天然气烧嘴：头部设计计算原理

       天然气燃烧器（烧嘴）的头部设计以保证稳定燃烧为原则。一个合理设计的头部*使火焰不离焰、不回火、不出现黄焰，并应使火焰特性满足加热工艺的需要。本节主要阐述多火孔头部的设计，单火孔头部的设计和完全预混式燃烧器头部设计相似，可参见第八章。

      天然气燃烧器的头部设计包括以下内容：选择头部形式及火孔形状，计算火孔尺寸、间距、孔深、火孔排数及头部容积，计算头部静压力。

一、火孔尺寸：

根据火焰传播及燃烧稳定理论可知，火孔尺寸越大，火焰传播速度越快，越容易回火。火孔尺寸越小，火焰传播速度越慢，越容易脱火。炼焦煤气的氢含量高，火焰传播速度快，主要是防止回火，故应采用较小的火孔尺寸。天然气及液化石油气的火焰传播速度慢，主要是防止脱火，故应采用较大的火孔。随着火孔尺寸的增加，二次空气的供给发生困难，要求有较大的一次空气系数才能消除黄焰。天然气及液化石油气比炼焦煤气容易出现黄焰。燃气性质不同，消除黄焰的一次空气系数也不同。

为了防止污染及堵塞，火孔直径不宜小于2.0mm。常用的火孔尺寸列于表7-1。

条形火孔的缝隙宽度通常为圆火孔直径的2/3。

二、火孔深度：

实验证明，增加无凸缘火孔的孔深可使脱火*限增加，但孔深增加到某一数值（13-15mm）后，脱火*限就趋于定值。由图7-17可见，对于不同直径的火孔，其孔深对脱火*限的影响是相同的。在一定范围内增加孔深，回火*限降低。因此增加孔深能使燃烧器的稳定工作范围变大。但孔深增加，气流阻力增大，不利于一次空气的吸入。孔深变化对黄焰*限没有影响。综合考虑以上因素，一般取火孔深度为火孔直径的2-3倍。

常采用有凸缘的火孔来增加孔深，以节约金属。

三、火孔间距：

实验证明，当孔距较大时，孔距对脱火及黄焰*限均无影响。当孔距减小到一定程度后，火焰相互靠近或合并，增加了脱火*限，但这时火焰与空气的接触面减少，影响了二次空气的供给，因而消除黄焰所需的一次空气系数有所增加。因此，为了防止产生黄焰，保证二次空气的供给，孔距不宜太小。另一方面，为了在点火时火焰能迅速地从一个火孔传至所有火孔，孔距又不宜太大。综合考虑上述因素，一般取火孔间距为直径的2.0-3.0倍。

四、火孔排数：

火孔排数在四排之内时，排数对脱火*限无影响，对选择燃烧器设计参数也无影响。但排数增多，二次空气的供给受限，消除黄焰所需的一次空气系数也增加。为此，火孔排数*不超过两排。在特殊情况下需要布置两排以上的火孔时，为了保证完全燃烧，每增加一排火孔，一次空气系数应增加5%-7%。两排或两排以上的火孔应叉排。

五、火孔倾角：

图7-18示出了火孔倾角对燃烧特性及热效率的影响。火孔倾角越小，火焰趋向水平，火焰与二次空气的接触充分，燃烧性能好，烟气中一氧化碳含量低，热效率下降。相反随着火孔倾角增大，烟气中一氧化塘含量增大，热效率升高。设计时一般取30°倾角。

六、锅支架高度：

图7-19示出了锅支架高度对燃烧特性及热效率的影响，锅支架越高，二次空气供给越充分，燃烧越完全，烟气中一氧化碳含量越低，但热效率下降。相反随着锅支架高度降低，二次空气供给量减少，火焰易与锅底冷表面接触。烟气中一氧化碳含量升高，热效率增大。设计时，应根据火焰内锥高度及火孔倾角选取锅支架高度，一般取20-30mm。

七、火孔燃烧能力及火孔总面积

火孔能稳定和完全燃烧的燃气量成为火孔的燃烧能力。通常用火孔热强度qp或燃气空气混合物离开火孔的速度vp来表示火孔的燃烧能力。

在设计燃烧器头部时，正确选择火孔的燃烧能力是很重要的。燃气性质、一次空气系数及火孔尺寸均对火孔的燃烧能力有影响。

为了防止回火和离焰，火孔出口气流速度*大于回火*限速度，小于离焰*限速度。通常是根据稳定范围曲线，在选定的一次空气系数下，在离焰*限速度和回火*限速度之间选一速度作为火孔后出口速度。如果燃烧器运行时，主要危险是回火，则vp应选得离回火*限远些。如燃烧器运行时主要危险是离焰，则vp就应选得离离焰*限远些。

八、燃烧器头部静压力

为了保证达到选定的火孔出口气流速度和火孔热强度，燃气-空气混合物在头部*具有一定的静压力。该静压力是由引射器提供的，它用来克服混合物从头部溢出时的能量损失。

混合物从头部溢出时的能量损失由流动阻力损失、气流通过火孔被加热而产生流加速的能量损失以及火孔出口动压头损失三部分组成。

混合气体通过火孔被加热的温度决定与燃烧器的结构、工作参数及燃烧室的构造，在大多数情况下t=50-150。

九、头部截面积及头部容积：

为了使气流均匀地分布到每个火孔上，保证各火孔的火焰高度一致，希望头部截面积和容积大些。但是，如果头部容积过大，开始点火时头部会积存大量空气，灭火时头部会积存大量燃气-空气混合物，从而容易产生点火和灭火时的回火噪声。头部容积过大还会增加金属耗量，因此，又希望头部容积小些。通常取头部截面积为火孔总面积的两倍以上。当头部较长时，为了减少头部容积，头部截面沿气流方向可做成减缩形，并保证任一点的截面积为该点以后的火孔。

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