燃烧器的发展史

燃烧器的发展史

概述

燃烧器从开始使用到现在的多样化形式，走过了漫长的历程。从早期熔炉和烤炉简单装配的

几套空气与燃气开口，到本森发明的预混燃烧器，及后来类似的喷嘴混合燃烧器，和现在为

满足不同需求的特种燃烧器。燃烧器在理论及结构上都发生了深刻的变化，在很大程度上促

进了现在工业的发展。

1 早期燃烧器的发展

19世纪中叶燃气才被作为一种工业燃料而使用，那时使用的大多是由空气或者蒸汽与煤、

焦炭或者木炭反应制成的人工燃气。燃气的可燃组分是一氧化碳和氢气，由于二氧化碳和氮

气的含量很高，气体的热值比较低。当时很少有设备被称为燃烧器，熔炉和烤炉简单装配了

几套空气与燃气开口，而后两股气流在炉子内部混合燃烧。这种技术几年前仍存在于一些再

生式玻璃熔炉和开式钢铁制造熔炉中。这种燃烧方式的火焰太大而且混合太慢不能满足很多

燃烧室和更低热值的燃气，熔炉或燃料必须预热过否则很容易熄火。

预混式燃烧器是第一个为特定目的设计的燃烧器，它能追溯到100多年前本森及类似的实验

室燃烧器，是今天预混式工业燃烧器的雏形。预混式燃烧器由头部及混合管两部分组成，在

某些情况下，它们是各自独立的单元。混和器运用压力混和燃气和空气并把它们送到燃烧喷

嘴处，在那找到稳定点对火焰点燃并控制火焰的形状。

罗伯特本森设计的混和管是用燃气射流来卷吸空气形成预混，而后，预混气体通过喷嘴被点

燃，这就是现在所说的大气式燃烧器，它只能预混理论空气的40％左右，剩下的由喷嘴周

围区域供给。

1.1早期燃烧器的改进

所有的燃烧器都有独特的特性曲线、流动范围与燃气空气比例。在任何特性曲线外（工况）

都会使燃烧器熄火。通常为了使火焰稳定应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度之间

的平衡。隧道式燃烧器的喷嘴一个突然的扩大这样提供了一个保护区，在保护区内混合物以

低速度循环燃烧，就像是混合物主流的点火环一样。 辅助火焰型燃烧器依靠一圈小孔使部

分混合气沿喷嘴进入环形缝隙，在那里形成一圈稳定的火焰为通过中心的主体混合气提供了

可靠的点火源。线性红外燃烧器有大量的小孔其中一些火焰通过保护区或孔口周围的阶梯来

稳定，其它的依靠反射屏反射火焰的热量来稳定。

2 近代燃烧器的发展

20世纪20年代早期，有几款单机喷嘴混合燃烧器开始了商业销售。除此以外，这种燃烧器

与预混燃烧器在设计中没有什么改进。在高着火率的条件下，火焰也不容易脱火，但混合比

率的波动仍旧是有极限的，空气与燃气的速度一定要小心控制，以确保洁净稳定的火焰。此

后，设计者们很快意识到，在燃气与空气出口处安装一些火焰稳定设备，如漩流叶片、圆盘

或者突出物来辅助混合过程，有助于延展着火范围和混合比例范围。对于扩展中的火焰，这

些稳定器同时也产生一些安全点来自我稳定，这使得燃烧器的稳定性大有改善。随着时间的

推移，更多巧妙复杂的稳定器被设计出来，燃烧器的特性曲线也得到了延展。

3当代燃烧器的发展

随着着火率与空燃比问题的解决，设计者们继续迎接使火焰成形以适应特别工艺的挑战。从

20世纪20年代开始到50年代产生了许多有着高火焰稳定性、宽泛的着火率和空燃比的燃

烧器。20世纪60年代开始出现了高速或者高动量燃烧器，这种燃烧器相当于在一个鼓风式

燃烧器的出口处增设一个带有烟气喷嘴的燃烧室。燃气和空气在燃烧室内进行强烈的混合和

燃烧，完全燃烧的高温烟气以高流 速喷进炉内，与工件进行强烈的对流换热。 这种燃烧器

的负荷可达2330KW。到了20世纪80年代，大部分工业操作的灵活性和传热需要得到了满

足。燃烧器设计与发展的脚步好像要放慢了，但一个新的挑战出现了--减少NOX的排放。这

是相当难的一个课题：许多支持高燃烧效率、低一氧化碳及烃类排放的燃烧器都会提高NOX

的排放级别。在高温应用情况下，燃烧预热是一种流行的节能方法，但是它提高了火焰的温

度，而高火焰温度是高NOX排放的主要因素。大多数NOX形成于火焰温度达到峰值1538℃

到1760℃的几秒钟里。如果温度能控制在1538℃以下，或者使达到峰值温度以上的时间最

小化，将会减少NOX的排放。目前国内外已采用的多种新型低NOX燃烧器，其抑制原理大

都是采用促进混合，分割火焰，烟气再循环，阶段燃烧，浓淡燃烧以及它们的组合形式。阶

段燃烧可以降低燃烧温度，允许火焰有辐射热损失。空气分段燃烧器就是依照这个原理工作

的。首先只有一部分空气与燃气接触，形成了富燃低温火焰，这种火焰允许燃气完成燃烧过

程之前释放部分热量；燃料分段燃烧器则是燃气流被分开，所以在燃烧器运行的早期是贫燃

的，剩下的燃气通过一个小的通道加入到火焰的下游，这时火焰已经放出了部分热量并且降

低了温度；此外在火焰达到最高燃烧温度之前，向火焰内注射一些热阻性物质(运用最广泛

的是冷的燃气)也可以减少NOX的排放，这就是燃气再循环技术。燃烧空气的低氧含量也可

以降低火焰温度，称其为空气损伤。这个技术通常包含烟气与空气的混合，有代表性的是空

气的氧含量被稀释到18％至19％。一些预混式燃烧器在此过程中获得了新生，贫燃预混燃

烧器在很接近贫燃稳定极限的状态下工作，形成了低NOX排放且相对冷的火焰。红外辐射

燃烧器在接近正常比例或高火焰温度情况下仍有着极低的NOX排放性能。它们的火焰是燃

烧的燃气薄层，紧紧贴缚在燃烧器的表面。火焰中燃气的停留时间很短，随着火焰向外辐射

能量火焰迅速冷却。典型的有催化氧化红外辐射燃烧器，燃气在表面催化层的催化作用下进

行燃烧，不出现火焰，由表面催化层向外辐射能量,这种辐射器为扩散式燃烧不会回火且表

面温度较低，产生极少量的NOX。