1.2　燃燒方式

燃料燃燒，生成了燃燒產物（煙氣）并放出熱量。熱量的一部分消耗在加熱新燃料，使其溫度迅速達到著火溫度，其他部分熱量則被爐中受熱面內流動的工質（水、氣水混合物或飽和蒸汽）所吸收。

燃料能否完全燃燒并放出全部熱量，與燃燒爐的結構特點、采用的燃燒方式以及燃燒過程中的風量調節、運行方式等有關。

1.2.1　固體燃料的燃燒

固體燃料（煤）在工業中的燃燒方式，一般可分為層燃式、室燃式（或稱懸浮式）和沸騰式三種。有些爐子的燃燒方式介于三種燃燒方式之間，例如，在層燃爐中采用風力拋煤機或機械拋煤機時，有不少微細煤粒被拋到燃料上方的空間燃燒，該爐子的燃燒方式就屬于半懸浮燃燒或火炬-層燃方式。

（1）層燃方式

在層燃爐中只燃燒固體的燃料。圖1-1所示為層燃爐的工作原理。將燃料送到固定的或移動的爐箅上，形成厚度均勻的燃料層，空氣通過爐箅上的孔縫隙由下向上流動，空氣與燃料之間沒有相對運動，大部分燃料是在爐箅上燃料層中燃燒。被吹至燃燒室空間的部分細屑煤粒和燃料層中燃料放出的揮發分，以及焦炭在燃燒時周圍所形成未燃完的可燃氣體，在燃料層上部的爐子空間燃燒。

圖1-1　層燃原理

根據層燃爐的爐排結構特點，層燃爐可分為燃料層不動（固定爐排）、燃料層在爐排上移動（振動爐排和翻轉爐排）和燃料層與爐排一起移動（鏈條爐排）三種，如圖1-2所示。

圖1-2　層燃爐分類

上述各種層燃爐，其燃用的固體燃料采用0～30mm小塊狀，燃燒所需要的空氣均由爐箅下送入，因此，燃料在層燃爐中的燃燒速率就取決于燃料的表面積和送入空氣的速度。燃料塊越小，其表面積越大，燃燒反應進行得就越快。但過多的細屑煤粒除增大空氣的流通阻力、影響空氣的供給外，還易被煙氣帶走，增加了燃燒熱損失。因此燃料粒徑的大小對層燃爐的燃燒是有很大影響的。此外，空氣的流速對燃燒速率也有影響，如提高空氣流速，可以加快燃料的燃燒速率，但風速過大，可將部分燃料吹起，使燃料層的穩定性遭到破壞。

工業鍋爐的蒸汽負荷是經常變動的，燃燒所需的燃料量也相應隨之變動，所以可用改變空氣供應速度和送入爐排上的煤量來適應負荷的需要。

層燃方式在中小型動力裝置和工業鍋爐中占有重要地位，其主要優點是熱惰性大（即燃料供給與鼓風之間的協調性發生偏差時，敏感性差）；對燃燒技術要求不高，在防止燃料末飛出的情況下，可用增大鼓風機的辦法來助燃。其缺點是不適用于大型動力裝置，也不能實現完全機械化和自動化。

（2）室燃方式

燃料隨氣流噴入燃燒室內，呈懸浮狀態燃燒。

氣體燃料不必預熱即可直接送入爐內燃燒，液體燃料需通過霧化器將其霧化成細霧狀油滴后送入爐內燃燒。霧化除了增大油滴與空氣的接觸面積外，又可使油霧粒不易由氣流中分離出來，所以油滴在爐內得以充分而完全的燃燒。固體燃料則應將其磨制成極細的煤粉后，由空氣送入爐內燃燒。

根據爐內氣流情況，室燃方式又可分為火炬燃燒方式與旋風燃燒方式。

①火炬燃燒方式　燃料與空氣的混合物送入爐內后呈火炬形式燃燒，如圖1-3所示。燃料與空氣之間幾乎沒有相對運動。采用這種燃燒方式的爐子稱為室燃爐；燃用煤粉的室燃爐稱為煤粉爐；燃用液體、氣體燃料的稱為燃油爐、燃氣爐。煤粉爐按其排渣方式，又分為固態排渣爐和液態排渣爐。

圖1-3　火炬燃燒方式

采用火炬燃燒方式時，燃料在爐內的停留時間很短，為3～4s，爐內沒有富裕的燃料量，因此，該爐只能燃用極細粉狀和霧狀的燃料。燃料和空氣應有穩定的供應，并能調節靈活，適應鍋爐負荷的需要。

②旋風燃燒方式　旋風燃燒方式是在圓柱形筒體（立式或臥式）內進行旋渦燃燒，如圖1-4所示。空氣及燃料沿切線方向送入爐內，在高速旋轉的氣流帶動下，使燃料向前流動，并進行燃燒。由于離心力的作用，燃料顆粒沿著爐子內壁運動，最后由爐子的一端排出。燃料顆粒與氣流之間有很大的相對運動，一方面加強了空氣與顆粒表面的接觸；另一方面使燃燒的產物易于脫離燃料表面，因此，旋風爐內的熱強度很高。

圖1-4　旋風燃燒方式

旋風燃燒方式中，具有較薄的運動的燃料層。因燃料在爐子中逗留的時間較長，故可采用較粗的燃料顆粒。由于氣流帶動燃料顆粒在爐內運動，氣流作用到燃料顆粒上的力應大于燃料顆粒本身的重量。采用旋風燃燒方式的爐子稱為旋風爐。

室燃方式適用于大型動力裝置。其主要優點是不易結渣、設備費用隨負荷上升得慢，對負荷變化的適應性好。由于燃料顆粒的表面積大，又處于懸浮狀態下燃燒，故氣化效率比層燃式高；同時可燃用高灰分、高水分的劣質煤、無煙煤屑、不結焦的瘦煤等，還可實現全部機械化與自動化。雖然其制粉系統龐大，需消耗較多的電能，燃燒時煙氣又帶走大量飛灰，使飛灰損失增加，但其優點還是主要的，尤其渦流燃燒的旋風爐，燃燒過程強烈，熱強度大、設備緊湊，所以室燃方式具有非常廣闊的應用前景。

（3）沸騰燃燒方式

沸騰燃燒方式如圖1-5所示，是將燃料破碎成直徑為0～8mm的顆粒送入爐內，壓力較高的空氣從下面穿過布風板，將燃料層吹起。布風板上面的爐膛為倒錐形向上擴大，當燃料被吹起后，因爐膛內風速的減小，故燃料顆粒又落到截面較小的沸騰層上，沸騰風速又使燃料顆粒重新被吹起，因此造成燃料顆粒在爐膛空間來回翻騰和互相碰撞，如沸騰的液體，并形成一定厚度的沸騰層（800～1300mm）。由于燃料和空氣的相對運動速度較大，使沸騰層內物料的混合大大加強，新燃料與燃燒著的燃料接觸和碰撞，不斷加熱點燃。灰渣像水流那樣通過溢流管流出。

圖1-5　沸騰燃燒方式

沸騰燃燒的主要優點是單位面積布風板上的熱強度大，燃料顆粒不斷地在流體動力作用下混合、碰撞，有利于破壞顆粒的外層灰殼，阻礙燃料的黏結和結渣；因其處于低溫燃燒（850～1000℃），能抑制硫化物及氮氧化合物的生成量，減輕大氣污染。此外，由于其具有燃燒強烈、傳熱效率高的特點，所以能燃用低熱值燃料，如煤矸石、石煤、油頁巖、褐煤、低質煙煤、低質無煙煤等。這些低熱值燃料資源非常豐富，因此有利于沸騰燃燒技術的應用與推廣，可以節約大量優質燃料。沸騰爐渣還可綜合利用，如作為制造各種建筑材料的摻和料等。

1.2.2　液體燃料的燃燒

工業上應用的液體燃料有重油、焦油等，其中以重油為主。以重油為燃料時，可在爐內直接燃燒。重油用油槽車（或用管路）運入廠內，存入儲油罐中，然后靠油泵把油加壓輸送到油燒嘴。在油的輸送管路中，需要用過濾器將油中的機械雜質除去。重油在通過油燒嘴燃燒時，需要把油噴成霧狀，即進行霧化。在管路中應設有加熱器加熱重油，降低其黏度，以保證良好的霧化效果和流動性。此外，整個油路系統還伴隨有蒸汽管加熱和保溫。重油通過油燒嘴后進入爐膛（或單獨的燃燒室）中燃燒。

欲使燃料達到充分燃燒，首要的條件就是要供應足夠的空氣并使其與燃料均勻混合，故當已霧化好的液體燃料噴入燃燒空間后，怎么保證及時、正確地供應足夠的空氣量并與之充分混合將是保證液體燃料充分燃燒的關鍵。

一般燃油爐上常用一種配有旋流式調風器的噴燃器。噴燃器又叫燃燒器，它由霧化器和調風器組成。調風器的功用是正確地組織配風、及時地供應燃燒所需空氣量以及保證燃料與空氣充分混合。

燃油通過中間的霧化器霧化成細霧噴入燃燒室（爐膛），空氣（或經過預熱的熱空氣）經風道從調風器四周切向進入。因為調風器是由一組可調節的葉片所組成，且每個葉片都傾斜一定角度，故當氣流通過調風器后就形成一股旋轉氣流。這時由霧化器噴出的霧狀油滴在霧化器噴口外形成一股空心錐體射流，擴散到空氣的旋流中去并與之混合、燃燒。由于氣流的旋轉，增大了噴射氣流的擴散角，加強了油氣的混合。葉片可調的目的是為了在運行中能借此來調節氣流的旋轉強度以改變氣流的擴展角，使其與由霧化器噴出的燃油霧化角相配合，保證在各種不同工況下都能實現油與空氣的良好混合。

油霧在著火前首先要加熱、氣化，然后與空氣混合進行燃燒，為此就需要大量的熱量來促使油霧蒸發氣化，但僅依靠燃燒空間內的輻射熱來加熱往往是不夠的。這是因為油滴的尺寸很小，沒有足夠的表面積來吸收較多的輻射熱。工業實踐中，一般是在霧化器的前端加裝一個不良流線體（鈍體），如圓盤或圓錐體等物，稱之為穩焰罩。當空氣繞流經過穩焰罩時，在其背后會形成一個局部負壓區，使部分高溫煙氣流反向回流，這樣在霧化器前端的軸線部分處形成一個高溫回流區，成為一固定點火源。它可對剛從霧化器噴出的油霧進行加熱，促使其迅速蒸發氣化并著火燃燒。

為了強化油霧與空氣的混合，還可采用提高調風器出口處空氣流速的方法。速度越高，油氣混合就越好，因此目前一般調風器送出的氣流流速都較高。但大量的高速氣流直接吹向火焰根部很容易將火焰吹熄，所以穩焰罩的設置還可擋住大量的高速氣流直接吹向火焰根部而使其繞流而過，防止火焰吹熄，故它又起到了穩定火焰、保證燃燒的作用。

如果燃燒的油是重質油（這是一般動力鍋爐、工業窯爐中較為廣泛使用的燃料），還需注意防止燃油的高溫熱分解。重油油滴在受熱時，如果空氣供應不足，在一定的高溫下極易分解出一些難以燃燒的重碳氫化合物和固體炭黑。這些物質因難于燃燒，常常在沒在燒盡時就離開爐膛而從煙囪中排出去，形成濃厚的黑煙，造成大量的熱損失并污染環境。因此對于處于穩焰罩后面、位于回流區中火焰根部的油霧來說，由于其間氧氣較少，極易產生高溫熱分解，就需輸送足量的空氣到火焰根部去（一般稱此為“根部送風”），以防止高溫下的缺氧裂解。所以在沿著穩焰罩的圓周方向上開有6～12個槽形孔，使一部分空氣穿過這些孔直接送到火炬根部，這樣一方面可補足氧氣，促進氧化過程的進行，另一方面亦降低了溫度，限制了高溫熱分解。因此，這股氣流在實際上也就起了一次風的作用，其余的空氣（或稱為二次風）則繞流而過，從穩焰罩四周供入，以保證燃料繼續充分燃燒。在這里，少量的一次風也起著防止穩焰罩被燒壞和結焦的作用。

穩焰罩和霧化器可沿著噴燃器中心線前后移動，以改變回流區的形狀和位置來達到調整燃燒的目的。

目前，為了減輕和防止燃油燃燒時低溫腐蝕和高溫腐蝕以及改善大氣污染，比較有效的措施就是采用低氧燃燒。所謂低氧燃燒就是在比較少的過量空氣情況下（一般為1.02～1.05）保證燃油的充分燃燒（此時煙氣中剩余自由氧量需控制在0.5%～1.0%）。為此，除了要有一個良好的噴燃器外，還需要有嚴格、正確的配風，特別是油氣分配的控制。

①每個霧化器的特性需要相同，如對簡單機械霧化器來說，就應要求在相同的油壓下，各霧化器的噴油量應當相同，最好偏差不超過±1%，這樣就必須對每個霧化器進行標定。

②每個調風器的風量分配應當均勻，為此需對每個調風器進行標定與調整。實踐證明，嚴格做到這一點非常困難，這比上述燃油的分配困難得多。

③噴燃器最好能有較大的調節比，在負荷變動時，盡可能不要改變投入工作的噴燃器數量，而只改變所有噴燃器的流量以適應負荷變化。這樣可以減少不工作噴燃器的漏風，同時亦便于調節。

④霧化器的油噴嘴與配風器的相對位置必須合適。要求油霧的最大濃度區與配風器空氣流的高速度區相吻合，才能使油、風密切混合。如兩者相對位置不合適，將對混合有較大的影響。噴嘴位置太靠前，會造成油與風的混合不良，甚至還會引起油霧在里層、空氣在外層的油風“分層”現象。如果噴嘴位置太靠后，油滴穿透風層打在風口或燃燒器周圍的受熱面上，會引起結焦，也是不合適的。如果噴嘴的位置適中，使高濃度的油霧與高速度的空氣流相遇，則混合良好。

綜上所述，良好的霧化、正確的配風、充分的混合是保證燃油良好燃燒的必需而重要的條件。實踐證明，選擇霧化性能良好的霧化器是保證燃油燒好的一個基礎，但如不重視混合和配風問題，則燃油仍然會燒不好，在某些意義上甚至可以說混合和配風比霧化更為重要。

當然，為使燃油獲得良好的燃燒，還需有一個足夠大的燃燒空間，能使燃油在其中進行充分而完全的燃燒。此外，維持足夠高的溫度、合理布置噴燃器以及精心管理與調整也是保證燃油良好燃燒不可缺少的條件。

1.2.3　氣體燃料的燃燒

根據氣體燃料和空氣在燃燒前的混合情況不同，可將氣體燃料的燃燒方法分為有焰燃燒、無焰燃燒和半無焰燃燒。

（1）有焰燃燒

有焰燃燒是指氣體燃料和空氣在進入燃燒室前不預先進行混合，而是分別用燃燒器（燒嘴）送入燃燒室，在燃燒室內邊混合邊燃燒，產生的火焰較長，并有清晰的火焰輪廓，故稱為有焰燃燒。

有焰燃燒屬于擴散燃燒。有焰燃燒法的特點是燃燒速率主要取決于氣體燃料與空氣的混合速率，與可燃氣體的物理化學性質無關，燒嘴能力范圍較大，火焰的穩定性較好。當用有焰燃燒法燃燒含碳氫化合物較多的氣體燃料時，由于可燃氣體在進入燃燒反應區之前及進行混合的同時，必然要經受較長時間的加熱和分解，因此在火焰中容易生成較多的固體炭粒，火焰黑度較大。其次，有焰燃燒法可以允許將空氣和氣體燃料預熱到較高的溫度而不受著火溫度的限制，有利于用低熱值氣體燃料獲得較高的燃燒溫度和充分利用廢氣余熱節約燃料。因此，改善氣體燃料和空氣的混合條件，其主要途徑是強化燃燒和組織火焰，通過改變燃燒器結構來實現。例如將氣體燃料和空氣的流動形成相交射流，以加強機械摻混作用；將氣體燃料分成多股細流以增大氣體燃料和空氣的接觸面積；增大氣體燃料與空氣的相對速率；增大氣體燃料和空氣之間的動量比以及采用旋轉射流來加強混合等。由于以上特點，有焰燃燒法至今仍得到廣泛采用，尤其是當爐子的燃料消耗量較大，或者需要長而亮的火焰時，都采用有焰燃燒法。

當使用條件相同而燃燒器結構不同時，混合情況和火焰長度也不同。氣體燃料和空氣流動方式對火焰長度的影響有以下幾種情況。

①當氣體燃料和空氣以平行流動方式進入爐內時，混合條件最差，火焰最長。

②當氣體燃料和空氣以兩股同心射流的方式送入爐內，混合條件有所改善，火焰稍短。

③當氣體燃料和空氣以相交射流方式送入爐內，并縮小燃燒器出口斷面時，可增大出口流速，混合更好，火焰長度更短。

（2）半無焰燃燒

如果在燃燒之前只有部分空氣與氣體燃料混合，則稱為半無焰燃燒。

當采用半無焰燃燒，將氣體燃料和空氣在燃燒器內先進行部分混合，則效果更好，火焰最短。

需要注意的是，選用燃燒器時，不能只根據火焰的長短來定，而必須視火焰形狀及其溫度分布能否滿足工藝的要求，以及燃燒器負荷調節范圍能否滿足爐子的要求等來定。

（3）無焰燃燒

無焰燃燒是指氣體燃料和空氣在進入燃燒室之前就預先將其混合均勻。因其燃燒速率只取決于著火和燃燒反應速率，它比有焰燃燒的速率快，火焰短，沒有明顯的火焰輪廓。它屬于動力燃燒。

為達到預先混合，一般采用氣體燃料作為噴射介質，空氣作為被噴射介質（或以空氣作為噴射介質），使兩者通過噴射器而達到均勻混合。這種噴射器稱為無焰燃燒器或噴射式燒嘴，在工業上已得到廣泛應用。

由于氣體燃料和空氣已預先混合，因而過量空氣系數可取得較小，一般為1.02～1.05即可。而氣體燃料和空氣的預熱溫度受到可燃混合氣體著火溫度的限制，通常都在350～500℃以下。由于燃燒速率快，燃燒容積熱強度要比有焰燃燒高得多，且高溫區較集中。為防止回火和爆炸，燃燒器的燃燒能力不能太大。

空氣調節閥可以沿燃燒器軸線方向前后移動，以調節燃燒需要的空氣量，空氣吸入口做成收縮式的喇叭形管口，以減少空氣的入口阻力。通過擴壓管使氣流的動壓變為靜壓，增大噴射器兩端壓差。

燃燒坑道采用耐火材料砌成，可燃混合氣體在坑道口被加熱而著火燃燒。為使高溫煙氣能回流到噴口附近形成旋渦滯流區，有利于點燃，坑道的擴展角應大于90°。