1.2　燃烧方式

燃料燃烧，生成了燃烧产物（烟气）并放出热量。热量的一部分消耗在加热新燃料，使其温度迅速达到着火温度，其他部分热量则被炉中受热面内流动的工质（水、气水混合物或饱和蒸汽）所吸收。

燃料能否完全燃烧并放出全部热量，与燃烧炉的结构特点、采用的燃烧方式以及燃烧过程中的风量调节、运行方式等有关。

1.2.1　固体燃料的燃烧

固体燃料（煤）在工业中的燃烧方式，一般可分为层燃式、室燃式（或称悬浮式）和沸腾式三种。有些炉子的燃烧方式介于三种燃烧方式之间，例如，在层燃炉中采用风力抛煤机或机械抛煤机时，有不少微细煤粒被抛到燃料上方的空间燃烧，该炉子的燃烧方式就属于半悬浮燃烧或火炬-层燃方式。

（1）层燃方式

在层燃炉中只燃烧固体的燃料。图1-1所示为层燃炉的工作原理。将燃料送到固定的或移动的炉箅上，形成厚度均匀的燃料层，空气通过炉箅上的孔缝隙由下向上流动，空气与燃料之间没有相对运动，大部分燃料是在炉箅上燃料层中燃烧。被吹至燃烧室空间的部分细屑煤粒和燃料层中燃料放出的挥发分，以及焦炭在燃烧时周围所形成未燃完的可燃气体，在燃料层上部的炉子空间燃烧。

图1-1　层燃原理

根据层燃炉的炉排结构特点，层燃炉可分为燃料层不动（固定炉排）、燃料层在炉排上移动（振动炉排和翻转炉排）和燃料层与炉排一起移动（链条炉排）三种，如图1-2所示。

图1-2　层燃炉分类

上述各种层燃炉，其燃用的固体燃料采用0～30mm小块状，燃烧所需要的空气均由炉箅下送入，因此，燃料在层燃炉中的燃烧速率就取决于燃料的表面积和送入空气的速度。燃料块越小，其表面积越大，燃烧反应进行得就越快。但过多的细屑煤粒除增大空气的流通阻力、影响空气的供给外，还易被烟气带走，增加了燃烧热损失。因此燃料粒径的大小对层燃炉的燃烧是有很大影响的。此外，空气的流速对燃烧速率也有影响，如提高空气流速，可以加快燃料的燃烧速率，但风速过大，可将部分燃料吹起，使燃料层的稳定性遭到破坏。

工业锅炉的蒸汽负荷是经常变动的，燃烧所需的燃料量也相应随之变动，所以可用改变空气供应速度和送入炉排上的煤量来适应负荷的需要。

层燃方式在中小型动力装置和工业锅炉中占有重要地位，其主要优点是热惰性大（即燃料供给与鼓风之间的协调性发生偏差时，敏感性差）；对燃烧技术要求不高，在防止燃料末飞出的情况下，可用增大鼓风机的办法来助燃。其缺点是不适用于大型动力装置，也不能实现完全机械化和自动化。

（2）室燃方式

燃料随气流喷入燃烧室内，呈悬浮状态燃烧。

气体燃料不必预热即可直接送入炉内燃烧，液体燃料需通过雾化器将其雾化成细雾状油滴后送入炉内燃烧。雾化除了增大油滴与空气的接触面积外，又可使油雾粒不易由气流中分离出来，所以油滴在炉内得以充分而完全的燃烧。固体燃料则应将其磨制成极细的煤粉后，由空气送入炉内燃烧。

根据炉内气流情况，室燃方式又可分为火炬燃烧方式与旋风燃烧方式。

①火炬燃烧方式　燃料与空气的混合物送入炉内后呈火炬形式燃烧，如图1-3所示。燃料与空气之间几乎没有相对运动。采用这种燃烧方式的炉子称为室燃炉；燃用煤粉的室燃炉称为煤粉炉；燃用液体、气体燃料的称为燃油炉、燃气炉。煤粉炉按其排渣方式，又分为固态排渣炉和液态排渣炉。

图1-3　火炬燃烧方式

采用火炬燃烧方式时，燃料在炉内的停留时间很短，为3～4s，炉内没有富裕的燃料量，因此，该炉只能燃用极细粉状和雾状的燃料。燃料和空气应有稳定的供应，并能调节灵活，适应锅炉负荷的需要。

②旋风燃烧方式　旋风燃烧方式是在圆柱形筒体（立式或卧式）内进行旋涡燃烧，如图1-4所示。空气及燃料沿切线方向送入炉内，在高速旋转的气流带动下，使燃料向前流动，并进行燃烧。由于离心力的作用，燃料颗粒沿着炉子内壁运动，最后由炉子的一端排出。燃料颗粒与气流之间有很大的相对运动，一方面加强了空气与颗粒表面的接触；另一方面使燃烧的产物易于脱离燃料表面，因此，旋风炉内的热强度很高。

图1-4　旋风燃烧方式

旋风燃烧方式中，具有较薄的运动的燃料层。因燃料在炉子中逗留的时间较长，故可采用较粗的燃料颗粒。由于气流带动燃料颗粒在炉内运动，气流作用到燃料颗粒上的力应大于燃料颗粒本身的重量。采用旋风燃烧方式的炉子称为旋风炉。

室燃方式适用于大型动力装置。其主要优点是不易结渣、设备费用随负荷上升得慢，对负荷变化的适应性好。由于燃料颗粒的表面积大，又处于悬浮状态下燃烧，故气化效率比层燃式高；同时可燃用高灰分、高水分的劣质煤、无烟煤屑、不结焦的瘦煤等，还可实现全部机械化与自动化。虽然其制粉系统庞大，需消耗较多的电能，燃烧时烟气又带走大量飞灰，使飞灰损失增加，但其优点还是主要的，尤其涡流燃烧的旋风炉，燃烧过程强烈，热强度大、设备紧凑，所以室燃方式具有非常广阔的应用前景。

（3）沸腾燃烧方式

沸腾燃烧方式如图1-5所示，是将燃料破碎成直径为0～8mm的颗粒送入炉内，压力较高的空气从下面穿过布风板，将燃料层吹起。布风板上面的炉膛为倒锥形向上扩大，当燃料被吹起后，因炉膛内风速的减小，故燃料颗粒又落到截面较小的沸腾层上，沸腾风速又使燃料颗粒重新被吹起，因此造成燃料颗粒在炉膛空间来回翻腾和互相碰撞，如沸腾的液体，并形成一定厚度的沸腾层（800～1300mm）。由于燃料和空气的相对运动速度较大，使沸腾层内物料的混合大大加强，新燃料与燃烧着的燃料接触和碰撞，不断加热点燃。灰渣像水流那样通过溢流管流出。

图1-5　沸腾燃烧方式

沸腾燃烧的主要优点是单位面积布风板上的热强度大，燃料颗粒不断地在流体动力作用下混合、碰撞，有利于破坏颗粒的外层灰壳，阻碍燃料的黏结和结渣；因其处于低温燃烧（850～1000℃），能抑制硫化物及氮氧化合物的生成量，减轻大气污染。此外，由于其具有燃烧强烈、传热效率高的特点，所以能燃用低热值燃料，如煤矸石、石煤、油页岩、褐煤、低质烟煤、低质无烟煤等。这些低热值燃料资源非常丰富，因此有利于沸腾燃烧技术的应用与推广，可以节约大量优质燃料。沸腾炉渣还可综合利用，如作为制造各种建筑材料的掺和料等。

1.2.2　液体燃料的燃烧

工业上应用的液体燃料有重油、焦油等，其中以重油为主。以重油为燃料时，可在炉内直接燃烧。重油用油槽车（或用管路）运入厂内，存入储油罐中，然后靠油泵把油加压输送到油烧嘴。在油的输送管路中，需要用过滤器将油中的机械杂质除去。重油在通过油烧嘴燃烧时，需要把油喷成雾状，即进行雾化。在管路中应设有加热器加热重油，降低其黏度，以保证良好的雾化效果和流动性。此外，整个油路系统还伴随有蒸汽管加热和保温。重油通过油烧嘴后进入炉膛（或单独的燃烧室）中燃烧。

欲使燃料达到充分燃烧，首要的条件就是要供应足够的空气并使其与燃料均匀混合，故当已雾化好的液体燃料喷入燃烧空间后，怎么保证及时、正确地供应足够的空气量并与之充分混合将是保证液体燃料充分燃烧的关键。

一般燃油炉上常用一种配有旋流式调风器的喷燃器。喷燃器又叫燃烧器，它由雾化器和调风器组成。调风器的功用是正确地组织配风、及时地供应燃烧所需空气量以及保证燃料与空气充分混合。

燃油通过中间的雾化器雾化成细雾喷入燃烧室（炉膛），空气（或经过预热的热空气）经风道从调风器四周切向进入。因为调风器是由一组可调节的叶片所组成，且每个叶片都倾斜一定角度，故当气流通过调风器后就形成一股旋转气流。这时由雾化器喷出的雾状油滴在雾化器喷口外形成一股空心锥体射流，扩散到空气的旋流中去并与之混合、燃烧。由于气流的旋转，增大了喷射气流的扩散角，加强了油气的混合。叶片可调的目的是为了在运行中能借此来调节气流的旋转强度以改变气流的扩展角，使其与由雾化器喷出的燃油雾化角相配合，保证在各种不同工况下都能实现油与空气的良好混合。

油雾在着火前首先要加热、气化，然后与空气混合进行燃烧，为此就需要大量的热量来促使油雾蒸发气化，但仅依靠燃烧空间内的辐射热来加热往往是不够的。这是因为油滴的尺寸很小，没有足够的表面积来吸收较多的辐射热。工业实践中，一般是在雾化器的前端加装一个不良流线体（钝体），如圆盘或圆锥体等物，称之为稳焰罩。当空气绕流经过稳焰罩时，在其背后会形成一个局部负压区，使部分高温烟气流反向回流，这样在雾化器前端的轴线部分处形成一个高温回流区，成为一固定点火源。它可对刚从雾化器喷出的油雾进行加热，促使其迅速蒸发气化并着火燃烧。

为了强化油雾与空气的混合，还可采用提高调风器出口处空气流速的方法。速度越高，油气混合就越好，因此目前一般调风器送出的气流流速都较高。但大量的高速气流直接吹向火焰根部很容易将火焰吹熄，所以稳焰罩的设置还可挡住大量的高速气流直接吹向火焰根部而使其绕流而过，防止火焰吹熄，故它又起到了稳定火焰、保证燃烧的作用。

如果燃烧的油是重质油（这是一般动力锅炉、工业窑炉中较为广泛使用的燃料），还需注意防止燃油的高温热分解。重油油滴在受热时，如果空气供应不足，在一定的高温下极易分解出一些难以燃烧的重碳氢化合物和固体炭黑。这些物质因难于燃烧，常常在没在烧尽时就离开炉膛而从烟囱中排出去，形成浓厚的黑烟，造成大量的热损失并污染环境。因此对于处于稳焰罩后面、位于回流区中火焰根部的油雾来说，由于其间氧气较少，极易产生高温热分解，就需输送足量的空气到火焰根部去（一般称此为“根部送风”），以防止高温下的缺氧裂解。所以在沿着稳焰罩的圆周方向上开有6～12个槽形孔，使一部分空气穿过这些孔直接送到火炬根部，这样一方面可补足氧气，促进氧化过程的进行，另一方面亦降低了温度，限制了高温热分解。因此，这股气流在实际上也就起了一次风的作用，其余的空气（或称为二次风）则绕流而过，从稳焰罩四周供入，以保证燃料继续充分燃烧。在这里，少量的一次风也起着防止稳焰罩被烧坏和结焦的作用。

稳焰罩和雾化器可沿着喷燃器中心线前后移动，以改变回流区的形状和位置来达到调整燃烧的目的。

目前，为了减轻和防止燃油燃烧时低温腐蚀和高温腐蚀以及改善大气污染，比较有效的措施就是采用低氧燃烧。所谓低氧燃烧就是在比较少的过量空气情况下（一般为1.02～1.05）保证燃油的充分燃烧（此时烟气中剩余自由氧量需控制在0.5%～1.0%）。为此，除了要有一个良好的喷燃器外，还需要有严格、正确的配风，特别是油气分配的控制。

①每个雾化器的特性需要相同，如对简单机械雾化器来说，就应要求在相同的油压下，各雾化器的喷油量应当相同，最好偏差不超过±1%，这样就必须对每个雾化器进行标定。

②每个调风器的风量分配应当均匀，为此需对每个调风器进行标定与调整。实践证明，严格做到这一点非常困难，这比上述燃油的分配困难得多。

③喷燃器最好能有较大的调节比，在负荷变动时，尽可能不要改变投入工作的喷燃器数量，而只改变所有喷燃器的流量以适应负荷变化。这样可以减少不工作喷燃器的漏风，同时亦便于调节。

④雾化器的油喷嘴与配风器的相对位置必须合适。要求油雾的最大浓度区与配风器空气流的高速度区相吻合，才能使油、风密切混合。如两者相对位置不合适，将对混合有较大的影响。喷嘴位置太靠前，会造成油与风的混合不良，甚至还会引起油雾在里层、空气在外层的油风“分层”现象。如果喷嘴位置太靠后，油滴穿透风层打在风口或燃烧器周围的受热面上，会引起结焦，也是不合适的。如果喷嘴的位置适中，使高浓度的油雾与高速度的空气流相遇，则混合良好。

综上所述，良好的雾化、正确的配风、充分的混合是保证燃油良好燃烧的必需而重要的条件。实践证明，选择雾化性能良好的雾化器是保证燃油烧好的一个基础，但如不重视混合和配风问题，则燃油仍然会烧不好，在某些意义上甚至可以说混合和配风比雾化更为重要。

当然，为使燃油获得良好的燃烧，还需有一个足够大的燃烧空间，能使燃油在其中进行充分而完全的燃烧。此外，维持足够高的温度、合理布置喷燃器以及精心管理与调整也是保证燃油良好燃烧不可缺少的条件。

1.2.3　气体燃料的燃烧

根据气体燃料和空气在燃烧前的混合情况不同，可将气体燃料的燃烧方法分为有焰燃烧、无焰燃烧和半无焰燃烧。

（1）有焰燃烧

有焰燃烧是指气体燃料和空气在进入燃烧室前不预先进行混合，而是分别用燃烧器（烧嘴）送入燃烧室，在燃烧室内边混合边燃烧，产生的火焰较长，并有清晰的火焰轮廓，故称为有焰燃烧。

有焰燃烧属于扩散燃烧。有焰燃烧法的特点是燃烧速率主要取决于气体燃料与空气的混合速率，与可燃气体的物理化学性质无关，烧嘴能力范围较大，火焰的稳定性较好。当用有焰燃烧法燃烧含碳氢化合物较多的气体燃料时，由于可燃气体在进入燃烧反应区之前及进行混合的同时，必然要经受较长时间的加热和分解，因此在火焰中容易生成较多的固体炭粒，火焰黑度较大。其次，有焰燃烧法可以允许将空气和气体燃料预热到较高的温度而不受着火温度的限制，有利于用低热值气体燃料获得较高的燃烧温度和充分利用废气余热节约燃料。因此，改善气体燃料和空气的混合条件，其主要途径是强化燃烧和组织火焰，通过改变燃烧器结构来实现。例如将气体燃料和空气的流动形成相交射流，以加强机械掺混作用；将气体燃料分成多股细流以增大气体燃料和空气的接触面积；增大气体燃料与空气的相对速率；增大气体燃料和空气之间的动量比以及采用旋转射流来加强混合等。由于以上特点，有焰燃烧法至今仍得到广泛采用，尤其是当炉子的燃料消耗量较大，或者需要长而亮的火焰时，都采用有焰燃烧法。

当使用条件相同而燃烧器结构不同时，混合情况和火焰长度也不同。气体燃料和空气流动方式对火焰长度的影响有以下几种情况。

①当气体燃料和空气以平行流动方式进入炉内时，混合条件最差，火焰最长。

②当气体燃料和空气以两股同心射流的方式送入炉内，混合条件有所改善，火焰稍短。

③当气体燃料和空气以相交射流方式送入炉内，并缩小燃烧器出口断面时，可增大出口流速，混合更好，火焰长度更短。

（2）半无焰燃烧

如果在燃烧之前只有部分空气与气体燃料混合，则称为半无焰燃烧。

当采用半无焰燃烧，将气体燃料和空气在燃烧器内先进行部分混合，则效果更好，火焰最短。

需要注意的是，选用燃烧器时，不能只根据火焰的长短来定，而必须视火焰形状及其温度分布能否满足工艺的要求，以及燃烧器负荷调节范围能否满足炉子的要求等来定。

（3）无焰燃烧

无焰燃烧是指气体燃料和空气在进入燃烧室之前就预先将其混合均匀。因其燃烧速率只取决于着火和燃烧反应速率，它比有焰燃烧的速率快，火焰短，没有明显的火焰轮廓。它属于动力燃烧。

为达到预先混合，一般采用气体燃料作为喷射介质，空气作为被喷射介质（或以空气作为喷射介质），使两者通过喷射器而达到均匀混合。这种喷射器称为无焰燃烧器或喷射式烧嘴，在工业上已得到广泛应用。

由于气体燃料和空气已预先混合，因而过量空气系数可取得较小，一般为1.02～1.05即可。而气体燃料和空气的预热温度受到可燃混合气体着火温度的限制，通常都在350～500℃以下。由于燃烧速率快，燃烧容积热强度要比有焰燃烧高得多，且高温区较集中。为防止回火和爆炸，燃烧器的燃烧能力不能太大。

空气调节阀可以沿燃烧器轴线方向前后移动，以调节燃烧需要的空气量，空气吸入口做成收缩式的喇叭形管口，以减少空气的入口阻力。通过扩压管使气流的动压变为静压，增大喷射器两端压差。

燃烧坑道采用耐火材料砌成，可燃混合气体在坑道口被加热而着火燃烧。为使高温烟气能回流到喷口附近形成旋涡滞流区，有利于点燃，坑道的扩展角应大于90°。