端部出火的全预混燃烧器气流分布问题的研究_暖如家网

端部出火的全预混燃烧器气流分布问题的研究

刘文涛  杨艳

山东爱客多热能科技有限公司，泰安271000

中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院，天津 300384

摘要：本文通过对不同燃烧器不锈钢板开孔尺寸及形式的改进以及内部挡板形式的仿真对比及测试，改善了燃烧器表面混合气体的气流分布，为后续开发使用该类型燃烧器的燃气热水炉、提高产品使用寿命、提高产品稳定性提供理论依据与方法借鉴。

关键词：全预混；燃烧器；结构；气流分布；

引言：随着国内对节能环保的要求越来越严苛，尤其是锅炉行业氮氧化物排放标准出台后，大多数面临排放不达标的问题，以高效节能为亮点的全预混燃烧冷凝式炉，已成为当前国内供暖市场的未来趋势。完全预混式燃烧具有燃烧速度快和单位容积热强度高等特点，并在空气系数较低的情况下，燃烧后的污染物排放量都很低，所以成为燃气锅炉中节能减排燃烧方式的发展趋势。

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全预混燃烧器

全预混燃烧时指燃气和空气在着火前预先按照一定比例均匀混合，达到燃烧区后混合物不再与外部空气发生燃烧，瞬间燃烧完毕，所以火焰很短甚至看不见，又称无焰燃烧。但全预混燃烧的火焰稳定性较差，容易发生回火现象，所以在设计全预混燃烧器时，需要考虑尽可能使燃气与空气混合均匀使其气流速度场均匀，并保证在最低负荷下的气流速度大于火焰的传播速度，因此设计合适的燃烧器结构是非常重要的。

目前市场上的全预混燃烧器空气和燃气的混合方式主要有风机前预混和风机后预混两种方式。

图1 前预混和后预混方式

燃烧头方式主要包括金属纤维燃烧头、水冷燃烧头、冲孔金属板燃烧头，陶瓷纤维燃烧头等。金属纤维燃烧头是在不锈钢冲孔圆筒的表面加上金属纤维编织物，燃气与空气的混合物透过金属纤维表面均匀渗出后被点燃，形成非常薄的一层蓝色火焰，由于金属纤维的阻力作用和湍流耗散作用，小孔射流被分散而导致速度逐渐降低，进而影响驻定火焰形态，预混气体出流表面积更大，火焰随之变化而具有更大的燃烧面积，局部单位体积的热释放率更小，使火焰最高温度得以有效降低从而使得氮氧化物等排放量极低。

金属纤维燃烧头的形状主要包括：平板式、圆柱形、及圆柱加端部出火形式。端部出火结构因三面出火，容积热强度大，允许更小的燃烧室设计，适合于单回程的火管锅炉结构。

图2 端部出火燃烧头结构图

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燃烧头气流分布不均匀的危害

燃烧头的结构设计不合理导致气流分布不均匀的情况会造成以下问题：

①燃烧噪声

回火是引起燃烧噪声的主要原因，在燃烧头内部气流分布不均匀或者燃烧负荷下降时，会导致局部可燃混合器的流速降低，混合气流速度低于火焰传播速度时，则引发回火，回火条件分析见图，回火会引起燃烧时的噪声，同时可能烧坏燃烧器。

图3 回火条件分析

1、 引发回火时的混合气流速度 

2、回火极限时混合气流速度

3、火焰稳定燃烧时混合气流速度  

4、火焰传播速度

②点火成功率低、爆燃倾向

燃烧头表面气流分布不均匀会导致局部燃烧的情况出现，很有可能导致在火焰感应针的位置没有火焰或者火焰强度极小，会出现感应针感应不到火焰，出现点火困难或者爆燃等问题。

③影响设备寿命

燃烧头长期处于不均匀燃烧状态，会造成局部的燃烧强度大，换热强度大，会加速燃烧头及换热器的老化并导致损坏等。

图4 改善前的燃烧头气流分布情况

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解决办法及模拟结果

通过分析可以发现，调整不锈钢开孔尺寸及数量，或者改变气流的扰流状态，在燃烧头内部增加扰流板等方式可以改善内部的气流分布情况。

1、 调整内筒不锈钢板的开孔尺寸及数量：圆筒侧壁位置开孔形式为长条孔，端部位置调整为圆孔，中心位置开孔尺寸偏小，四周位置开孔尺寸偏大。

图5 调整后不锈钢开孔情况

图6 调整后仿真气流分布效果

2、增加圆形隔板：气流经过钝体会形成扰流，钝体后方压力变低，会产生回流旋涡。

图7 增加圆形隔板的气流分布情况

3、 增加均孔板：进入燃烧头的气流均匀分布，可改善内部的气流状态

图8 增加多孔均流板的气流分布情况

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测试验证

 根据以上改进方案，制作样机测试，通过测试发现，对燃烧头气流分布不均匀问题有了很大改善，火焰高度相同、燃烧火焰很稳定，无局部燃烧现象。

图9 改善后的燃烧状态

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结语

通过对端部燃烧的金属纤维燃烧头的测试，了解到气流分布不均匀对燃烧头影响和危害，并提供了相应的解决方案：

1、 改善不锈钢板开孔的形式以及尺寸和数量，使得烧头表面气流分布更加均匀。

2、 增加扰流板来改善进入燃烧头的气流情况。

3、 采用圆形隔板和多孔式均流板都能起到一定效果，应考虑不同扰流方式对压降的影响。

参考文献：

（1）黄志甲，张旭，胡国祥，金属纤维燃烧器系统阻力特性的实验研究。动力工程学报，2003,23（4）。

（2）同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等，燃气燃烧与应用，4版，北京：中国建筑工业出版社，2011。

（3）夏昭知，伍国福，燃气热水器，重庆，重庆大学出版社，2022.

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