10 工程燃烧学 孔式喷嘴之分。与采用炉排的层状燃烧方式相比，粉煤燃烧具有燃烧温度高、燃烧效率高 燃烧过程易于调节以及火焰辐射能力强等优点。 三、燃气轮机 燃气轮机是以连续流动的高温燃气为工质、将燃料燃烧时释放出来的热能转换为机械功 的高速回转式叶轮动力机械。它主要由压气机、燃烧室和透平等部件组成（图1~5）。空气 通过进气道连续不断地被吸入压气机并压缩，压力升高，接着进入燃烧室中与喷人的燃料 (液体或气体燃料)混合燃烧。所形成的高温高压燃气再进人透平中，推动叶轮高速旋转。 燃气轮机的燃烧设备是 进气蝴壳 燃烧室，它将喷人的燃料与 压瑞空气混合燃路形成高泪 燃气，通常采用高温耐热合 金材料制作。现代燃气轮机 燃烧室按照基本结构形式可 分为圆简型燃烧室、分管型 燃烧室、环管型燃烧室和环 型燃烧室四大类型。其中， 圆简型燃烧室广泛应用于固 进气 定式燃气轮机中，而分管型、 环管型和环型燃烧室在航空 图1-5燃气轮机结构 燃气轮机、车辆和舰船用燃 气轮机中被广泛采用。此外，按照空气、燃气流在燃烧室中的流动方向不同，燃气轮机燃烧 室可分为逆流式（回流式）和顺流式（直流式）两种。按照燃烧方式不同，燃气轮机燃烧室 分为扩散燃烧和预混燃烧两种基本类型 燃气轮机燃烧室主要由火焰筒、火焰稳定器、燃料喷嘴、点火器以及外壳、联焰管、扩 压器、燃气导管等部件组成。火焰简是实现燃料燃烧和燃气檐冷的空间，是燃烧室的关键部 件。按照燃用燃料的不同，燃料喷嘴可分为液体燃料喷嘴、气体燃料喷嘴和双燃料喷嘴 种。燃气轮机的燃料喷嘴在工作原理上与锅炉和工业炉窑油喷嘴和气体燃料烧嘴类似。双燃 料喷嘴分别具有气体、液体燃料各自的喷口，可只烧天然气或燃油，也可在天然气供应不足 时与燃油混烧。燃气轮机燃烧室中主要采用叶片式旋流器作为火焰稳定器，有轴向式和径向 式两种。采用旋流器，可在火焰简中产生回流区，促使燃料加热和燕发，是稳定火焰的有效 手段。 燃气轮机动力装置具有功率大、体积小、启动快、污染物排放低等优点，广泛应用于电 站、机械驱动、车辆动力、舰船动力以及航空、航天动力等领域。 四、内燃机 内燃机是通过燃料在气缸中燃烧产生高温燃气，并依靠燃气膨胀推动活塞往复运动而将 燃料燃烧时释放出来的热能转换为机械功的活塞式动力机械，是热效率最高的一种热机。 内燃机的核心部件为一圆简型的气缸，内置一可作直线往复运动的活塞，活塞顶部与气 缸盖之间的小空间构成内燃机的燃烧室，活塞通过连杆与曲轴相连（图1~6）。燃料和空气 分别由内燃机的燃料供给系统和配气机构喷入燃烧室，形成可燃混合气并迅速燃烧。气缸中
1绪 论 11 热量的迅速释放产生高温高压燃气，并急剧 膨胀，推动活塞作往复运动，进而通过曲柄 连杆机构带动曲轴旋转，将作用在活塞上的 燃气压力转变为转矩，通过曲轴向外输出。 内燃机一般燃用轻质液体燃料（汽油 柴油、甲醇、乙醇等)和气体燃料（天然 气、液化石油气、发生炉煤气等)。按照燃 料的着火方式不同，内燃机可分为外源点火 式（又称火花点火式）和自燃发火式（文称 压燃式)两种。外源点火式内燃机一般采用 电火花点火，如汽油机和煤气机：压燃式内 燃机不是由外源点火而是靠压缩热使燃料自 行者火燃烧，如柴油机。各种内燃机中可燃 混合气的形成方法不同，相应的燃烧过程也 不同。如汽油机中可燃混合气往往是在气缸 外形成的。雾状油滴经蒸发、扩散与空气混 合（利用化油器或电喷和进气管）而流入气 缸，直至压缩行程之末，再点火燃烧；而在 柴油机中，柴油经喷油嘴喷入燃烧室， 与高 温、高压空气混合并发生燃烧。 内燃机是热效率最高、应用范围最广的 热力发动机，广泛应用于工业、农业、交通 图1-6X3105型柴油机 运输等国民经济和国防建设各个领域。它是 】一气红盖：2一排气管：子活塞：4气缸体：于一连杆， 汽车、拖拉机、工程机械、农业机械、通用 6一凸轮抽：7一曲柏，8一喷袖器：9一进气管， 机械、船舶、机车、军用车辆和发电设备等 20一喷油泵，11一糖抽泵，12一机抽乘 移动式和固定式动力装置的主要动力源 1,3工程燃烧设备的基本性能要求 燃烧设备是锅炉 工业炉密、燃气轮机、内燃机等热能动力装置最重要的组成部分之 一，其性能是决定整个装置能否可靠、安全、经济运行的关键因素。设计良好的燃烧设备应 该满足工作可靠性、运行经济性和使用维护三方面的要求并应达到相应的性能指标。 (1)然烧热强度高 表征燃烧设备工作热强度的指标有容积热强度和面积热强度。容积热强度是指单位炉膛 (或燃烧室)容积在单位时间内燃烧燃科所释放出来的热量，又称比容积热强度；面积热强 度是指单位炉膛（或燃烧室）横截面积在单位时间内燃烧燃料所释放出来的热量，又称比面 积热强度。 燃烧设备燃烧热强度的高低是反映炉膛（或燃烧室）结构紧凑性的指标。燃烧热强度 高，则炉膛（或燃烧室）结构紫凌、尺寸小、质量轻，特别是对于燃气轮机，可使燃烧室结
12 工程燃焕学 构简化，便于制造，适应整台燃气轮机结构紧楼性的要求。但是，过分提高燃烧容积和面积 热强度可能导致不完全燃烧损失急剧增大而达到不能允许的程度，因而燃烧设备的燃烧热强 度应该有一个合理的限值。 (2)燃烧效寧高 燃烧效率可定义为燃烧过程释效出的可用于热力过程的实际热量占燃料完全燃烧所释放 出的理论热量的百分比。该指标表示燃料燃烧完全程度，反映燃烧设备的经济性。性能良好 的燃烧设备应保证在所有运行工况下燃料能够最大限度地燃烧完全，尽量减小不完全燃烧损 失，保证高的燃烧效率和不冒黑烟。不同类型燃烧设备的燃烧效率差别很大，例如现代电站 煤粉锅炉和燃气轮机的燃烧效率通常可达99%，而许多小型燃煤工业锅炉燃烧效率低于 60%,某些燃煤工业炉窑甚至只有20%~30%。 (3)燃德琦岸性好 燃烧稳定性是反映燃烧过程组织的合理性和燃烧设备运行可靠性的指标。当燃料和氧化 剂在规定的温度、压力参数下，以预定的流量通过一定的途径进人炉胶或燃烧室时，应保证 两者及时、有效的混合，并能及时、稳定地着火，火焰长度合适且分布合理火焰稳定性 好，确保在任何运行工况下均不会发生熄火、回火或强烈的火焰脉动以及振荡燃烧现象。 燃烧器是组织合理燃烧、维持稳定燃烧的关键设备，其性能的优劣决定了燃烧室的性 能。无论是煤粉燃烧器、油喷嘴还是液体燃料烧嘴均应具有特别设计的结构，以保证燃料与 空气的良好混合以及及时、稳定着火和火焰的稳定。特别是在燃用劣质燃料或者工作环境恶 劣、对燃烧设备要求高的情况下，燃烧器必须具有良好的启动点火和稳燃性能，以保证快速 且可靠地点火起燃和稳定燃烧。 (4)安全性好，使用寿命长 这是燃烧设备运行安全性以及能否长期可靠运行的指标。影响该性能指标的因素很多， 如炉膛或燃烧室的燃烧热强度、燃烧过程的组织、火焰或高温烟气的温度分布、高温元件的 冷却保护、燃烧室结构设计合理性等 为了保证燃烧设备以及整个系统的安全可靠运行，并具有足够长的使用寿命，必须根 据燃烧设备的总体要求进行综合考感，保证设计方案的合理性。例如，对于燃气轮机燃 烧室，要保证高温元件冷却良好，防止发生严重的积焦和积炭现象。特别是火焰筒应有 良好的怜却保护，以保证燃烧室具有足够长的使用寿命。燃料必须能够在燃烧室内燃烧 完毕，力求燃烧火最短，严防火焰伸人透平，造成过热破坏。在锅炉中，应合理选择 炉腫截面热负荷，确保燃烧器区域不结渣；应合理选择炉膛容积热负荷，确保高温对流 恐执面不结 (5)燃烧物的污染排放低 工程燃烧过程所产生的燃烧产物主要是烟气和灰渣，而燃烧产物中的污染物类型和数量 与燃料和燃烧设备性能密切相关。例如，城市垃圾焚烧烟气中的污染物主要包括烟尘、酸性 气体、NO,、重金属、CO以及有机氯化物等。烟气中各种成分量的多少，与垃圾组成、燃 烧方式以及烟气处理设备有关。燃煤锅炉排烟中的污染物则主要是烟尘、SO,、NO,、CO 等。应通过合理设计燃烧设备、采用清洁燃烧新技术以及提高燃烧设备运行控制水平等手段 改普燃烧过程、合理组织然烧，有效降低污染物生成量，使燃烧产物中污染物的排放满足相 应环境排放标准的要求
1结 论 13 (6)管理维护方便 现代燃烧设备大部分为自动控制，且均配置有安全装置。但是，由于燃烧装置结构复 杂且工作环境特殊，往往必须充分注意其运行管理和维护，包括对燃烧装置及其主要部 件进行定期检查和检修。例如，油喷嘴发生磨损或杂物堵塞可使燃油喷出的状态不佳，因 此需要进行定期检杏、清扫或标卸更赣。稳临器与火焰直接接触而处干高温状态，摄易相 坏；在燃烧重油时，稳焰器往往受到燃料的附着和污染。因此，必须对稳焰器进行定期检修 和清扫，以维持其正常工作状态。由此可见，燃烧设备及其部件便于进行管理和维护是十分 重要的 1.4工程燃烧的研究及发展 燃烧技术的广泛应用为人类提供了大量的热能、机械能和电能，但矿物燃料的燃烧同时 也将引起环境污染问题。工程燃烧过程所产生的燃烧产物中一般含有气体和固体污染物（如 SO2、NO、烟尘、灰渣等)，有时还有废水，它们均会污染环境，危害人类生活。另一方 面，地球上的矿物燃料资源是有限的，而且随着长时间、大规模的开发利用日益减少。随者 经济持续、快速发展对能源需求的迅速增长，提高燃料能源利用率、合理利用矿物燃料资源 成为解决能源短缺问题的重要途径， 因此，工程燃烧研究和燃烧技术的发展要解决的主要问题是如何进一步提高燃烧效率以 及如何进一步降低燃烧过程中污染物的生成与排放量。研究内容主要包括：燃烧技术的改进 与创新以及新型燃烧装置的开发，燃烧过程的组织，燃料利用率的提高，燃烧产物组成的改 善，燃烧过程的监测与控制，燃烧过程中污染物的生成与排放控制等。应该指出，燃烧反应 动力学、燃料着火和燃尽、火焰传播与稳定、预混火焰和扩散火焰、层流和湍流燃烧、催化 燃烧、油滴与碳粒燃烧、燃烧产物形成机理等燃烧基本过程和现象的研究成果，构成了上述 燃烧技术研究与发展的基础 当前工程燃烧研究和燃烧技术发展的重点丰要句括以下几占 (1)燃烧技术和装置的改进与开发 燃烧技术和装置的改进与开发主要围绕提高燃烧效率和降低污染物生成与排放两方面来 进行。目前我国的能源利用率还比较低，与发达国家相比尚有较大差距。这种落后的现状主 要是由我国一次能源以煤炭为主的能源消费结构以及燃烧设各与技术水平较低引起的。通过 采用先进的燃烧技术和装置，无疑将有效地提高燃烧效率和能源利用率。另一方面，燃料燃 烧引起的污染问题越来越受到关注。特别是我国煤炭消费量中的大部分是直接燃烧利用，燃 用大量煤炭产生大量的烟尘和有害气体排放物，引起严重的大气污染问题。此外，城市交通 中大量机动车的燃绕排放物也已成为城市的主要污染问题之一，因此，先进的燃烧技术和装 置也应满足有效降低污染物生成量，使燃烧产物中污染物的排放满足相应环境排放标准的 要求。 经过几十年的研究与发展，我国工程燃烧技术和应用水平得到了显著提高。许多先进的 燃烧技术和装置先后应用于生产实际，并取得了良好的经济和环保效益。例如电站煤粉锅炉 采用的开缝式纯体燃烧器、浓谈分离型燃烧器、船型燃烧器、煤粉浓谈燃烧器、糅合了钝体 和浓淡分离两类技术的W下燃烧器、二次风双调节旋流燃烧器等，均具有提高煤粉燃烧稳
14 工程然楼学 定性、提高燃烧效率以及降低污染物排放的明显效果。然而，研制燃烧和环保性能更加优越 的新型燃烧装置一直是广大专业人士努力的方向。 采用循环流化床锅炉不仅可以成功燃用带规燃烧方式难以燃用的劣质燃料，而且能够大 大降低机械不完全燃烧损失，显著提高锅炉热效率。此外，循环过程延长了与烟气中SO 的接触时间，Ca/S比显著降低，显著提高了脱硫效率和脱硫剂利用率。循环流化床装置具 有煤种适应性强、负荷调节比宽、污染物排放盘低等方面的系列优点，可燃用高灰分、低挥 发分或高疏分劣质燃料，是目前商业化程度最好的清洁煤燃烧技术之一。我国已发展和完善 了小型循环流化床锅炉技术，今后将发展大型循环流化床钢炉技术。 在工业锅炉中广泛采用炉拱优化设计，合理组合使用前、后拱，以此显著增强炉内气流 的扰动和混合，使燃料及时着火并充分燃尽，显著提高燃烧效率，降低烟尘排放量。但是， 日前我国的许多工业部门和企事业单位仍大量使用小型燃煤工业锅炉和炉密，这些小型燃烧 设备效率低、污染物排放量大，亟待进行技术改造和更新，从而成为我国“节能中长期专项 规划”中所列十项重点工程的一号工程。 自20世纪30年代末被发明以来，燃气轮机技术在短短的60余年中已经发展到了相当 高的水平。然而，如何在保证高效、稳定运行的前提下，有效地降低NO,、CO和未燃 CH,的排放仍然是燃气轮机技术开发和应用中亟待解决的关键问题，其中低污染排放燃烧 室的开发和设计是燃气轮机燃烧技术发展的重点方向。通过大昼的试验研究，燃用天然气的 干式低污染排放燃烧室(DLN)的NO,排放量已可降低至25mL/m,并有可能在近期降低 至5~9mL/m'的水平。此外，为了避免燃气轮机燃烧室中采用贫预混燃烧技术时所引起的 燃烧不稳定问题，国外正开展无焰燃烧(flameless oxidation)和连续空气分级燃烧(con tinuous staged air combustion)技术应用研究。初步研究结果表明，采用无焰燃烧的燃烧室 在常压下的NO,排放量约为1~3mL/m',CO排放量<10mL/m(过量空气系数为2和 2.5);采用连续空气分级燃烧技术的燃烧室在常压和不同负荷下的NO,排放量约为2一 4mL/m3,C0排放量<7mL/m(过量空气系数为2.5)。 (2)燃料的合理利用 随着能源需求和环境压力的不断增大，燃料的高效、合理利用越来越得到人们的关注。 优质燃料（例如天然气、汽油、柴油、仇质煤炭等）的热值高和挥发分高、灰分和含硫量 低，其燃烧容易组织，且污染排放量低。但这些优质燃料的储藏量有限，同时也是最重要的 碳氢化合物资源，除了用于燃烧之外，它们也是重要的化工原料，是其利用更具有应用潜力 的一个方面。因此，应当重视燃料的合理利用，同时大力研发劣质燃料的高效、低污染燃烧 技术和转晋 劣质煤的热值和挥发分低、灰分和含疏量高，燃用时不易稳定着火，燃烧过程难以组 织，易积灰和结渣，而且可能造成严重的烟尘和SO2排放。作为城市垃圾焚烧炉的燃料， 城市生活垃圾具有热值较低、成分复杂、含水量和灰分较高的特点。因此，这些劣质燃 料的燃烧及其相关的污染排放控制技术的研究和开发是然烧技术领域中非带重要的工作 内容 此外，以生物质燃料（木柴、植物秸秆、沼气、有机废物等）及其衍生燃料为代表的代 用燃料，其应用技术的研究与开发越来越得到重视。生物燃料因其资源丰富、分布广、可再 生、污染排放低等优点将成为今后替代以石油为主的第三代能源的最佳能源之一