燃燒器的發(fā)展史

燃燒器的發(fā)展史

概述

燃燒器從開始使用到現(xiàn)在的多樣化形式，走過了漫長的歷程。從早期熔爐和烤爐簡單裝配的

幾套空氣與燃氣開口，到本森發(fā)明的預(yù)混燃燒器，及后來類似的噴嘴混合燃燒器，和現(xiàn)在為

滿足不同需求的特種燃燒器。燃燒器在理論及結(jié)構(gòu)上都發(fā)生了深刻的變化，在很大程度上促

進了現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展。

1 早期燃燒器的發(fā)展

19世紀中葉燃氣才被作為一種工業(yè)燃料而使用，那時使用的大多是由空氣或者蒸汽與煤、

焦炭或者木炭反應(yīng)制成的人工燃氣。燃氣的可燃組分是一氧化碳和氫氣，由于二氧化碳和氮

氣的含量很高，氣體的熱值比較低。當(dāng)時很少有設(shè)備被稱為燃燒器，熔爐和烤爐簡單裝配了

幾套空氣與燃氣開口，而后兩股氣流在爐子內(nèi)部混合燃燒。這種技術(shù)幾年前仍存在于一些再

生式玻璃熔爐和開式鋼鐵制造熔爐中。這種燃燒方式的火焰太大而且混合太慢不能滿足很多

燃燒室和更低熱值的燃氣，熔爐或燃料必須預(yù)熱過否則很容易熄火。

預(yù)混式燃燒器是第一個為特定目的設(shè)計的燃燒器，它能追溯到100多年前本森及類似的實驗

室燃燒器，是今天預(yù)混式工業(yè)燃燒器的雛形。預(yù)混式燃燒器由頭部及混合管兩部分組成，在

某些情況下，它們是各自獨立的單元。混和器運用壓力混和燃氣和空氣并把它們送到燃燒噴

嘴處，在那找到穩(wěn)定點對火焰點燃并控制火焰的形狀。

羅伯特本森設(shè)計的混和管是用燃氣射流來卷吸空氣形成預(yù)混，而后，預(yù)混氣體通過噴嘴被點

燃，這就是現(xiàn)在所說的大氣式燃燒器，它只能預(yù)混理論空氣的40％左右，剩下的由噴嘴周

圍區(qū)域供給。

1.1早期燃燒器的改進

所有的燃燒器都有獨特的特性曲線、流動范圍與燃氣空氣比例。在任何特性曲線外（工況）

都會使燃燒器熄火。通常為了使火焰穩(wěn)定應(yīng)當(dāng)在局部地區(qū)保持氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g

的平衡。隧道式燃燒器的噴嘴一個突然的擴大這樣提供了一個保護區(qū)，在保護區(qū)內(nèi)混合物以

低速度循環(huán)燃燒，就像是混合物主流的點火環(huán)一樣。 輔助火焰型燃燒器依靠一圈小孔使部

分混合氣沿噴嘴進入環(huán)形縫隙，在那里形成一圈穩(wěn)定的火焰為通過中心的主體混合氣提供了

可靠的點火源。線性紅外燃燒器有大量的小孔其中一些火焰通過保護區(qū)或孔口周圍的階梯來

穩(wěn)定，其它的依靠反射屏反射火焰的熱量來穩(wěn)定。

2 近代燃燒器的發(fā)展

20世紀20年代早期，有幾款單機噴嘴混合燃燒器開始了商業(yè)銷售。除此以外，這種燃燒器

與預(yù)混燃燒器在設(shè)計中沒有什么改進。在高著火率的條件下，火焰也不容易脫火，但混合比

率的波動仍舊是有極限的，空氣與燃氣的速度一定要小心控制，以確保潔凈穩(wěn)定的火焰。此

后，設(shè)計者們很快意識到，在燃氣與空氣出口處安裝一些火焰穩(wěn)定設(shè)備，如漩流葉片、圓盤

或者突出物來輔助混合過程，有助于延展著火范圍和混合比例范圍。對于擴展中的火焰，這

些穩(wěn)定器同時也產(chǎn)生一些安全點來自我穩(wěn)定，這使得燃燒器的穩(wěn)定性大有改善。隨著時間的

推移，更多巧妙復(fù)雜的穩(wěn)定器被設(shè)計出來，燃燒器的特性曲線也得到了延展。

3當(dāng)代燃燒器的發(fā)展

隨著著火率與空燃比問題的解決，設(shè)計者們繼續(xù)迎接使火焰成形以適應(yīng)特別工藝的挑戰(zhàn)。從

20世紀20年代開始到50年代產(chǎn)生了許多有著高火焰穩(wěn)定性、寬泛的著火率和空燃比的燃

燒器。20世紀60年代開始出現(xiàn)了高速或者高動量燃燒器，這種燃燒器相當(dāng)于在一個鼓風(fēng)式

燃燒器的出口處增設(shè)一個帶有煙氣噴嘴的燃燒室。燃氣和空氣在燃燒室內(nèi)進行強烈的混合和

燃燒，完全燃燒的高溫?zé)煔庖愿吡?/span> 速噴進爐內(nèi)，與工件進行強烈的對流換熱。 這種燃燒器

的負荷可達2330KW。到了20世紀80年代，大部分工業(yè)操作的靈活性和傳熱需要得到了滿

足。燃燒器設(shè)計與發(fā)展的腳步好像要放慢了，但一個新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)了--減少NOX的排放。這

是相當(dāng)難的一個課題：許多支持高燃燒效率、低一氧化碳及烴類排放的燃燒器都會提高NOX

的排放級別。在高溫應(yīng)用情況下，燃燒預(yù)熱是一種流行的節(jié)能方法，但是它提高了火焰的溫

度，而高火焰溫度是高NOX排放的主要因素。大多數(shù)NOX形成于火焰溫度達到峰值1538℃

到1760℃的幾秒鐘里。如果溫度能控制在1538℃以下，或者使達到峰值溫度以上的時間最

小化，將會減少NOX的排放。目前國內(nèi)外已采用的多種新型低NOX燃燒器，其抑制原理大

都是采用促進混合，分割火焰，煙氣再循環(huán)，階段燃燒，濃淡燃燒以及它們的組合形式。階

段燃燒可以降低燃燒溫度，允許火焰有輻射熱損失。空氣分段燃燒器就是依照這個原理工作

的。首先只有一部分空氣與燃氣接觸，形成了富燃低溫火焰，這種火焰允許燃氣完成燃燒過

程之前釋放部分熱量；燃料分段燃燒器則是燃氣流被分開，所以在燃燒器運行的早期是貧燃

的，剩下的燃氣通過一個小的通道加入到火焰的下游，這時火焰已經(jīng)放出了部分熱量并且降

低了溫度；此外在火焰達到最高燃燒溫度之前，向火焰內(nèi)注射一些熱阻性物質(zhì)(運用最廣泛

的是冷的燃氣)也可以減少NOX的排放，這就是燃氣再循環(huán)技術(shù)。燃燒空氣的低氧含量也可

以降低火焰溫度，稱其為空氣損傷。這個技術(shù)通常包含煙氣與空氣的混合，有代表性的是空

氣的氧含量被稀釋到18％至19％。一些預(yù)混式燃燒器在此過程中獲得了新生，貧燃預(yù)混燃

燒器在很接近貧燃穩(wěn)定極限的狀態(tài)下工作，形成了低NOX排放且相對冷的火焰。紅外輻射

燃燒器在接近正常比例或高火焰溫度情況下仍有著極低的NOX排放性能。它們的火焰是燃

燒的燃氣薄層，緊緊貼縛在燃燒器的表面。火焰中燃氣的停留時間很短，隨著火焰向外輻射

能量火焰迅速冷卻。典型的有催化氧化紅外輻射燃燒器，燃氣在表面催化層的催化作用下進

行燃燒，不出現(xiàn)火焰，由表面催化層向外輻射能量,這種輻射器為擴散式燃燒不會回火且表

面溫度較低，產(chǎn)生極少量的NOX。