常用顶燃式热风炉结构与性能分析

陈维汉   刘世聚

（河南豫兴热风炉工程技术有限公司）

摘 要  本文针对常用的顶燃式热风炉的炉型结构与性能进行一般性的分析比较，分析是基于实践经验、定性的理论知识、实验研究的结论，目的在于为用户选择与使用热风炉时提供可靠而合理的参考意见。

1  顶燃式热风炉炉型分类

顶燃式热风炉是目前使用最广泛的一种热风炉。从结构上分主要有两个大类，其1是顶置悬链线旋成体形燃烧室（类似于半椭球形拱顶）的热风炉，其燃烧器设置在拱顶之下的蓄热室大墙外（简称为Ⅰ型热风炉）；其2是顶置预燃室（燃烧器）的具有锥段拱顶燃烧室的热风炉（简称为Ⅱ型热风炉）。在顶置预燃室（燃烧室）的具有锥段拱顶燃烧室的热风炉（Ⅱ型热风炉）中，按其燃烧器喷嘴结构的不同布置又可以分为不同的小类。具有代表性的燃烧器结构为：预燃室（燃烧器）中煤气与空气喷嘴环形分层布置、气流喷射混合的热风炉（简称Ⅱa型热风炉）、预燃室（燃烧器）喷嘴环形交错排列气流喷射混合的热风炉（简称Ⅱb型热风炉）、以及预燃室（燃烧器）中煤气与空气预先混合后经环形布置的喷嘴喷射燃烧的热风炉（简称Ⅱc型热风炉）。由于带有套筒燃烧器的顶燃式热风炉正在逐步退出热风炉市场，或者新的套筒燃烧器就可以按预燃室的结构进行设计，因而就没有必要分一个小类来进行讨论。下面从结构、流场、传热、传质、燃烧等方面对上述两大类四种具体结构的热风炉进行分析，指出各自的特征与性能上的差异，供用户在选择热风炉时参考。

2  两类热风炉燃烧室与燃烧器的结构特征

从上面的分类可以看出，Ⅰ型热风炉与Ⅱ型热风炉其外形结构的差异是明显的（如图1所示）。Ⅰ型热风炉具有大拱顶燃烧室与设置在其底部的煤气与空气喷嘴交错环形布置垂直上喷的燃烧器，以及其下部的蓄热室与冷风室，整体构成一个蘑菇状中空物体；而Ⅱ型热风炉具有锥段拱顶和设置其上预燃室燃烧器，预燃室中环形布置带有一定旋切角度的多喷嘴结构，以及其下部的蓄热室与冷风室，整体构成一个保龄球（或饮料瓶）状的中空物体。为了环状分布燃烧器喷嘴两类热风炉燃烧器的墙体中都设置了煤气与空气的分配环道，其外墙上有煤气和空气的接入管，其内墙周向均匀布置喷嘴，以便于气流以各种进入燃烧室或预燃室。对于Ⅰ型热风炉喷嘴出口气流是向上进入燃烧室的，而对于Ⅱ型热风炉喷嘴出口气流是垂直于预燃室中心轴而以旋切方式进入预燃室的。这里要指出的是Ⅱ型热风炉的进一步分类，是以喷嘴的具体的结构和布置方式有关的（参见图2）。Ⅱa型结构是煤气与空气喷嘴分别上下分层布置；Ⅱb型结构是煤气与空气喷嘴在一个垂直于预燃室轴线的环面上交错布置首尾相接；Ⅱc型结构煤气与空气喷嘴在一个垂直于预燃室轴线的环面上分别上下布置，并以一定角度相互连通汇成一个喷嘴后进入预燃室。

3  两类燃烧器的混合燃烧性能

3.1 Ⅰ型热风炉混合燃烧性能分析

Ⅰ型热风炉下置的环形燃烧器于其上的拱形燃烧室，能使环形交错布置的煤气与空气喷嘴所喷出的煤气与空气射流很好地充分混合、预热、着火燃烧，随后烟气经拱顶折返而形成一个夹在两股反向气流中间的烟气回流涡旋；回流涡旋对上行混合气流的预热实行了提前着火与火焰稳定，其自稳定属性保证了整个气流流场的稳定，其相对于主气流的低压特征能使向下气流分布自然趋于均匀。显然，这样的燃烧室气流场结构就能有效而巧妙地解决气体燃料燃烧过程中气流混合、气流预热、着火燃烧、气流稳定、气流分布均匀等一系列问题。因此，豫兴型热风炉完全达到了快速、高强度、稳定地燃烧与均匀且高效率强化传热的目的，进而能提高热风温度、提高热风炉效率、增强负荷调节功能、实现安全与稳定的运行，进而达到节省燃料、节约投资的目标。基于在燃烧室、燃烧器、及蓄热室中合理地应用了热稳定性强的材料与结构，使得热风炉的使用寿命得到有效的延长。

    自 2007年12月份以来该型热风炉先后在在山西通才、山西建邦、陕西略阳、河北清泉、河南合鑫、河北奥森等地建成投产。两年多来实际运行的结果表明：该热风炉在助燃空气单预热到180-200度的情况下，燃烧纯高炉煤气使热风温度稳定在1200度以上，最高风温达1300度以上，拱顶温度在1350～1400度以上，而送风时间在60~120分钟之间(随负荷情况而定)；经测试，烟气中一氧化碳的含量为零，氧气的含量在0.17%上下，由此可以计算出对应的过量空气系数为1.02左右，这样的结果只有在混合良好且燃烧充分的燃烧室中才能达到的技术指标。

3.2 Ⅱ型热风炉混合燃烧性能分析

Ⅱ型热风炉的燃烧装置就是预燃室，按照喷嘴进入预燃室的不同排列方式又分为：分层排列的Ⅱa型结构、交错排列的Ⅱb型结构、上下喷嘴互通喷射的Ⅱc型结构。尽管只是喷嘴结构的差异，其混合燃烧的性能就大不相同，这也是人们容易忽视的方面。下面将一一予以剖析。

对于Ⅱa型预燃室结构，当煤气从两排喷嘴喷射出来后，在旋流作用下形成一股向下的旋转气流，而空气从下面两排喷嘴喷射出来时只能围绕煤气气流流动并与之混合与燃烧，因煤气已经形成流股，与多股空气射流之间的混合过程就难以充分实现。仔细分析与套筒燃烧器的扩散燃烧模式没有本质上的差别。因此，出现混合不佳、燃烧强度低、燃烧不完全就是很常见的现象。那种认为只要是多喷嘴、多排喷嘴的气流喷射都能够实现充分混合的认识，是没有考虑同质流体喷射后会很快自行组合。尤其是喷出气流是向一个垂直于主流方向的流动，且预燃室空间又比较小，那么上排气流就会对下排气流的流场造成干扰（这是单通道流场上游影响下游的典型流场特征的体现）。这种干扰程度从上到下是逐步增大的，以至于煤气与空气不能很好地均匀混合。冷、热态实验均显示出煤气浓度中心高而边沿低，空气浓度中心低而边沿高的特征。由于混合不佳燃烧过程一直会延伸到其下的燃烧室，在高负荷下甚至出现蓄热体中燃烧的现象。

尽管目前Ⅱa型预燃室结构有所变动，煤气喷嘴向下倾斜、空气喷嘴向上倾斜，目的是加强中间两排不同质气流间的混合。但仍然是大尺度上的相互混合，尤其是余下的外层两排气流间的混合会受到中部混合燃烧后的烟气阻隔而混合效果减弱，因而这种改进实际意义并不大。

对Ⅱb型预燃室结构，当煤气和空气各自从喷嘴喷射出来后，因为喷嘴是交错排列，相互之间靠得比较近，且相互间的接触面积比较大，相互混合过程所需的时间就短，于是就能在悠闲地空间中很快地均匀混合并着火燃烧。若设计得当混合燃烧过程完全能够在预燃室中完成，极大地提高了混合效果与燃烧强度，因混合快而均匀过量空气系数可以明显减小，进而提高燃烧温度。即使是在高负荷下，混合燃烧的过程都不可能延伸到燃烧室下部。

比较上述两型结构，前者属于大尺度混合燃烧，而后者属于小尺度混合燃烧，无论从混合的速率上还是从混合的均匀程度上看，前者都远不及后者。实验与实际运行的结果表明，在同等工况下从燃烧温度和热风温度上看前者均不如后者。由于Ⅱa型预燃室结构的热风炉使用面较广，从相关记载上看，普遍存在送风温度并不高、送风时间并不长、而排烟温度偏高等问题。即使有高风温记录，常常是在掺烧高热值煤气、或增加预热炉提高助燃风温、或提高排烟温度以实现较高温度的煤气与空气的预热温度等条件下实现的。

对Ⅱc型预燃室结构，由于煤气喷嘴与空气喷嘴在进入预燃室之前就汇合成一个喷嘴，煤气与空气部分提前到喷嘴内部混合，使进入预燃室的气流间的混合已经部分完成，因而混合燃烧效果明显提高。由于两个喷嘴汇合后进入预燃室的距离比较短，两种气体的完成充分混合的时间不够，因而混合的均匀性比较差。这种混合过程如果能在分配环道中完成，就可以实现的完全预混燃烧（或无焰燃烧）模式。

总之，对于燃烧过程尤其是气体燃料的燃烧过程，能否快速且均匀地混合与预热、并迅速着火与燃烧是决定燃烧器性能优劣的主要技术指标。通过上述分析就不难看出，喷嘴交错排列的Ⅱb型预燃室结构的混合燃烧性能要远远好于喷嘴分层排列的Ⅱa型预燃室结构，而与采用喷嘴汇合部分预混的Ⅱc型预燃室结构相比，在混合的均匀程度上更显优势。基于Ⅱc型预燃室结构制作相对复杂，Ⅱb型预燃室结构就必然成为预燃室结构中的佼佼者。

4  两类热风炉的流场特征分析

4.1 Ⅰ型热风炉流场特征分析

如上所述，Ⅰ型热风炉下置的环形燃烧器于其上的拱形燃烧室整体构成一个蘑菇形的腔体，气流的上喷与拱顶折返会形成一个夹在两股反向气流中间的回流涡旋；回流涡旋与上行气流间的热量、质量与动量的交换能很好地完成预混气流的预热、着火与燃烧，由于回流涡旋是环状的自稳定结构（如烟圈似的）就保证了整个气流流场的稳定，其与中心主气流间的热量、质量与动量的交换能很好地维持回流区的高温性能，且回流涡旋的相对低压属性牵引向下气流自然向其靠拢，从而导致中心向下气流逐步分散而变得分布均匀。由于燃烧室出口直径与蓄热室直径一致且同轴连接，进入蓄热室的气流就会逐步变得与管内流动的气流分布一样。选取合适的蓄热体高度就能实现高效率的气流与蓄热体间热量交换，提高蓄热体的利用率。

4.2 Ⅱ型热风炉流场特征分析

Ⅱ型热风炉由预燃室和燃烧室组成的是一个逐渐扩大的圆锥形空间，其内的流体也必须是以逐渐散开的方式流动。当流场扩张的角度较大（一般60°左右）时，对于粘性流体而言流动是不稳定的或者是偏斜的，因而必须采用旋流的方式来得到稳定流畅结构。由于旋流的存在，在逐渐扩大的锥形燃烧室中会出现回流涡旋（旋进扩散回流流场），这既起到稳定流场、稳定燃烧过程的作用，也造成进入蓄热体的轴向速度分布不易均匀，进而使得蓄热体各部位的传热效果不一致。鉴于旋流扩散与回流涡旋流场是受旋流强度支配，而旋流强度又与喷射角度、喷射速度、以及燃烧状态相关，因而燃烧器的状况和燃烧负荷的大小都会改变燃烧室的流动状态。这也是带预燃室的Ⅱ型热风炉的燃烧室流场难以把握的地方。这是各种Ⅱ型热风炉都存在的共同问题。

由于的煤气与空气喷嘴是交错排列旋切喷射，气流混合快，燃烧过程能迅速结束，燃烧过程对流场结构影响的整体性加强，在湍流状态下流场结构虽受燃烧状态的影响但改变就比较小或易于控制，Ⅱc型燃烧器也是如此。显见，选取合适的喷嘴倾斜角度与喷嘴流速，是可以控制烟气流场的流场结构的。鉴于Ⅱa型预燃室煤气与空气是分层喷射，混合效果不好，燃烧过程不能在预燃室中完成，致使整个烟气流场升温过程不均匀，造成旋流强度受燃烧过程的影响比较大。这就增加了流场结构的不确定性。这实质上是因不能集中完成燃烧过程而使流场结构变得复杂而不易把握。

由于所有的Ⅱ型热风炉都存在进入蓄热体的气流分布不均的问题，解决的办法只有在蓄热室中采用带水平通道的锥形通孔的格子砖，其孔孔互通、上下孔间收缩突扩结构与喷射-扩散的流动特征，能有效提高格子砖的通孔率、明显改善蓄热室气流分布的均匀性、显著增强蓄热体与气流间的传热。不失为一种改善Ⅱ型热风炉蓄热室气流分布不均、蓄热体利用率低与传热过程欠佳的好方法。

5  整体评估与选择建议