然气时，火焰管壁的温度将有所下降，这对于延长火焰管的使用寿命很有好处。

,=f (,)关系 图7—8 射流配气式燃烧方案的1r

但是应该注意，燃烧天然气时假如控制不当，就有发生爆炸的危险。因为当天然气与空气混合物的容积浓度处于5-14,爆炸极限范围内时，一旦突然点火，就会发生爆炸效应。这种事故通常是在机组停转后，因天然气的供气阀门关闭不严，以致有一定数量的天然气泄漏到燃烧室中去，，当再启动点火时发生的。国外燃烧天然气的燃气轮机曾多次出现过这种事故通。解决这个问题的措施有两个。一是在天然气的供气管路上安装双重阀门，力争机组停转时不使天然气漏入燃烧室;二是在启动过程中必须使机组在低转速下通风半分钟左右，力争把可能留在燃烧室中的天然气排向大气，然后才能点火升速。这样，就能保证机组安全可靠地运行。

天然气燃烧室的供气系统

任何一台燃烧天然气的燃气轮机都必须配备专用的天然气供气系统，它的任务是:

1.把输送到燃烧室去的天然气进一步清洁和处理;

2.保证按机组的运行要求，调节供向燃烧室的天然气流量;

3.保证在机组的启动、运行和正常或事故停机时，及时地供给天然气或切断天然气。

图7-9中示出了在OT—F一2100S一4型燃气轮机上采用的天然气供气系统。其中主要部件制作用是:

1.液体分离器和自动泄放阀2，在天然气供入液体分离器之前，需要使天然气预先过滤，把尺寸大于10微米的杂质除掉。当天然气进入液体分离器时，通过安装在器内的静止叶片的作用，使天然气发生旋转，进而可以利用离心效应，把残存在天然气中的微粒和水分进一步清除。这些被清除出来的杂质和水分，通

管排走。在自动泄放阀上装了一个电加热器， 当大气温度低于过自动泄放阀，由装在分离器底部的泄放

12?2?时，通过温度开关的作用，可以使电加热器自动投入，以防液体冻结。

图7—9 在OT-F-2100S-4型燃气轮机上采用的天然气供气系统

1.天然气来源 2.液体分离器与自动泄放阕 3.电加热器 4.手动泄放阀 5.自动泄放阀 6.温度开关 7.调压器

8.排向大气 9.燃科停止阀 10.排至放气管 11.快速放气阎12.电磁阀 13.压缩空气输入 14.压力开关

15.天然气调节闽和执行器组件 16.去天然气喷嘴 P.压力表

2(燃料停止阀9，为了停机时能够更可靠地切断天然气的来源，系统中采用了两个气体燃料停止阀。两个阀门的结构是完全相同的。但前面那个阀门有放气作用。在停机时，它能把残存在两个停止阀之间的天然气排向大气。这两个阀门都是气动操纵的膜式阀。通过电磁阀的控制，压缩空气被用来操纵燃料停止阀的开关动作。

当燃气轮机控制系统中的跳闸继电器带电时，电磁阀12就带电，使压缩空气流经快速放气阀1l去打开燃料停止阀9。那时，天然气将全部流向天然气调节阀和执行器组件15，把天然气供向燃烧室。当跳阀继电器失电时，电磁阀12也就失电而关闭，压缩空气就被切断，作用在燃料停止阀上膜式操作缸中的压缩空气就得不到供应。与此同时，快速放气阀1l由于供气压力的降低而被迅速地打开，进一步促使残存在膜式操作缸中的空气被排向外界大气。燃料停止阀就能立即关闭，以确保机组迅速地停止下来。

3(天然气调节阀和执行器组件15调节执行器组件根据机组控制系统中电调盘输来的燃料控制讯号，进行电液转换、液压放大，并通过机械连杆去操纵天然气调节阀的阀杆位最，即改变阀门的开度，来调节喷到燃烧室去的天然气流量。当然，流经调节阀的天然气流量与阀体的型线和压力降有关。调节阀体的型线是根据阀前的天然气压力保持恒定不变的条件设计的。因而，在燃料停止阀的前面需要专门安装一个调压器7，借以保证调节阀前的天然气压力恒定地保持为ii(768×105牟,米2(12公斤力,厘米2)。

图7—10中给出了在W101 G机组上采用的天然气供气系统，这个系统是用来与图4—59上的双燃料喷嘴相配的。

由图可知:质量合格的天然气是在流经手动阀门1、燃料自动紧急切换的压力开关2、粗滤器3、压力调节阀4、超速跳闸阀5、主控阀6和气体燃料隔离阀7后，被送到燃烧室上六个双燃料喷嘴的天然气通道中去的。为了连续地泄放天然气中含有的水分和杂质，在燃烧室前的天然气母管上，还专门装设了一个液滴连续放泄阀18。为了保证天然气来路上的压力恒定不变，在管路上设置了压力调节阀4。此外，为了安全还安装了供气安全阀8。

图7—10 在 W101G 机组上采用的天然气供气系统

l.手动阀门 2.燃料自动紧急切换的压力开关 3.粗滤器 4.压力调节阀 5.超速跳闸阀(6.砉控阀 7.气体燃料隔离阀

8.安全阀 9.气体流量计 10.压力开关 11.压力开关 12.压力表 13.燃料泄放阔 14.气体燃料启动阀

15.功率放大器 16.调压阀 17.快速释放阀 18.液滴连续放泄阿 Q.压气机来的信号 EG.紧急停机信号

R.仪表用空气管路 BN.由机组控制系统来的控制信号 CH.调节信号 D0，CD.控制油路

有关其他阀门的作用和相互关系简述如下。

1(超速跳闸阀5 它是与燃料泄放阀13并联在一起的。这两个阀门的动作是由机组控制油路的油压

来操纵的。控制油从CD输入，流经跳闸阀5和泄放阀13，由DO流出。当机组处于由点火状态到携带负荷的正常工作状态时，超速跳闸阀5将始终打开着，而燃料泄放阀13则关闭着。这样，才能保证天然气通过跳闸阀输向主控阀6，进而送往燃烧室。

当机组的转速超过额定转速的11,时，也就是发生了超速故障时，由于机组转子上起危急保安作用的偏心重块的径向跳出，将使由CD路输入的控制油压骤降，因而跳闸阀5立即关闭，而泄放阀13却同时打开。这样，就能切断供向燃烧室的天然气。与此同时，原先储存于跳闸阀之后的管道中的剩余天然气，将部分地通过泄放阀迅速地排入大气，以确保机组能够安全地停止下来。组能够安全地停止下来。

2(气体燃料隔离阀7 它是天然气通向燃烧室喷嘴的总关断阀，由机组的仪表用空气源通过管路月输来的压缩空气操纵的。在机组停止运行之后，由于输往R路的压缩空气被切断，气体燃料隔离阀7总是关闭的。这样，就能防止天然气泄漏到燃烧室中去发生点火时的爆炸事故。当机组要重新启动点火和携带负荷时，在机组控制系统的作用下，仪表用空气将输向R路，使气体燃料隔离阀打开，借以保证天然气的畅通供应。

这个阀门串联在操纵气体燃料隔离阀7的压缩空气管路月中。当机组需要紧急 3(快速释放阀17

停机时，可以操作此阀把压缩空气排向大气，由此促使气体燃料隔离阀7关闭。

4(气体燃料启动阀14 这个阀门是为了机组的平顺启动和防止突甩负荷时发生熄火事故而设计的。它也是通过月路由仪表用空气操纵的。启动阀只是在机组的点火瞬间，到转速升高到额定转速n。的45,这个阶段内逐渐打开。其最小开度对应于点火时的最小燃料量;当转速达到45,"。后，阀门开度达到最大值。此后，不论转速如何增高，阀门的开度就恒定不变了。正是由于这个原因，就能保证在突甩负荷时可以通过它，向燃烧室供应足够数量的天然气，防止熄火，并借以维持机组的怠速运行。

5(主控阀6 这个阀门是为了调节供向燃烧室的天然气流量而设计的。它是在机组的转速由45,以。，直到携带最大负荷的这个阶段内逐渐打开的。

6(燃料自动紧急切换的压力开关2 当天然气供气系统突然发生故障时，由手压力骤降，压力开关2就能动作，借以去自动攥纵液体燃料系统中的输油泵，使之投入工作。待液体燃料系统供油后，天然气供气系统才会由于机组控制系统的作用，而停止工作。

7，(压力开关10和1l是用来分别监视天然气管路上压力过低或过高的异常情况，借以发出报警信号的装置。此外，在管路上还装有气体流量计9。

8(在图7—10上标出了在压力开关lo与超速跳闸阀5之间，必须保证有一段，>21米的天然气输气管路的规定。这是为了保证天然气压力突降时，输气管路中仍有适当的储气量可以供给机组使用，以防发生由于从烧气系统切换到燃油系统时，燃料流量骤减而引起的负荷猛降的现象。 ‘

9(图7—10所示的系统能保证在机组的停运过程中，至少有两个关闭阀5和7串联在一起，这样可以防止天然气泄漏到燃烧室中去引起事故。此外，在停机时，燃料泄放阀13是打开的，它能进一步保证管路中残存的天然气排空。

图7—10所示的天然气供气系统可以与机组的液体燃料系统随意地自动切换，也能同时燃烧气、液两种燃料。

对于双燃料喷嘴来说，为了在烧天然气时能够防止燃油流道和雾化空气流道被积炭堵塞，就必须

向这两个流道供应少量压缩空气，借以起清扫和冷却作用，为此，需要设置清扭空气系统。通常，这个系统可以与空气喷油嘴的雾化空气系统兼用。图7-11中给出了与图4-59所示的双燃料喷嘴配合工作的、雾化与清扫空气系统的示例。

作为空气源。压力开关3控制压气机的启停。当储气罐中的空气系统中专门设置了一台活塞式压气机1

2252压力低于5(884×106牛,米(6公斤力,厘米时)，压气机投入运行，当压力高于8(826×10牛,米 (9

2公斤力,厘米时)，则停止工作。在雾化空气管路中装有雾化空气隔离阀9和雾化空气压差调节器10。当机组燃烧轻油时，雾化空气隔离阀在点火器投入后打开，、雾化空气就能通过压差调节器10，送往喷油嘴的空气流道，借以雾化液体燃料。五分钟后，由于机组启动成功，喷油压力已足够高，不再需要雾化空气来帮助轻油雾化了，因而，隔离阀9随即关闭。当改烧渣油时，隔离阀9将始终打开着，因为渣油燃料需要利用雾化空气来帮助雾化，才能很好地燃烧。当时，在压差调节器10的作用下，保证在喷油嘴的出口处，雾

522化空气的压力与机组压气机出口处空气压力的差值，始终维持为1.040×10牛,米(1?06公斤力,厘米)。

图7—11 雾化与清扫空气系统

1.活塞式压气机 2.储气罐 3.压力开关 4.安全阀 5.自动泄水器 6.压力表 7.排放阀

8.空气过滤器 9.雾化空气隔离阀 10.雾化空气压差调节器 11.清扫空气隔离阀

12.清扫空气压差调节器 13.清扫供气阀 14.清扫空气放泄阀 Q.压气机出口来的信号

在清扫空气管路中，则装有清扫空气隔离阀11、清扫空气压差调节器12和清扫供气阀13，压差调

5节器能保证喷油嘴的出口处，雾化空气的压力与机组压气机出口处空气压力的差值，始终维持为0.345×10

22牛,米(O(352公斤力,厘米)。清扫空气隔离阀11和供气阀13是当机组燃烧天然气时，由点火转速起直至携带最大负荷时，始终打开着。那时，清扫空气通过隔离阀11和压差调节器12后分为a、b两路。其中a 路通向双燃料喷嘴的燃油流道，清扫它，以防被积炭堵塞。另一路b则流经清扫供气阀13，通向双燃料喷嘴的雾化空气流道，以防雾化空气喷射孔被堵塞。

此外，在清扫空气管路上还装有一个放泄阀14。它的动作与供气阀13适得其反。在机组燃烧天然气时，它是关闭的。当机组由烧天然气的工况切换改烧液体燃料时，放泄阀将打开。可使清扫空气排向大气。

煤的气化与低热值气体燃料的燃烧问题

煤是一种古老的燃料，据估计在世界化石燃料的总储量中，它占80,，因而煤的开发潜力很大。长期以来，人们就曾研究过在燃气轮机中直接烧煤的问题，可是由于灰分难于除尽，致使透平叶片严重磨损而归于失败。50年代末期，苏联曾在煤矿中把煤地下煤气化，制成了,T一12—3燃气轮机发电机组，初步探索了在燃气轮机中以煤为主要能源的现实可行的道路。近几年来，由于资本主义国家能源危机的威胁，人们竞相研究把煤气化成为除去了灰份、硫份等有害物质的“清洁燃料"，供大容量、高参数的燃气一蒸汽轮机联合循环电站使用。这种方案有可能使电站发电效率提高到45-50,的水平，又能在煤的气化过程中回收活性炭、涂料、溶剂、元素硫等副产品，达到煤的综合利用和较好地解决环境污染的目的，既有现实可行的意义，又有发展前途，因而，引起了人们的充分重视。据综合分析认为:煤气化燃气一蒸汽轮机联合循环电站可能是本世纪中仅次于增殖反应堆汽轮发电机组的最有发展前途的一种发电系统，预计在1985年后，将正式应用于电力工业。

目前，正式试验成功的煤气化燃气一蒸汽轮机联合循环的电站只有一个，它于1972年投入运行，落成于西德吕奈恩(Lüenen)的斯蒂克电厂。系统的循环方案如图7—12所示。

图7—12斯蒂克电厂的煤气化燃气蒸汽轮机联合循环方案

l.鲁奇炉 2.洗涤冷却器 3.除硫装置 4.空气冷却器 5.空气增压器 6.煤气膨胀透平

7.正压锅炉 8.燃气透平 9.压气机 10.给水加热器 11.低压加热器 12.水泵

13.凝汽器 14.蒸汽透平 15.发电机

该系统的总发电容量为17万千瓦。燃气轮机发电7.4万千瓦，蒸汽轮机发电9.6万千瓦。为了煤的

3气化，安装了5台固定床式的气化炉[简称为鲁奇(Lurgi)炉【1】，每台的耗煤量为(10,15)×10千克,时，

522其中一台备用。其压力为20.595×10牛,米(21公斤力,厘米)，煤的粒度为5-30毫米，气化剂是空气和水

蒸汽;气化炉出口的煤气温度为550,600?，经洗涤净化后煤气的低发热量为6.62×106焦,标准米3(1580

3大卡,标准米8)，燃气透平前灰尘的含量小于2毫克,米，可保证透平叶片不被磨损。高压煤气首先流经煤

52气膨胀透平6，在其中作功，拖动空气增压器5，煤气压力降为10.788×10牛,米2(11公斤力,厘米)，随即进入正压锅炉7中，进行燃烧。锅炉排出的燃气温度为820?，进到燃气透平8中去作功，带动压气机9， 并发出电功。燃气轮机的高温排气(402?)用来预热锅炉的给水，使最终排气温度降为168?。由正压锅炉

5223产生的蒸汽参数为:127.49×10牛,米(130公斤力,厘米)，525?; 340×10千克,时。气化炉需用的水蒸汽由汽轮机级中抽取;需用的空气则由燃气透平带动的压气机的出口引出，经空气冷却器4冷却后，由

522空气增压器5增压到20.595×10牛,米(21公斤力,厘米)，随后供入气化炉。这股空气量大约占压气机9输出空气量的11.4,，所剩余的高压空气将供入正压锅炉，与煤气混合燃烧。全电站实际达到的净发电热效率为34,。

一空气 “燃气 xxx 高压蒸汽 … 凝结水 。。 NH气 3

煤 煤气 ,低压蒸汽 煤焦油 一。。一 HS气 2

图7-13采用废热锅炉的煤气化燃气一蒸汽轮机联合循环的方案

1. 煤的预处理设备 2.气化炉 3.除灰和除沥青设备 4.冷却瓶分离HzS和NH3 5.煤气饱和器

6.H2S吸收器 7.NHs分离器 8.空气增压器 9.蒸汽透平 10.空气冷却器 11.燃烧室 12.燃气透平

13.压气机 14.废热锅炉 15.低压汽包 16.高压汽包 17.蒸汽透平 18.发电机 19.凝汽器

20.水泵 21.除氧器 -

当然，煤气化燃气一蒸汽轮机联合循环也可以采用图7-13那样的方案，它与图7-12方案的主要区别在于;把正压锅炉改为废热锅炉，而煤气则供到燃气轮机燃烧室中去进行燃烧，燃气透平的排气则通入废热锅炉产生蒸汽。

显然，把煤气化成为低热值煤气并使之净化，是实现上述方案的关键。当然，为了使燃气轮机能够燃用煤气，燃烧室必须进行适当改造。本节中我们将简略地讨论一下这两个问题。

一，煤的气化与净化

实际上，煤的气化已有200年历史，1772年通过煤炭的干馏过程，可以使20,的煤转化为炼焦炉煤气。此后，用煤炭与水蒸汽加热反应制成水煤气，作为燃料或化工合成原料。后来，由于天然气和石油工业的发展，煤气化技术的研究才进展得比较缓慢。

煤的气化有两种形式:一是生产高热值或中热值煤气，它需要用纯氧作为氧化剂，甚至需要加H2以产生CH，其成本较高，另一种是生产低热值煤气，它只要空气鼓风，并加入适当水蒸汽就行了。这种气4

化炉的结构简单、运行费用低。现代煤气化联合循环大都采用低热值煤气作为燃料。

研究表明。煤的气化过程大致是由以下四个基本反应组成的:

1. 氧化反应 它使煤中的炭和氢氧化放热生成CO和水蒸汽，即 2

C + OCO (7-1) 2 ? 2

1H + OHO (7-2) 2? 22 2

2. 气化反应 它发生于未燃完的燃料中，那时，炭与水蒸汽和CO吸热反应生成H和CO,即 2 22

HOH22C+<?C+< (7-3)="">

3. 氢化反应 它使氢与燃料中的炭经过缓和的放热反应形成甲烷，即

C+2H?CH(7-4) 24

4. 挥发过程 煤在加热时逸出挥发物，即

煤+热?焦炭(C)+CH+HC (7-5) 4

式中HC为高碳氢化合物和沥青等物质。

煤

15

图7-15固定床气化炉

1.煤的入口 2.煤的闭锁室 3.在冷却水套中发生 的蒸汽的出口 4.配煤器的驱动装置 5.配煤器

6.煤气的出口 7.洗涤冷却器 8.清洗后的煤气的 图7—14 气化炉中各过程的分布情况 出口 9--破煤叶片 10一旋转炉排 11.旋转炉排的

驱动装置 12.冷却水套 13.气化剂入口

14.灰的闭锁室 15.灰的排出口

图7-14中给出了气化炉中四个过程的大致分布情况。在总的气化过程中，上述四个基本反应可能在气化炉中同时发生，或是分布于气化炉的各个区段中。通过对空气量和蒸汽量的调整，应使整个气化过程的吸热与放热反应，在热量平衡的状态下进行。

根据燃料在气化过程中的运动方式来分，低热值煤气的气化炉有固定床(即鲁奇法)、流动床(即沸腾床)、喷流式和熔融床等四种形式。目前，发展较完善的是固定床气化炉，其第四代产品已于1978年完成。炉中装有煤破碎器，以防煤料烧结堵塞，这样，就可以处理粘结性煤，以便扩大所使用的煤种范围。

图7-15中给出了固定床气化炉(即鲁奇炉)的结构示意图。气化剂(空气和水蒸汽)与煤相互作对流运动，

闭锁室2填入炉内。在气化炉的上部装有旋转式的配煤器5，它与由它带动起破煤煤经炉顶的密封装置——

作用的破煤叶片9一起旋转。煤经干燥、蒸馏和气化后，残存的灰份将被移动到炉底的旋转炉排10上去，然

,，其中大约有1—2,的未完全燃烧损失，3—4,的对外散后通过灰的闭锁室14排出。其气化效率约为95

热损失。气化炉产生的粗煤气的温度为3lO,650?，其容积成分大致是:H一19.6,;CO—13.3,;CH一22

2 5.5,，HS一0.6,，N一37.6,，HO一10.1,，CO一13.3,。高发热量为6.62×106焦,标准米(1580大2222

3卡,标准米)。 (

图7一16 中给出了与鲁奇炉配合工作的净化处理流程图。由图可知，煤在供入煤气发生炉1后，经与空气和水蒸汽的作用，转化成为含有煤焦油、油、酚、氨、硫化氢以及固体质点的低热值煤气。净化处理流程的目的是为了在充分利用热量的前提下，除去有害杂质，使煤气净化，以防危害燃气轮机和污染周围环境;同时回收有用的化工原料。

供煤

图7-16净化处理流程图

1.煤气发生炉 2.汽鼓 3.水洗冷却器 4.冷却器 5.锅炉给水加热器 6.终冷器 7.HS吸收塔 2

8.饱和器 9.煅烧器和废热锅炉 10.NH的汽提塔 11.油分离器 12.气水回收器 13.煤焦油回 3

收器 14.煤焦油分离器 15.锁气器 16.煤焦油残渣 17.含油的污水 18.锅炉

离开鲁奇炉的粗煤气，首先在水洗冷却器3中，与含有煤焦油和酚的液体喷雾直接接触，以除去固体质点和煤焦油。此后，煤气就在管壳式冷却器4中冷却。随后，在锅炉给水加热器5和终冷器中进一步冷却和水洗。这两个换热器既能起到控制进入HS吸收塔7的煤气温度的作用，同时又是NH吸收器，它们可以使煤32

气中含有的氨因冷却和水洗分离出来。在HS吸收塔中，煤气将用热钾碱溶液洗涤，以清除HS 。由此形成22的溶液将输入硫的回收系统，直接提取元素硫，并再生热钾碱溶液。最后，清净的煤气在饱和器8中，被再

62循环水和由各个气体冷却器中凝结析出的挥发油直接加热升温，达到压力为17.93×10牛,米、温度为157.20?的饱和状态。这股清净的煤气在供给燃气轮机燃烧前，还需在低压蒸汽加热器中进一步预热。由图可知，再循环水和由各个气体冷却器中凝结析出的挥发油，是在管壳式冷却器4中加热的，这样就能充分利用煤气中的潜热和显热。

此外，由管壳式冷却器中出来的、含有水、煤焦油和酚等凝结物的液流，将与由NH吸收器供来的氨水2混合在一起，被送到煤焦油分离器14中去分离。由此分离出来的重质煤焦油将送回鲁奇炉，参与煤的气化过程。较轻的煤焦油则将通过煤焦油回收器13分离出挥发油，经冷却器4加热后，送入饱和器8，在其中挥发成气，变为清净煤气的组成部分。由煤焦油分离器14分离出来的氨水，经气水回收器12的作用，除气后与油分离器11中分离出来的氨水混合在一起，被送到NH的汽提塔10中去分解氨气与水份。最后，由上述过3

程产生的煤焦油残渣、含油的污水以及由锁气器中漏出的煤气等，都将送入煅烧炉9中去燃烧。由此产生的高温燃气经除尘后，可供入废热锅炉，以便产生鲁奇炉制造煤气时所需要的水蒸汽。

固定床气化炉的最大缺点是:在使用粘结性煤时，容易造成床体的阻塞，致使气流流动不畅，煤气的质量不能稳定。目前，虽然已经装设了煤破碎器，但只能用于小型气化炉，因而在发展大型电站时，需要多个气化炉并联运行，控制比较复杂、基建和运行费用也随着增高。此外，由这种气化炉排出的煤气中，含有大量的沥青和HS，必须净化清除，由此需要增加设备，并导致热量损失，使电站的热效率下降。 2

由于以上原因，人们正在发展流动床气化技术。在这种气化炉中，气流以足够高的速度流过燃料的颗粒堆，使燃料颗粒处子悬浮状态，但不能把它们带走，这样，就能加强煤与空气和水蒸汽的相互作用，并防止凝聚成块。这时，可以和煤一起加入适量的石灰石。石灰石能与煤气化时产生的HS作用，直接在气化2过程中除去HS，其化学反应式是 2

,CaC0+HS?CaS + H0+C0 3222

CaO+HS—CaS+HO+CO,(7—6) 222

在除硫过程中形成的CaS，可以由炉底排出。

图7—17中给出了流动床气化炉的流程示意图。它是由干燥过程、挥发和除硫过程以及燃烧气化过程组成的。煤压碎后输入干燥器1，以减少其水份，使煤颗粒可以自由流动。干燥后的煤被送到挥发和除硫设备2的底部，而石灰石则由顶部加入其中。在这个设备中温度为700-930?。气流速度大于4.6米,秒。由石灰石与硫作用而生成的CaS，其比重较大，将沉向设备的底部，并由此排出。反应过程中所需要的热量，大部

分来自由燃烧器3提供的热煤气。燃烧器的上部是气化区，温度为980—1100?，下部为燃烧区，温度为1150?。由设备2提供的炭粒在燃烧区中与空气进行燃烧，以提供整个气化过程所需要的热量。

这种气化炉的优点是:1.可以处理各种煤，如粘结性煤和高灰分煤，2.对煤颗粒尺寸(的限制不太严格，由煤粉到6.4毫米的煤粒均能适用; 3.气体与固体之间进行逆向运动，逗留时间增长，有利于煤的充分气化和热量的充分利用。此外，在气化过程中已除去HS，无需淬冷，热损失可以进一步减少。相对于现2

有的固定床气化炉的净化系统来说，这一点是很重要的。因为据计算表明:煤经气化后，在煤的发热量中大约有70,的能量将继续以化学能的形式存在于H和CO中，而有30,的能量将转化成为低热值煤气的显热。2

这部分显热是否能够有效地利用，则是煤气化经济性的关键所在，4.气化炉的产气容量大。总之，这是一种尚需进一步研究，但颇有发展前途的方案。

清洁煤气

图7—17 多级流动床的气化过程

1.千燥器 2.挥发和除硫设备 3.燃烧器

二、燃气轮机燃烧室的改造问题

当煤气化燃气一蒸汽轮机联合循环采用图7-13那样的方案时，现成的燃气轮机燃烧室就必须进行改造，才能燃烧低热值煤气。

为了明确燃烧室的改造方向，有必要首先对比一下低热值煤气与天然气的物理性质和燃烧特性的差异。由表7-1和7-2可知，大致有以下几个方面:

1.低热值煤气的主要可燃成分是H和CO。相对于天然气中的CH来说，燃烧极限范围比较宽，因而，在24

燃烧室中燃烧低热值煤气还是比较容易的，在大多数情况下可以保证燃烧火焰稳定。只是当机组的负荷过

633低，致使煤气的热值降低到4.8 x 10焦,标准米(1148大卡,标准米)后，由于H和CO的含量过少，以及2

火焰管内气流的流动速度较大，而才有可能发生火焰吹熄现象。当然，对于高炉煤气来说，由于含H量仅l,22,，就易吹熄。

2.CO的燃烧反应速度是比较低的，而低热值煤气中的CO又是主要可燃成分，因而，为了确保燃烧的完全程度，就有必要适当增长CO在一次燃烧区内的逗留时间。为此，需要增大火焰管的直径或是使回流效应强化，以便改善燃料与空气的混合速率。

3.低热值燃料的理论燃烧温升要比燃烧天然气时低300-500?，因而，这种燃烧室容易解决NO问题，x但在低负荷工况下却容易发生CO含量超过环境污染标准的问题。不过对于流动床气化炉煤气来说，由于不采用水洗净化HS和灰份的措施，供向燃烧室的煤气温度有可能高达870?左右，那时燃烧区温度仍然极高，2

同样会存在NO过高的问题。此外，在低热值煤气中还会含有NH。这种化学结构的N，在燃烧室中很容易100,x3

地变成NO，为此必须清除NH。 x3

*4.由于低热值煤气的发热量低，为了使燃烧室出口的燃气温度t保持恒定，供给燃烧室的煤气容积流3

量就要比天然气者大8,10倍，因而煤气喷嘴、燃烧室火焰管的头部以及输气管线的尺寸，都要相应地增大。

5(由于低热值煤气中可燃气体的含量较少，因而完全燃烧1千克或1标准立方米煤气所需要供给的理论燃烧空气量L。，就要比燃烧天然气时少得多，它们的数量级大约是1.09与17.34千克(空气,千克?煤气

*的对比关系。不过为了使燃烧室出口的燃气温度t保持恒定，煤气量就要增多，相应所需要的理论燃烧总3

空气量虽然仍会比燃烧天然气时少一些，但是，燃烧空间中燃烧产物的总重量和总容积流量却要比燃烧天然气时略微大一些。表7-3中给出了燃烧三种气体时，这些参数的对比关系。

表7-3 燃烧天然气、高炉煤气和低热值煤气时理论燃烧空气量与燃烧产物流量的对比关系

燃 料

名 称 单位

甲 烷 高炉煤气 低热值煤气 发热量 千焦,千克 50056 3278 4198 气体常数 焦,千克.度 518.2 29307 338.7 燃烧室前的煤气温度 ? 250 250 250 燃烧室前的空气温度 ? 325 325 325 燃烧室后的排气温度 ? 1000 1000 1000 ,=1时的每千克煤气所需的理论空

千克/千克 17.34 0.82 1.09 气量

千克/秒煤气量 1.60 24.46 19.04

千克/秒,=1时的空气量 27.76 20.19 20.79 每100千燃烧空间中,=1时燃烧

千克/秒 29.36 44.65 39.83 克/秒的产物的总量

排气中 ,=1时的绝热燃烧温度 ? 2160 1670 1830

在燃烧空间中燃烧产

% 100 98 114

物的相对容积流量

由表7-3可知:当燃烧室改烧低热值煤气时，燃烧区中的气体流量略有增大，但增量并不很大，因而对于燃烧热强度较低的圆筒型燃烧室来说，可以考虑不用改变火焰管尺寸，但是，对于燃烧热强度较高的分管型或环管型燃烧室来说，则有必要考虑适当增大火焰管的直径。这个措施正好与增长CO逗留时间的要求是一致的。

由表7-3中还可以看出。当燃烧室由天然气改烧低热值煤气时，燃烧室中一次空气配气机构的面积并不要改动很大，因为在压气机之后抽取了10-20,的空气量供给气化炉用后，通过原有的配气机构供向燃烧区的空气量，仅仅要比燃烧低热值煤气时所需要的空气量多7-10,左右，两者的差值并不很大。

36(为了防止透平叶片的磨蚀，必须严格地控制低热值煤气中含灰量。一般要求达到10毫克,标准米

3的水平。但是，对于尺寸小于2微米以下的灰粒来说，即使的标准，经燃烧室燃烧后，降到2毫克,标准米

3把浓度提高到27毫克,标准米也无妨。

7(由于在燃烧低热值煤气时，燃烧区的温度比燃烧天然气和液体燃料时低，因而即使有l0-20,的空气量被抽去供气化炉用，致使燃烧室的冷却空气量有所减少，但是，火焰管壁的温度仍然不会增高。

此外，考虑到气化炉的启动需要，以及因气化炉的故障而引起的煤气供应不足的特殊情况，燃烧室应该同时具有燃烧液体燃料的能力。因而，燃烧系统必须按双燃料喷嘴的方案进行设计。当然在燃烧煤气时，燃油流道必须用清扫空气吹气保护之。

图7—18中给出了在圆筒型燃烧室中改烧低热值煤气时

的结构方案。这种燃烧室原先就能燃烧高炉煤气，因而

燃烧低热值煤气是不成问题的。供给气化炉的压缩空气

是由燃烧室顶部抽取的。试验表明:由于这种燃烧室的

燃烧热强度比较低，即使把煤气的热值降低到

6332.37×10焦,标准米(565大卡,标准米)，

在不加值班喷嘴的情况下，也能保证燃烧火焰的稳定。

据分析:在这种燃烧室中，旋流叶片是做成中空式的，

低热值煤气由旋流器的外侧供到空心旋流叶片的中间，

然后在叶片的前端，与由部位6输来的一次燃烧空气， 6一层夹一层地送到燃烧区中去进行燃烧的。 3.0 4.0 5.0X10

H，焦,标准米3 u

图7-21在W 501燃气轮机燃烧室中，

煤气的热值与吹熄速度之间的关系

l.煤气喷射压降为7000牛,米2(0(0714公斤力, 厘米2)时的特性 2.煤气喷射压降为17000牛,米o (O(1734公斤力,厘米2)时的特性

图7—19和7—20中给出了W 501燃气轮机燃烧室的火焰管在改造为燃烧低热值煤气时，火焰管以及双燃料喷嘴的对比照片。由图可知:与原型火焰管和喷嘴相比，几何尺寸都相应地加大了，但结构型式基本

633上没有变化。试验表明:当煤气的热值维持为4.8×10焦,标准米(1148 大卡,标准米)时，改造后的燃烧室能够在怠速工况与基本负荷之间，满意地燃烧低热值煤气。当时CO和CH的排出量都很低，燃烧稳定性xy

633也很好，但是，当煤气热值降低到4.0 X 10焦,标准米(956 大卡,标准米)，而火焰管的参考速度达到w=45米,秒后，燃烧火焰就被吹熄了。图7—21中给出了该燃烧室在提高喷气速度后，吹熄速度与喷气速f

度和煤气热值之间的变化关系。所谓参考速度就是指。进入燃烧室的全部空气的总容积流量在全部流过燃烧区时的假想速度。由图可知;适当减小煤气由喷嘴喷出时的流速，可以大大改善燃烧火焰的稳定性。当然，为了改善燃烧稳定性还可以采取其他各种措施，如:加大火焰管的直径、采用一次燃烧区富油配气方案、预热煤气以及增设燃用高热值燃料的值班喷嘴等。

总之，把现成的燃烧室进行适当改造以后，燃气轮机就能改烧低热值煤气。当然，为此需要预先进行许多调试工作。

总结、思考、讨论题

1(试讨论在燃气轮机燃烧室中燃烧天然气燃料的可能方案及其优缺点?与燃烧液体燃料的燃烧室相比，它有哪些特点?

2(通过对某些天然气燃烧室供气系统的分析，掌握供气系统的设计原则。

3(低热值煤气与天然气的物理性质和燃烧特性有哪些差异?它对燃烧室的改造有什么影响?

( 圉7一18燃烧低热值煤气的圆筒型燃烧室 l.辨嶷 2.火焰管 3.冷却空气的环形管道 4.混合喷管 6.流过燃烧空气和

供气化炉用空气的环形滴道 6.燃烧空气进入旋流叶片 7.供气化归用气的管道接口

8.供入煤气的管道接口 9.液体燃料的喷嘴

图7—19 W501燃气轮机燃烧室与改装后燃烧低热值煤气的燃烧室火焰管的比较

1.原来燃烧天然气的燃烧室 2.改造后燃烧低热值煤气的燃烧室

图7—20 W501燃气轮机的双燃料喷嘴在改造为燃烧低热值煤气时，结构方案的对比 1.原来燃烧天然气和液体燃料的双燃料喷嘴 2.改造后燃烧低热值煤气和液体燃料的双燃料喷嘴

范文二：气体的燃烧与爆炸

气体的燃烧与爆炸

所谓燃烧，就是某个物质，在达到一定的温度后(称为燃点)，与助燃剂发生剧烈的氧化反应，并放出热量和光的过程。

比如，当我们用打火机点燃一张纸时，纸就是可燃物，空气就是助燃剂(严格说起来是空气中的氧气);而打火机提供的热量则把纸加热到了它的着火点。

想要引发燃烧，可燃物、助燃剂、到达燃点这三个条件缺一不可。比如说，一块石头无论怎么加热也不会烧起来，纸在真空里也没法点燃;同时，纸在常温下是不会自己烧起来的。

而爆炸的过程，与燃烧很相似，但不完全相同。

从机制上说，爆炸可以分为化学性和物理性的。

最常见的化学爆炸就是放爆竹，砰的一声，把鞭炮炸成碎片。而在这个电光火石般的过程中，实际上往往包含一系列复杂的氧化反应。与燃烧相比，爆炸的过程更剧烈，在短时间内积累了大量热量、产生了大量气体，让有限空间无法容纳而爆裂开来。

比如，鞭炮中通常是装填黑火药，而黑火药则由硝酸钾、硫磺、炭粉按照一定比例混合而成。当接触到火源时，或者说达到黑火药的燃点时，其中的硫磺、炭粉被点燃，它们燃烧放出的热量，让硝酸钾分解而放出了氧气;这些氧气反过来又促进了硫磺和炭粉的燃烧，燃烧又放出更多的热量，让更多的硝酸钾分解……这个循环在一瞬间里反复发生，硫磺和炭粉经过燃烧就变成了二氧化硫、二氧化碳，再加上硝酸钾分解产生的氮气，这么多的气体没有地方可去，爆竹里的压强就越来越大，最终超过了裹紧的纸筒的极限，撑破纸筒喷了出来——这就是我们听到的“砰砰”声的由来。

物理性的爆炸，则是密闭容器因为外部加热，让其中的气体没有足够的空间来膨胀，压强就变得越来越大而撑破容器。虽然结果也是一声巨响，但这些气体本身并未发生改变。

范文三：G 系列两级燃烧气体燃烧机程控器的研究

G系列两级燃烧气体燃烧机程控器的研究

龚金科 易磊 成志明 董喜俊 梅本付 袁文华

(湖南大学 机械与汽车工程学院，湖南 长沙 410082)

摘要:介绍一种自行研制并已小批量生产的以89C51微处理器为控制核心的G系列两级燃

烧气体燃烧机程控器。在对该系列气体燃烧机控制系统进行深入分析的基础上，提出了采用

电子式程控器来取代机电式程控器。给出了电子式程控器的硬件结构图、主要输入输出接口

电路图及控制软件的主程序流程图。针对可能出现的干扰提出了相应的抗干扰措施。结果表

明，用电子式程控器来取代机电式程控器不仅在技术上可行，而且能大幅度降低生产成本，

有利于提高气体燃烧机的市场竞争力。

关键词:气体燃烧机;电子控制;89C51微处理器;硬件;软件;抗干扰

STUDY OF THE PROCEEDING CONTROLLER FOR AUTOMATIC GAS

BURNING MACHINE

GONG Jin-Ke，YI Lei，CHENG Zhi-Ming，DONG Xi-Jun，MEI Ben-Fu

(College of Mechanical and Automotive Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

Abstract: This paper introduces a G series proceeding controller for two-stage gas combustion of gas burning machine. This controller which uses 89C51 microprocessor as control core has been produced in small-lot. Based on profound analyzing this series gas burning machine, adopt electronic control proceeding controller instead of electromechanical proceeding controller. The hardware structural drawing, interface circuit and the main program flow diagram of its software are presented. To the possibility of interference, the corresponding measure of anti-jamming is explained. The result indicates electronic proceeding controller not only technical is feasible, but also reduces cost of production. It is favorable that increase market competitive power of gas burning machine.

Keywords:gas burning machine; electronic control; 89c51 microprocessor; hardware; software; anti-jamming

收稿日期:2004-7-22 基金项目:国家“九五”重点科技攻关计划项目资助(96-120-23-01)

作者简介:龚金科(1954-)男，湖南临澧人，湖南大学教授，博士生导师 易 磊(1972-)男，湖南长沙人，湖南大学硕士研究生

E-mail:yilei6190@tom.com

1

随着我国国民经济的不断发展，以各种可燃烧气体为燃料的燃烧机在各种需要热源的场合得到广泛应用。各类气体燃烧机工作时，均须实现燃烧机启动和停止时序化、燃烧过程调节自动化以及报警和联锁保护自动化等三方面功能，并且当自动调控系统失灵时还有手动功能。目前，进口的气体燃烧机程控器(如瑞士的LANDISYR，美国的Honeywell)均采用机械电子控制方式。通过组合凸轮实现顺序控制，并由顺序控制系统控制其内部的火焰继电器。当在燃烧过程中火焰熄灭或火焰不正常时，火焰继电器断开，使燃烧机处于故障停机状态。这种程控器具有可靠性高，安全性好等优点，但由于采用机械电子控制方式，故成本较高，适应性差，且不能对故障进行有效诊断及报警。

随着单片机技术的迅速发展，用简单的单片机系统取代结构复杂的顺序控制系统是电子技术及计算机技术发展的必然趋势。因此，作者选定单片机系统作为气体燃烧机程控器的硬件，再配以模块化、结构化的控制软件，以实现对各类气体燃烧机安全启动及燃烧过程的实时有效控制。基于以上原理，研制了RGK-A型全自动气体燃烧机程控器以取代瑞士LANDIS产LGK16.322型程控器。

1 硬件的组成

根据全自动气体燃烧机的控制要求，RGK-A型程控器采用89C51微处理器作为控制系统的核心部件，再配以输入与输出接口电路，构成一个较小的单片机系统。由于89C51本

[1]身片内有8K EPROM，还有4个I/O口，因此完全能满足程控器的硬件要求。

RGK-A型程控器硬件的组成如图1所示。

图1 硬件结构框图

Fig.1 hardware composition drawing

从图上可以看出，程控器的输入量多为开关量，这些开关量经过信号处理和光电隔离

[2]后即进入单片机。输入接口的光电隔离电路如图2所示:

输入接口的构成:开关量信号?信号处理?光电隔离?进入单片机。

从图1中还可以看到，程控器的输出端多为交流电动机、双重电磁阀等感性负载，这些感性负载的控制器件为触点式继电器。为了驱动这些感性负载，从单片机中输出的信号必

[2]须经过光电隔离、信号放大及继电器驱动等多个环节后才能驱动负载工作。

2

，12V

，12V

10K输

JZC,6F10K入IN4002输信出号信接89C51P1口

号1,6SN7407

图2 输入接口光电隔离电路 图3 输出接口的继电器驱动电路

Fig.2 Optoelectronic isolator circuit of input interface Fig.3 Relay drive circuit of output interface

输出接口的构成:输出信号?光电隔离?信号放大?继电器组?驱动。

输出接口的继电器驱动电路如图3所示。

从图3中可以看出，输出接口的继电器选用JZC-6F，该继电器线圈额定电压为直流12V，

[3]内阻约400Ω。选用SN7407六同相驱动器驱动该继电器。由于SN7407的每个同相器最大吸入电流达40mA，其输出晶体管集电集的耐压达30V，因此完全可以胜任此型号继电器的驱动要求。

该程控器不仅具有报警功能，而且可对不同的故障分别予以显示，以方便查找和排除气体燃烧机在启动和运行过程中出现的故障。气体燃烧机一旦发生故障，双重电磁阀立即关闭，同时程控器停止运行并显示故障位置。通过显示器上的不同符号显示各种情况下的故障形式。其中:

1?表示空压开关故障不启动; 2?表示风门控制器故障停机;

3?表示因无风压检测信号停机; 4?表示火焰监测电路故障停机; 5?表示燃气压力开关故障停机; 6?表示气阀泄漏停机

该显示器采用一位共阳LED数字显示器，静态驱动方式。其驱动电路如图4所示。

+5v

SD

gfedcba120,，8

Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0

CP74L374WR

89C517~D0D

0.1~P0.7

P

3

图4 一位共阳LED数字显示器驱动电路

Fig.4 Relay drive circuit of one anode LED numerical indicator

由于本系统的硬件组成较为简单，在输入输出环节上采取了光电隔离双重抗干扰措施，所以系统工作稳定，特别适于工业控制现场使用。

2 软件的设计

根据气体燃烧机启动过程的时间顺序要求、气体燃烧机进入运行阶段的功率调节和火焰监视来进行程控器软件的设计，其启动时序和功率调节如图5所示。

在图5中，AB段是气体燃烧机的启动阶段。气体燃烧机启动前必须确保温度或压力监控开关合上，风门处于关闭状态且无火焰信号。气体燃烧机的启动在顺序和时间上有严格的要求。启动时，首先是风机和伺服电机启动，同时伺服电机将风门全部打开进行预清扫，预 清扫时间t=36s。与此同时，空气压力开关开始检测鼓风情况，当确认鼓风正常后，风门 1

关至点火位置，点火棒点火，双重电磁阀开始释放燃气，燃气从蝶阀输出。若点火不成功，在t=2s安全点火时间内，双重电磁阀立即关闭，气体燃烧机停止启动。点火成功后，点火2

变压器从双重电磁阀打开喷气开始持续点火4s(t=4s)后关闭。此时，气体燃烧机启动完3

成，进入功率调节阶段即图示BC段。功率调节阶段主要是根据负荷调节开关的状态来

图5 启动时序和功率调节

Fig.5 Starting time sequence and capacity control

确定是低负荷还是满负荷，并据此来调节风门位置，以确保在最佳空燃比(过量空气系数)下运行，达到充分燃烧和节约能源的目的。CD阶段是气体燃烧机的受控关闭阶段。在气体燃烧机运行期间，若收到超温超压或停机信号时，气体燃烧机即进入受控关闭阶段。此时关闭双重电磁阀，启动点火变压器，风门开至点火位置，进入后清扫状态，历时t=12s后，气4体燃烧机停止运行，等待下一次启动。

根据上述启动时序和功率调节以及对火焰、温度或压力等方面的监控要求，设计了该程控器的软件。该软件采用MCS-51汇编程序语言编写，其主程序流程框图如图6所示。

4

复位点火2S

系统初始化N故障报警有火,

调采样信号SAMPLE

Y功率调节故障报警有火,正常运行

N空气压力开关合上,故障报警有火,

Y故障报警燃气压力超限,N停机

Y故障报警燃气泄漏

后清扫12S

预清扫36S

图6 程序框图

Fig.6 Flow diagram

该软件主要包括以下一些内容:

(1)主程序:完成气体燃烧机的启动和运行的监控，主要包括初始化、I/O口的设置、

[4]定时器设置、中断设置及对采样信号和判断结果进行相应的处理。

(2)采样模块:完成对输入开关量信号的采集和清除机械抖动处理。

(3)判断模块:完成对燃气压力、燃气泄漏、空气压力和火焰的监控，判断是否停机。

(4)故障报警模块:完成对燃气压力、燃气泄漏、空气压力及火焰的故障处理。

3 系统的抗干扰措施

RGK-A型全自动气体燃烧机程控器属于电子控制装置，因此在使用过程中不可避免地受到外界的干扰。为了保证程控器的稳定可靠运行，采取了以下相应的抗干扰措施。

1)消除和抑制干扰源 (

由于程控器的输入信号大部分都是一些开关量信号，在开关闭合或断开过程中不可避免地存在抖动，形成“毛刺”形干扰，容易造成程控器的误动作，因此在软件上采取了“去抖”

[5]措施。同一组信号输入时，进行了重复多次采集并延时，避开开关抖动过程，待信号稳定后再进行处理。此外，程控器的输出端主要是点火变压器、接触器、双重电磁阀、交流电动机等感性负载，切投这些感性负载的控制器件是触点式继电器，当其断开或接通负载供电电

5

[6]源时，都会在电感线圈的两端产生高于电源电压数倍到数十倍的反向电动势。如此之高的冲击电压不仅使触点间产生电击穿，而且对单片机控制系统产生极为有害的高频电磁辐射干扰。为了抑制这种干扰，在电路上设置了R-C网络和压敏电阻网络，如图7所示。实践证明，该网络对抑制火花及反电势造成的干扰效果显著。

图7 RC网络的压敏电阻网络电路

Fig.7 Piezoresistance network circuit based on RC network

(2)切断干扰源与受感电路的通道

在单片机的前向和后向通道中采用了光隔离器，通过电光和光电转换来传递信号。在电

[7]气上隔离了信号的发送端和接收端，有效地抑制了系统的噪声和接地回路的干扰。

(3)提高受感电路的抗干扰能力

RGK-A型程控器采用的89C51 CMOS芯片。具有低功耗、使用电压范围宽(4~6V)、噪声容限高和抗干扰能力强等优点。在直流电源的设计上采取了桥式整流电容滤波稳压电路。当外部电源电压在220V?15%范围内波动时，亦能输出稳定的5V电压以供单片机系统稳定运行。在电路板上采取了加粗接地线，在供电端加电解电容滤波、大电流和小电流电路

[8]分开制版和版间加屏蔽层等一系列抗干扰措施。

4 结 论

综上所述，用单片机控制系统取代机电式顺序控制系统不仅能完全满足气体燃烧机启动和运行过程控制要求，而且制造成本低，与机电式程控器相比具有价格优势。制造一台RGK-A型程控器所需费用仅为购买一台瑞士LANDIS产LGK16.322型程控器的20%左右，为国产机电式程控器价格的40%左右。另外，单片机控制系统具有低压启动和久压保护功能，

5加上完备的抗干扰措施，故可靠性较高，其平均无故障时间可达10小时以上。通过修改软件控制参数可适应多种机型使用。该程控器经过用户近两年时间的考核运行，未出现任何问题，完全能够取代进口及国产机电式程控器，现已开始小批量生产。

参 考 文 献

[1]Jonathan. W V. Embedded Microcomputer Systems: Real time Interfacing. 2003 45-46

[2]余永权，汪明慧等. 单片机在控制系统中的应用[M]. 北京:电子工业出版社，2003 77-78 [3]Barry B Brey. The Intel Microcomputer Architecture Programming and Inerfacing –5th edition 2001. 198-199

6

[4]丁元杰. 单片微机原理及应用[M]. 北京:机械工业出版社， 1999 230 [5]易磊，张岚. 全自动燃烧机程控器，机电一体化，2001, 3:38-39 [6]张桂香，王辉. 计算机控制技术[M]. 成都:电子科技大学出版社，1999 165-166 [7]房小翠. 单片微型计算机与机电接口技术[M]. 北京:国防工业出版社，2002 200-201 [8]胡汉才. 单片机原理及其接口技术(第三版)[M]. 北京:清华大学出版社，2003 394

7

范文四：一种高速气体燃烧器的研制

一种高速气体燃烧器的研制

( )王家兴罗哲中国运载火箭技术研究院第十一研究所 邮编: 北京 100076

摘要 本文介绍了一种高速气体燃烧器, 叙述了其技术特点、设计要点和具体的设计方法, 这是利用液体火箭发动机的 燃烧技术, 为工业加热炉开发的一种高效、节能、低污染的新型高速气体燃烧器, 填补了我国民用燃烧器技术的一项空白, 并 已成功地应用在油田、钢铁、陶瓷等行业。

关键词 火箭发动机 高速气体燃烧器

D eve lopm en t of New H igh Ve loc ity Ga s Burn er

W an g J iax in g L uo Zh e

()11 th I n s t itu te of C h in a R ock e t R esea rch I n s t itu te, 100076

A bstra c t T h is p ap e r in t ro du ce s a n ew k in d o f h igh ve lo c ity ga s b u rn e r. T h e tech n ica l fea tu re s an d

. de sign p ro ce ss a re p re sen tedT h e advan ced th eo ry an d sk ill accum u la ted in liqu id ro ck e t en g in e deve lop 2

. m en t a re app lied to de sign th e b u rn e r w h ich is o f h igh th e rm a l eff ic ien cy an d low po llu t io nT h e b u rn e r h a s

, .su cce ssfu lly in sta lled o n h ea t in g fu rn ace s u sed in o il f ie ldm e ta llu rg ica l an d ce ram ic in du st r ie s

, Key word s ro ck e t en g in eh igh ve lo c ity ga s b u rn e r

a. 精确组织燃烧, 燃烧效率 99. 9% ;

. 宽运行工况: 热负荷调节比 1?20, 空气系数 前言 b1

0. 5, 10;

. 高速燃烧器是现代燃烧技术在工业燃烧器产业采用分级燃烧, 有害气体 () 排放符合国 cN O X 的体现, 其出口处高温燃烧产物的喷射速度可达 家环保标准;

100, 300 ?具有节能、高效、火焰动量可控等明 , m s. 具有烟气引射回流功能, 可以将废烟气从炉 d

显的技术优势, 在发达国家已经广泛地应用在航空、 后引回重新投入炉内;

钢铁、化工、轻工等行业的各种加热炉上, 我国在 80 . 全金属结构, 连续使用寿命 3 年。 e

年代引进此项技术, 并有一些仿制的产品投入市场, 1. 2 高速燃烧器提高换热效率的机理但是由于其成本高, 耐火材料内衬易坏、使用寿命 在传统的工业炉设计中, 燃烧器的火焰速度大 短, 影响了推广。 约为每秒几米, 当燃烧产物温度在 600, 800 ?时,

高速燃烧器是一种把燃料的化学能转换成燃烧 炉内对流换热与辐射换热各占 50% ; 在燃烧产物温 产物的热能和动能的装置, 液体火箭发动机是一种 度为 800 ?以上时, 则以辐射换热为主; 在燃烧产物 把推进剂的化学能转换成燃烧产物的热能和动能的 温度达到 1400 ?时, 辐射换热是对流换热的 10 倍, 装置, 两者在工作原理上有相似之处, 利用我所在液 所以大部分炉窑设计中, 总是以辐射换热为基础。但 体火箭发动机研制方面的丰富经验, 我们开发研制 是在采用高速燃烧器后, 即使在高温区, 炉内被强化 了一种全金属结构, 采用再生冷却的高性能高速气 的对流换热在综合换热中所占的比重大大提高, 具 体燃烧器。 体说明如下。 1. 1 高速气体燃烧器的技术特点 采用普通燃烧器时, 火焰速度低, 燃烧产物在被 加热物表面的流动为层流, 层流的对流换热系数

收稿日期: 1998206213 = ?? h 1 N u Κd修稿日期: 1998210225 1?3 1?2 式中: = 0. 332?, 努谢尔特数; N u P rR e

12

试验研究: 一种高速气体燃烧器的研制

P r—普朗特数; 新研制的高速气体燃烧器, 为了达到完全燃烧,

—雷诺数; —气R eΚ使燃气和空气通过众多的喷孔分别进入燃烧室, 燃

体的导热系数; — d 气射流与空气射流一一撞击, 均匀混合, 合成射流矢

流道当量直径。 量方向应与燃烧室主轴线平行, 避免一射流穿透另

采用高速燃烧器, 火焰喷射速度高 ( 100, 300 一射流, 造成混合不均。为了减少生成, 采取分 N O X ?在被加热体表面流动以紊流为主, 紊流附面 ) , m s区燃烧, 前区燃烧温度低于后区燃烧温度, 在燃烧室

层局部放热系数 出口燃烧温度最高。 前区是贫氧燃烧, 后区增加供

氧, 在燃烧室出口达到空气系数 Α= 1。= ?? h 2 N u Κd

1?3 0. 8 如此设计, 既能够合理配风, 保证完全燃烧, 防 )(836 : N u = P r0. 036R e- 式中止 生成, 又能够维持较低的燃烧温度, 减少有害 CO 设加热炉几何内腔尺寸为 6. 45 m ×2. 3 m × 气体的生成。N O X 219 m , 燃烧产物温度为 1790 ?, 被加热体温度为 2. 2 燃烧室室壁冷却 900 ?。燃烧室内充满高温的燃烧产物, 其金属室壁必 在采用普通燃烧器, 燃烧产物流速为 5 时, ?m s 须有足够的冷却, 才能安全工作。效仿液体火箭发动 燃烧产物与被加热体表面之间的对流换热比热流机的再生冷却, 在高速气体燃烧器的设计中, 使助燃 2= ( - ) = 2671×4. 18 ??q1 h 1 tg tw kJ h m 空气在燃烧室外腔流动, 吸收室壁传导的热量, 保证 在采用高速燃烧器, 燃烧产物流速为 150 ? m s室壁在安全的温度范围内工作。 同时将空气预热能 时, 燃烧产物与被加热体表面之间的对流换热比热 够促进安全燃烧和提高理论燃烧温度。 流 在燃烧室喷口局部高温区, 专门设计有空气膜 2= ( - ) = 10685×4. 18 ? ?q2 h 2 tg tw kJ h m 保护金属壁。 是前者的 4 倍。 国外曾就辐射加热炉和高速对流

由于采取了以上措施, 高速气体燃烧器的使用 加热炉进行比 寿命可达 3 年, 而国内其他单位设计生产的高速燃 较试验, 在 0, 1200 ?的加热过程中, 辐射加热炉所

烧器其燃烧室有耐火材料内衬, 使用寿命为几个月, 需加热时间是高速对流加热炉的 6 倍, 在 750,

甚至有的产品, 其耐火材料内衬工作不足三个月就 1200 ?的加热过程中, 辐射加热炉所需加热时间是 开裂。 高速对流加热炉的 10 倍。 2. 3 流阻设计1980 年, 马鞍山钢铁公司引进高速燃烧器在井 在高速气体燃烧器设计中, 为了使燃烧产物具 式加热炉上进行技术改造, 原有的辐射加热炉从 0

有足够的动量, 燃烧室应该有一定的压力。根据用户 , 650 ?升温需要 24 , 而采用高速燃烧器的加热 h 提供的燃气物理化学参数和速度要求, 进行燃烧计 炉从 0, 650 ?升温只需 4 , 并且燃料消耗量也由h 算确定燃烧产物的各个热力参数后, 燃烧室内燃烧 于采用高速燃烧器可以节省 25%, 30% 。 产物的压力可求。在油田, 我们用高速气体燃烧器改造三合一加

()k - 1 2 k ?热炉, 加热效率提高 1 倍, 而燃料消耗量也节约 P c = P a ?1- ()k - 1w ?2kR T ]

20% 。式中: P c —燃烧室压力;

高速燃烧器的燃烧产物高速冲进加热炉内, 搅 P a —环境压力;

动多倍的炉内气体随之掺混, 可以大大提高炉内温 k —燃烧产物物绝热指数;度均匀度。 国外一家工厂用高速燃烧器改造加热炉 —燃烧产物气体常数; R

后, 炉内温度均匀度由原先的?15 ?提高到?2 T —燃烧温度;

?, 马鞍山钢铁公司的井式加热炉采用高速燃烧器 —燃烧产物在喷口处的流速。 w 空气和燃气后, 炉温均匀度达到?7 ?。 进入燃烧器, 流经各自的通道, 经过

喷孔进入燃烧室, 沿途存在一定的流阻。图 1 给出了

2 高速气体燃烧器设计要点 燃烧器空气流量 和空气压降 的关系; 图 2 Q k ? P k 给出了燃烧器燃气流量Q r 和燃气压降 ? P r 的关系。2. 1 精确组织燃烧

13

《工 业 炉》 第 21 卷 第 1 期 1999 年 2 月

L Α= ΑL o

式中: Α—空气系数

3 3. 1. 4 确定燃烧 1 m 燃气产生的燃烧产物量

V y d V y = ΑL o + 0. 38+ 0. 075Q ?1000 a

3. 1. 5 确定理论燃烧温度 T

d ()a Α> 1 图 1 燃烧器空气流路流量与压降的关系( 20 ?) = (+ + ) ?()T Q Cr tr C k tkL ΑV y C y y (< 1)α="" +="" +="" )="" ?()="(T" q="" cr="" tr="" c="" k="" tkl="" αv="" y="" c="" y="">

式中: C r、C k、C y —分别为燃气、空气、燃烧产物的平

均比热;

tr、tk —分别为燃气和空气的起始温度;y —燃气的有效发热量,Q

y y d = -Q Q Q V y

式中: Q —燃烧产物所含的热量; 图 2 燃烧器天然气流路流量与压降的关系( 20 ?)

= 3022+ 2581Q X co X H 2

式中: X co、X H —燃烧产物中 CO 、H 2 的容积百分比 2 燃烧器的空气入口压力 P k 是燃烧室压力 P c 和 含量。空气压降 之和, 燃烧器的燃气入口压力 是 ? P k P r 确定燃烧产物密度 Θy3. 1. 6 燃烧室压力 和燃气压降 之和。P c ? 1 r = 1 时 = ΑΘ( ) y 44X co + 18X H O + 28X N ?22. 4 2 2 2 P k = P c + ? P k P r = P c + ? P r ( Α< 1="" 时="" θy="44X" co="" +="" 28x="" co="" +="" 18x="" h="" o="" +="" 2x="" h="" +="" 2="" 22="" p="" k="" 和="" p="" r="" 不能过高,="" 应该满足用户提供的使用="">

) 28X N ?22. 4 2 条件。

我们研制的高速气体燃烧器, 使用天然气为燃 式中: X co , X co , X H O , X N —分别为 CO 2 , CO , H 2O ,2 2 2 气时, 燃烧产物速度为 100 ?, 其天然气入口压力 m sN 2 在燃烧产物中的容积百分比含量。 为 2500 , 空气入口压力为 2100 。P aP a 3. 1. 7 确定燃烧产物气体常数 R

= 8. 314?R M eq

式中: —燃烧产物的折合分子量, M eq 3 设计计算 k

M eq = ?X Mii i= 1 3. 1 燃烧计算

通过燃烧计算确定燃气燃烧的空气需要量、 L o式中: X i —第 i 种成分在燃烧产物中的容积百分比

燃烧产物量 、燃烧产物密度 、气体常数 、绝热 V ΑΘR 含量;指数 和理论燃烧温度 。K T M i —第 i 种成分的分子量。

y 3. 1. 8 确定燃烧产物绝热指数 kd 3. 1. 1 根据选定的燃气, 确定低位热值 Q 和

组成成分的容积百分比 = 11- 8. 314 () ]??k ?X iC p i 3 3. 1. 2 确定燃烧 1 m 燃气所需的理论空气量 式中: C p i —燃烧产物中第 i 种成分的比热

L o 3. 2 燃烧室结构设计计算 1 4. 672 1 m 3. 2. 1 选定燃烧器的热负荷Q o () L o = H 2 +n + C nH m + [ CO +100 2 2 4 3. 2. 2 确定燃气消耗量()() V r 体积、Gr 质量 3 - ]yH 2 SO 2 d G r = V r Θr = ?2 V r Q o Q

: r —燃气密度 式中式中: CO 、H 2 , C nH m 等为燃气成分容积百分比 Θ

3 3. 2. 3 3. 1. 3 ()()确定燃烧 1 m 燃气所需的实际空气量 确定空气消耗量V k 体积、G k 质量

V k = L oV r G k = V k Θk L Α 14

试验研究: 一种高速气体燃烧器的研制

式中: k —空气密度 Θ积。 设同组喷孔直径相同, 该喷孔直径可求。

3. 2. 4 G y 3. 3. 2 空气喷孔设计计算确定燃烧产物生成量

空气喷射速度的选定; . G y = G r + G k aW k j

选定的原则同 3. 3. 1, 在额定设计状态下, 建议3. 2. 5 根据使用条件选定燃烧产物在喷口的

速度W k j? w e 15 m ?s

F e、直径 d e 确定燃烧室出口截面积 3. 2. 6 b. 确定空气喷孔总面积 F k j

(= ?)F e = G yw e ?Θy 1+ T ?273 F kj V k W kj 12?= (4) ?d e F e Π 确定空气喷射流量在燃烧室内壁的分布 . c根3. 2. 7 确定燃烧室园筒段截面积 、直径 F 1d1 据图 3 确定空气流量, 在额定设计状态下, 建

= (2. 5, 3. 5) F 1 F e议在点火区的空气过剩系数 ? 0. 6; 在混燃区末端 Α1?2= (4?) d1 F 1 Π ? 0. 8; 在尾燃室末端 ? 1。 图 4 为燃烧室内气体 ΑΑ

3. 2. 8 流程图。 确定燃烧室园筒段长度L 1

() L 1 = 1, 1. 4d1

3. 3 燃烧室喷孔设计计算

3. 3. 1 燃气喷孔设计计算

燃气喷射速度的选定 . aw rj

选定的原则是: 燃气射流与相应的空气射流撞

击后, 合成射流方向与燃烧室轴线平行。

确定燃气喷孔总面积 . bF r j

= ?F rj V r w rj

图 4 燃烧室内气体流程图 确定燃气喷射流量沿燃气喷管长度的百分比 . c

分布

d. 混燃区空气喷孔分组 根据图 3, 燃气流量在燃烧室混燃区的百分比

根据燃料喷孔分组确定空气喷孔分组, 每组空 分布, 确定燃气喷射流量沿燃气喷管长度的百分比

气喷孔个数为。m 分布。

. 尾燃区空气喷孔的确定 e尾燃区空气流量

约占空气总流量的 20%,

25% , 空气喷孔应该直径小、数量大, 在尾燃区筒内

壁形成均匀的空气冷却膜。

燃烧试验 4

该高速气体燃烧器经天然气燃烧试验, 证明其

工作可靠, 操作简便。 图 3 燃烧室内空气燃气流量的分配

4. 1 点火方式

燃烧试验采用了两种电点火方式, 都取得了满d. 确定燃气喷孔沿燃气喷管长度的分布

沿燃气喷管长度方向共有 组燃气喷孔, 间距 点火频率 103, n 意的结果, 一种是高能点火器D H Z-

1. 5 次?s, 贮能 12 J ?次, 另一种是火焰监测点火约为 20 mm ; 沿燃气喷管圆周方向, 每组共有 m 个

器 喷孔, = 12, 24。 m H J - 1, 点火电压 15000 V , 点火嘴为 4114 型汽车火

确定各组燃气喷孔直径 花塞。. e

4. 2 点火程序 根据燃气流量沿喷管长度的百分比分布, 可以

. 按额定负荷所需总空气量的 1?4 供风; a 知道喷孔的面积百分比分布, 知道每组喷孔的总面

15

《工 业 炉》 第 21 卷 第 1 期 1999 年 2 月

b. 电点火器通电; 烧技术为工业加热炉开发的一种高效、节能、低污染

6 时, 即可成功点 . 打开天然气开关, 在 ? 0. cΑ燃烧器。 经天然气燃烧试验, 证明其工作可靠、操作

火。 简单、热负荷调节范围大、空气过剩系数及燃气温度 4. 3 热负荷调节 调节范围大。该燃烧器目前已成功地应用在油田、陶

3 额定热负荷为 30 ?的燃烧器, 在试验中, 天 瓷、钢铁等行业的加热炉上。 m h

3 然气量降至 1. 6 ?仍能维持燃烧(? 14)。m h Α

4. 4 空气系数调节 参考文献 袁宝歧. 加热炉原理与设计. 北京: 航空工业出版社, 1989 1 试验中, 燃烧器的空气系数调节范围为 0. 5, 吕进之, 金贵镔. 400 高速烧嘴验收试验总结. 马鞍山钢铁公 HV 2 20, 均可维持燃烧。司, 1982

王家兴. 高速气体燃烧器系列结构尺寸计算. 航天部一院十一所, 4. 5 燃气温度调节3 1991. 试验中, 燃烧器出口实测温度变化范围为 90, 王家兴. 100 系列高速气体燃烧器喷孔设计汇总. 航天部一 GT R () 1300 ?Α?2院十一所, 1991. 4 刘字廷. 加工测试报告. 辽河油田质量计量监测所节能监测站,

1992. 5 结论 5

该高速气体燃烧器是利用液体火箭发动机的燃

16

范文五：高速气体燃烧器的研制[1]

高速气体燃烧器的研制

罗 哲 王家兴

北京液体火箭发动机研究所 北京

摘要 介绍一种高速气体燃烧器的技术特点 设计要点和具体的设计方法 并利用液体火箭发 动机的燃烧技术 为工业加热炉开发了一种高效 节能 低污染的新型高速气体燃烧器 填补了我国 民用燃烧器技术的一项空白 已成功地应用在油田 钢铁 陶瓷等行业

关键词 液体火箭发动机 燃烧器 燃烧试验

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H I

L 前 言

高速气体燃烧器是现代燃烧技术在工业燃烧器 产业的体现 其出口处高温燃烧产物的喷射速度可 达 G M 3NO G M 3 具有节能 高效 火焰动量可 控等技术优势 在发达国家已经广泛地应用在航空 钢铁 化工 轻工等行业的各种加热炉上 我国在 P 年代引进此项技术 并有一些仿制的产品投入市场 但 是 由 于 其 成 本 高 耐 火 材 料 内 衬 易 坏 使 用 寿 命 短 影响了推广

高速气体燃烧器是一种把燃料的化学能转换成 燃烧产物的势能和动能的装置 液体火箭发动机是 一种把推进剂的化学能转换成燃烧产物的热能和动 能的装置 两者在工作原理上有相似之处 利用在液 体火箭发动机研制方面的丰富经验 开发研制了一 种全金属结构 采用再生冷却的高性能的高速气体 燃烧器

L F L 高速气体燃烧器的技术特点

* 精确组织燃烧 燃烧效率 Q Q F Q RS

E 宽运行工况 T 热负荷调节比 U V 空气系 数 F W N S

9 采用分级燃烧 有害气体 X Y / 排放符合国 家环保标准 S

7 具有烟气引射回流功能 可以将废烟气从炉 后引回重新投入炉内 S

P

Z 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 V [ [[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[[年

收稿日期 T Q Q Q \ W \ W

罗 哲 T 男 O O 岁 工程师 主要从事热能工程研究工作

万方数据

全金属结构 连续使用寿命 年

高速燃烧器提高换热效率的机理

在传统的工业炉设计中 燃烧器的火焰速度大 约为 每 秒 几米 当 燃 烧产 物 温 度在 时 炉内 对 流换热 与辐 射 换 热 各 占 在 燃 烧 产 物温度为 以上时 以辐射换热为主 在燃烧产 物温度达到 时 辐射换热是对流换热的 倍 所以大部分炉窑设计中 是以辐射换热为基础 但是在采用高速气体燃烧器后 即使在高温区 炉内 被强化的对流换热在综合换热中所占的比重大大提 高 具体说明如下

采用普通燃烧器时 火焰速度低 燃烧产物在被 加热物表面的流动为层流 层流的对流换热系数为

式中 努谢尔特数 为 普 朗 特数 为雷 诺 数 为 气 体 的 导 热 系 数 为 流道当量直径

采 用 高 速 气 体 燃 烧 器 火 焰 喷 射 速 度 高 !

式中 ! $

设加热炉内腔尺寸为

( ! ) *$) + % ,- .

国外曾就辐射加热炉和高速对流加热炉进行过 比较试验 在 的加热过程中 辐射加 热 炉 所 需 加 热 时 间 是 高 速 对 流 加 热 炉 的 倍 在 ’ 的加热过程中 辐射加热炉所需加 热时间是高速对流加热炉的 倍

& 年 国内引进高速气体燃烧器在井式加热 炉上进行技术改造 原有的辐射加热炉从 升温需要 . 而采用了高速气体燃烧器的加热 炉从 升温只需 . 并且燃料消耗量也 由于采用了高速气体燃烧器可以节省 在油田 用高速气体燃烧器改造成三合一加热 炉 加 热 效 率 提 高 了 倍 而 燃 料 消 耗 量 节 约 了

高 速 气 体 燃 烧 器 的 燃 烧 产 物 高 速 冲 进 加 热 炉 内 搅动多倍的炉内气体随之掺混 可以大大提高炉 内温度均匀度 国外一家工厂用高速气体燃烧器改 造加热炉后 炉内温度均匀度可由 / 提高到 / 国内井式加热炉采用高速气体燃烧器后 炉温 均匀度达到 /’

高速气体燃烧器设计要点

精确组织燃烧

新研制的高速气体燃烧器 为了达到完全燃烧 使燃气和空气通过众多的喷孔分别进入燃烧室 燃 气射流与空气射流一一撞击 均匀混合 合成射流矢 量方向应与燃烧室主轴线平行 避免一射流穿透另 一射流 造成混合不均 为了减少 012的生成 采取 分区燃烧 前区燃烧温度低于后区燃烧温度 在燃烧 室出口燃烧温度最高 前区是贫氧燃烧 后区增加供 氧 在燃烧室出口达到过剩空气系数 3

如此设计 既能够合理配风 保证完全燃烧 防 止 1生成 又能够维持较低的燃烧温度 减少有害 气体 012的生成

燃烧室室壁冷却

燃烧室内充满高温的燃烧产物 其金属室壁必 须有足够的冷却 才能安全工作 效仿液体火箭发动 机的再生冷却 在高速气体燃烧器的设计中 利用空 气在燃烧室外腔流动 吸收室壁传导的热量 保证室 壁在安全的温度范围内工作 同时将空气预热能够 促进完全燃烧和提高理论燃烧温度

在燃烧室喷口局部高温区 专门设计有空气膜 保护金属壁

由于采取了以上的设计 高速气体燃烧器的使 用寿命可达 年 而其他单位设计生产的高速气体 燃烧器的燃烧室由耐火材料作内衬 使用寿命为几 &

第

4 444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444期 罗 哲等 高速气体燃烧器的研制

万方数据

个月 甚至有的产品 其耐火材料内衬工作不足 个 月就开裂

流阻设计

在高速气体燃烧器设计中 为了使燃烧产物具 有足够的动量 燃烧室应该有一定的压力 根据用户 提供的燃气物理化学参数和速度要求 进行燃烧计 算确定燃烧产物的各个热力参数后 燃烧室内燃烧 产物的压力可以求出 即

式中 为燃烧室压力 为环境压力

为燃烧 产物绝热指数 为燃烧产物气体常数 为燃烧 温度 为燃烧产物在喷口处的流速

空气和燃气进入燃烧器 流经各自的通道 经过 喷孔进入燃烧室 沿途存在一定的流阻 图 给出了 燃烧器空气流量 和空气压降 的关系 图 给 出了燃烧器燃气流量 和燃气压降 的关系

图 燃烧器空气流路流量与压降的关系 图 燃烧器天然气流路流量与压降的关系

01 2 3 - 05

2

2 6 1 式中 01 2 05

2 为燃气成份容积百分比 7 确定燃烧 燃气所需的实际空气量 $’ 为

$’ ’ $

式中

’

为空气系数 8 确定燃烧 燃气产生的燃烧产物量 &*为

&* ’ $ 9 / *

+ :

确定理论燃烧温度 为 *+ ; < ;="">< $’="" &*;="">

’ = * ; < ;="">< $’="" &*;="" *="" ’="">

式中

; ; ; *分 别 是 燃 气 %空 气 %燃 烧 产 物 的 平 均比热 < %="">< 分别是燃气和空气的起始温度="">

燃气的有效发热量

* *

+ &*

式中

为燃烧产物所含的热量

导 弹 与 航 天 运 载 技 术

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 年

万方数据

式中

为燃烧产物中 的 容积 百 分

比含量

确定燃烧产物密度 为

时

时

式 中

分 别 为

在燃烧产物中的容积百分比含量 确定燃烧产物气体常数 为 ! 式中

! 为燃烧产物的折合分子量

!

$

$

$

式中

$为第 $

种成分在燃烧产物中的容积百分比 含量 % $为第 $

种成分的分子量 & 确定燃烧产物绝热指数 #为 # ’ ( ) $*+$

, 式中

*+$为燃烧产物中第 $

种成份的比热 - . 燃烧室结构设计计算

/ 选定燃烧器的热负荷

0 确定燃气消耗量 12 体积 32

质量 为 12

4

32 12 2

式中

2为燃气密度

确定空气消耗量 1# 体积 3#

质量 为 1# 5 12

3# 1# #式中

#为空气密度

6 确定燃烧产物生成量 3 为

3 32 3#

7

根据 使用 条 件 选定 燃 烧 产 物在 喷 口 的 速 度 8

确定燃烧室出口截面积 9 直径 4 为 9 3 8

: ; 4 9

确定燃烧室圆筒段截面积 9 直径 4 为

9 = 9

4 9

& 确定燃烧室圆筒段长度 5 为

5 = 4

- -燃烧室喷孔设计计算 燃气喷孔设计计算

/ 燃气喷射速度 82>的选定

选定的原则是 ? 燃气射流与相应的空气射流撞 击后 合成射流方向与燃烧室轴线平行

0 确定燃气喷孔总面积 92>为

92> 12 82>

确 定 燃 气 喷 射 流 量 沿 燃 气 喷 管 长 度 的 百 分 比分布

根 据图 燃气流量在燃 烧 室 混 燃 区 的 百 分 比 分布 确定燃气喷射流量沿燃气喷管长度的百分比 分布

万方数据

空气喷射速度 的选定

选定的原则同 在额定设计状态下 建议

确定空气喷孔总面积 为

确定空气喷射流量在燃烧室内壁的分布 根据图 确定空气流量 在额定设计状态下 建 议在点火区的空气过剩系数 在混燃区末端 在尾燃室末端 图 为燃烧室内气体 流程图

万方数据

高速气体燃烧器的研制

作者:

罗哲 , 王家兴 , Luo Zhe, Wang Jiaxing作者单位:北京液体火箭发动机研究所,北京,100076刊名:导弹与航天运载技术

英文刊名:MISSILES AND SPACE VEHICLES年,卷(期):

2000(3)

1. 刘字廷 热工测试报告 1992

2. 吕进之;金贵镔 HV400高速烧嘴验收试验总结 19823. 袁宝岐 加热炉原理与设计 1989

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ddyhtyzjs200003010.aspx

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