蓄热式烧嘴的设计资料.基本原理?

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1　自身蓄热烧嘴的开发

2 f$ [. c, r# R. a　　近年来要是提到节能，几乎都要说到蓄热式烧嘴，它的高热效率已为同行业人士所深知。但是，目前只有很少的一部分炉子采用此项技术。因为不景气要考虑减少设备投资固然是重要因素，最主要的想来还是造价高。
　　现有的蓄热式烧嘴系统是两个烧嘴作为一组，每个烧嘴隔几十秒切换燃烧一次，即所谓双子式烧嘴系统。两个烧嘴需要6个换向阀，还要两套安全装置，这样造价就上去了；此外，两个烧嘴还需要用配管联结，复杂的配管也增加了成本。其次要考虑的因素是蓄热部分的尺寸较大，增大了烧嘴本体的尺寸，难以设置在小型炉子上。我公司考虑到这些问题妨碍了蓄热式烧嘴的推广，于是着手开发能满足低造价、单一、紧凑、低NOx等要求的燃烧系统，结果可以在一个烧嘴内完成蓄热燃烧，终于实现了自身蓄热烧嘴系统。
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/ `- |- u6 m% O7 C3 t2 i2 \+ X2　自身蓄热烧嘴系统的原理和结构
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8 k2 q8 v3 X: `. Y( K　　本系统的原理是将烧嘴内部分割成若干对作为蓄热室，切换并使流体交替通过这些蓄热室便完成了蓄热燃烧。
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图1　示意图
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7 x& i* F2 q2 D$ k图2　示意图

6 G  w0 n) l! v8 X; ~$ Q0 b　　图1和图2是基本的示意图。其结构是：中心部位供应燃料，烧嘴本体内部划分成A、B两部分。每一部分都有空气入口和烟气出口，各接口配切换阀。蓄热体分割成4部分并互相隔离。A室和A流路的两个蓄热室联结，B室和B流路的蓄热室联结。图1上A室的助燃空气入口和B室的烟气出口处切换阀开着，其他的切换阀关闭，流体的流动过程是助燃空气从A室进入，通过A流路的两个蓄热室变成高温空气，和燃料混合后燃烧。烟气在炉内循环后回到烧嘴，进入B流路的蓄热室成为低温烟气，从B室排出。经十余秒后切换阀的位置如图2所示，现在助燃空气通过B室从B流路的蓄热室出来进入炉内，再经A流路的蓄热室从A室排出。这样反复进行就能在一个烧嘴内完成蓄热燃烧。
　　应用此项原理制造的商品就是SRB型自身蓄热烧嘴系统。图3和图4是构造图并表示了流体的流动方向。烧嘴由下列部件组成：烧嘴喷管、供气侧和排气侧的切换阀、本体、蓄热体、端面板和烧嘴砖。内置点火器的烧嘴喷管位于中心线上并插入到烧嘴砖的端面附近。供气侧和排气侧接口处配置互成直角的蝶阀并作为切换阀，由压缩空气驱动的旋转式拖动装置进行切换动作。本体内部隔开，形成A室和B室。蓄热室和烧嘴砖的通道都分成四部分，A室和A流路相接，B室和B流路相接。烧嘴砖的前端切去四个角后由正方形变成八角形，每一斜面上开一个孔和流路横向垂直连接。蓄热体使用陶瓷小球，装在四个盒里以便更换，如图5所示。
　　流体的流动情况是：助燃空气导入A室，通过A流路上的两个蓄热体盒得到热量成为高温助燃空气，再通过烧嘴砖内的通 道进入炉内，与来自烧嘴喷管的可燃气体混合并燃烧。这时炉内一部分烟气因A流路上助燃空气的喷射作用被吸引，经斜面上的横孔流入，形成烟气再循环。燃烧后的烟气在炉内循环，再经烧嘴砖上B流路的孔进入B流路。通过两个蓄热体盒和B室引向烟气出口。由于在斜面上设置了横孔烟气的短路(从A流路直接进入B流路)即可有效避免。这样流动十余秒后切换阀切换成图4的状态，助燃空气导入B室，烟气经A室排放。

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图3　构造图

3　性能

3.1　残留(エスク-プ)率的影响
　　一般说来，通过蓄热室的烟气量越多，热效率越高；但因空气和烟气的质量、比热都不同，即使空气100%接受了烟气传给的热量，烟气内还残留了一部分热量。这部分热量是不可能回收的，它使烧嘴排放的烟气温度上升，或者说要考虑辅助烟道外残留的热量。图6是残留率与烧嘴排烟温度的关系，图7是残留率与热效率的关系。残留率为零时烧嘴排烟温度最高，随着残留率的增加排烟温度开始降低。残留率在0%～10%范围内热效率大体上一定，约86%，超过15%时热效率开始降低。
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图4　构造图

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1 l% N2 S& a, R. C图5　蓄热体盒的更换图
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7 L, T" g0 z- R. A　　由图7可见，即使残留率10%～15%范围内对热效率也毫无影响，但是，烧嘴排烟温度如能降低就是优点。因此，我公司进行炉压控制时辅助烟道处的残留率保持在10%～15%范围内，这部分热量如设置预热室再进一步利用，残留率保持在0%左右，整体热效率仍能提高。我们想建议各最终用户、各设备制造厂设置或设计这样的炉子。
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7 l" \: e' V! p6 {图6　残留率与烧嘴排烟温度的关系
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0 r' m8 X9 J5 f; N0 S( T0 G; F图7　残留率与热效率的关系

3.2　切换时间的影响
& D4 ?& Y; T# H1 X! y) X　　从效率的观点来说，切换阀的切换时间是越短越好，但就切换阀和拖动装置的寿命而言则是越长越好。图8是温度特性，图9是NOx特性。切换时间短对温度并没有什么大不了的差别，15秒以上就有显著的变化。NOx值在5秒最高，延长切换时间就降低。因此，切换时间以15秒左右为宜，以后按15秒进行试验。

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图8　切换时间与温度特性的关系
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$ R5 n9 c% O$ i# P+ H; A9 j图9　切换时间与NOx的关系

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# F# O% o* H; l图10　炉温与温度特性的关系

; \  F4 ^+ S! L! b4 X, S3.3　温度特性和燃料节约率
　　图10和图11表示了自身蓄热烧嘴最关心的温度特性和燃料节约率。随着炉温的上升，排烟温度、空气预热温度、燃料节约率都在升高，但排烟温度和空气预热温度的升温速度差别较大，后者升温速度快；炉温越高，换热效率越好，燃料节约率的特性与此一致。
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5 K# Q; |5 }! T5 F2 _* U+ g$ O2 `图11　炉温与排烟温度、燃料节约率的关系



. V% e! }6 P* h* K2 |/ \图12　炉内O2量与NOx的关系
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3.4　NOx特性
9 W" D9 r: `* W( _2 R2 e0 d　　这个问题和环境保护有关，努力削减CO2排放量确实对地球环境作出贡献，但如NOx排放量过多的话效果就打折扣。自身蓄热烧嘴系统的特点是从结构上火焰喷出方向和排烟方向是相反的，必然出现烟气再循环，使NOx排放量降低。此外，采用燃料和助燃空气分开平行流动的独特的燃烧方式也是想降低NOx排放量。图12是炉内氧量对NOx排放量的影响，图13是炉温的影响。炉内氧量在7%～8%附近出现峰值，0%～6%范围内的变化相当大，5%和1%相差一倍以上。可以认为，低O2燃烧是关键。炉温要是超过1200℃，NOx排放量将急剧增加。看来这也是火焰温度上升的起因。
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图13　炉温与NOx的关系
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4　结束语

( ~* E! ~; W4 d% M　　根据新概念开发的自身蓄热烧嘴系统，最初只试制了150kW的SRB-15型并收集了它的性能数据。然后下一阶段在铝熔解炉或连续式淬火炉的生产试验过程中作现场试验。现在规格已扩大到250和400kW等三种，以便进一步扩大其应用范围。
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戎宗义　译自《工业加热》1999，No2，53～60