陶瓷干燥与烧成技术：液体和气体燃烧设备及其缺点

陶瓷工业燃烧设备主要包括固体燃料燃烧室、液体燃料及气体燃料燃烧器。由于环境保护的要求，煤一般制成发生炉煤气使用，直接采用煤进行燃烧的燃烧室被逐渐淘汰，因此不做介绍。这里只介绍液体和气体燃料常用的燃烧设备：各种液体、气体燃料烧嘴或燃烧器，烧嘴（又称喷嘴、喷枪或枪嘴）等。

（一）液体燃料燃烧器

液体燃料燃烧器按燃料的种类分为燃油烧嘴（包括：重油烧嘴和柴油烧嘴等）和水煤浆燃烧器。

1.燃油烧嘴

燃油烧嘴按雾化方式分为机械雾化烧嘴、压力雾化烧嘴、气流雾化烧嘴和气泡雾化烧嘴等。

机械雾化烧嘴，由于雾化效果差，对机械能要求高，很少采用。

压力雾化烧嘴，是靠燃油自身的压力转化为喷射动能，通过液膜或液柱受空气的剪切扰动而使燃油雾化。这种烧嘴的优点是结构简单、运行成本低。缺点是当负荷变小时雾化颗粒度及平均尺寸迅速增加，燃烧效率降低且小流量烧嘴易堵塞和结焦。

气流雾化烧嘴利用空气或蒸气的高速运动对液膜或液柱进行撞击、剪切、旋转。气液两相产生较高的相对速度来实现破碎雾化。气流雾化烧嘴的优点是调节范围广、雾化性能好。它的主要缺点是：雾化能量利用率低，雾化气用量大，对于高粘度的重柴油、重渣油、水煤浆不能高效燃烧。

气泡雾化烧嘴，气泡雾化在国际上被称为第三代雾化技术，这种烧嘴是在特殊结构的通道中注入压缩空气或蒸气，使之在燃油中形成数量巨大的气泡，气泡经运动、变形、加速等一系列过程后至烧嘴出口处破碎，从而形成液滴非常小、尺寸均匀度大的液雾。它具有以下特点：主要通过克服燃油表面张力来雾化，所需雾化能量少，雾化颗粒细，尺寸平均度高。

按油流与雾化介质的相对流向燃油烧嘴可分为：直流式，油流与雾化介质的相对流向是接近平行；涡流式，油流与雾化介质的相对流向是切线方向；交流式，油流与雾化介质的相对流向是按一定角度。

按油流与雾化介质的相对作用次数分为：一级雾化，油流与雾化介质的相对作用次数是一次；二级雾化，油流与雾化介质的相对作用次数是二次；多级雾化，油流与雾化介质的相对作用次数是多次。

按油流与雾化介质的相对作用位置分为：外混式，油流与雾化介质的相对作用位置是烧嘴出口外面；内混式，油流与雾化介质的相对作用位置是烧嘴出口里面。

现介绍部分常用的液体燃料烧嘴：

（1）重油烧嘴

重油烧嘴主要有以下几类：

①R型比例调节式低压烧嘴

这种烧嘴中的空气三次与油流相遇，属于多级雾化，如图1-1-1所示。多级雾化能改善雾化质量和调节火焰长度。空气量借改变第二次和第三次空气的出口断面来调节。转动操纵杆23可使转动套筒25上的螺旋导向槽在导向销9上呈螺旋方向前后移动，从而改变了第二次和第三次空气出口的断面，调节了空气的流量。油量借改变旋塞芯5上V型油槽的可通断面来调节。将空气套管和进油管8通过连杆22和蝶形螺母19连接。这样，油量变化时空气出口断面会同时变化，并通过设计使此变化成比例关系，从而实现比例调节。

图1-1-1　R型比例调节式低压烧嘴

1—空气喷嘴；2—烧嘴本体；3—油喷嘴；4—旋塞体；5—旋塞芯；6—活接头；7—弹簧；
8—油管；9—导向销；10—圆柱头螺钉；11—沉头螺钉；12—套筒；13—密封圈用弹簧；14—垫片；
15—密封挡环；16—垫圈；17—弹簧销；18—压盖；19—蝶形螺母；20—油指针柄；21—圆柱头螺钉；
22—连杆；23—操纵杆；24—“O”形密封圈；25—传动套筒；26—清扫顶丝；27—沉头螺钉

这种烧嘴雾化质量好，火焰短而清亮，扩散角大，调节倍数大，燃烧稳定，噪音较小。但结构复杂，加工精度要求高，对油质要求严格，需配置油压调节器和油过滤器，以保证正常操作。

在R型烧嘴结构的基础上，又出现了RC、RK型以及TB型低压烧嘴。

②K型低压烧嘴

K型低压烧嘴属涡流式烧嘴。雾化和助燃所需空气经空气喷出口沿切线方向的旋流叶片呈旋转气流喷出。在75°～90°的交角下与油流相遇。增加了空气与油流的接触面积和接触时间，有助于雾化和混合。其喷油量由伸到喷油口中的针形阀来调节，比较灵敏。喷油口断面随喷油量而变，保持油的喷出速度不变。针形阀还可以清扫油孔，但制造较复杂。烧嘴结构如图1-1-2所示。

图1-1-2　K型低压烧嘴结构

③外混式高压烧嘴

外混式高压烧嘴有直流式和涡流式两种，它们的构造基本相同，如图1-1-3所示。直流式与涡流式的主要区别是喷嘴2上的导出槽形状不同。直流式的导出槽为直形，如图1-1-4；涡流式的导出槽是与油流方向成一定角度的螺旋形，如图1-1-5。

涡流式烧嘴的雾化效果更好，粗雾化区可明显变短。涡流还能使油雾与助燃空气混合得均匀，在较短的距离内就能达到完全燃烧。与直流式烧嘴相比，具有火焰较短，火根温度较高，扩散角较大等特点。

图1-1-3　外混式高压烧嘴

1—风帽；2—喷嘴；3—套筒；4—油芯；5—调节螺母；6—紧固帽；7—接头

图1-1-4　直流式烧嘴

图1-1-5　涡流式烧嘴

④GNB型内混式高压烧嘴

GNB型内混式高压烧嘴是我国自行设计的内混多孔式扁平火焰烧嘴。按设计的顺序号分为GNB-Ⅰ、GNB-Ⅱ、GNB-Ⅲ、GNB-Ⅳ四个型号。

内混式烧嘴的雾化原理是，向具有一定压力的油流股喷入压力相近的雾化介质，使油流变成泡沫状，再将这种泡沫状的油从喷孔喷入窑内，利用油中具有一定压力的雾化介质的急剧爆发的膨胀力鼓碎气膜进行雾化。

图1-1-6为GNB-Ⅲ型烧嘴，它由油嘴、风套管、内混室外套管、油管等组成。雾化介质通过若干个小孔，高速冲到喷出的油流股上进行雾化。由于有了内混室，外喷头的喷孔可以是单孔或多孔，可以是圆形孔或扁形孔，可以在中心或四周，可以布置成几排或辐射状，视对火焰的要求而定。据介绍，扁平火焰比圆锥火焰的传热量要大6.3%～8.9%。GNB-Ⅲ型烧嘴的使用效果较好，火焰覆盖面积大，雾化质量好，油耗低，噪音小，更换喷嘴方便，还可延长窑炉寿命。缺点是要求的油压和雾化介质的压力较高、易结焦、火焰不易转弯等。GNB-Ⅳ型克服了上述部分缺点，适用于大型窑炉。

图1-1-6　GNB-Ⅲ型内混式烧嘴

重油烧嘴的燃烧室的温度很高，容易烧坏燃烧室内衬，因而要将燃烧室建得大些，适当降低空间热强度，并采用较好的耐火材料来砌筑，如优质高铝砖，并留有足够的膨胀缝，烘窑时加以小心，烧到高温也就安全了。有的重油燃烧室，为了扩大燃烧空间，往往燃烧室比窑车台面下落一个距离，但喷火口仍与窑车台面平齐，在喷火口处形成挡火墙。燃烧室前有烧嘴砖，烧嘴砖的喷口为扩张形，其张角应和扩散角相配合，否则，燃烧室内易结焦。

（2）柴油烧嘴

轻柴油属清洁燃料，可明焰烧成。柴油烧嘴常用的有：

①WDH-TCA型柴油高速烧嘴(www.chuimin.cn)

图1-1-7为该烧嘴安装结构示意图。烧嘴采用了气泡雾化原理，烧嘴的油孔和气孔尺寸较大，因而较好地解决了烧嘴堵塞、结焦问题。雾化耗气量小，雾滴小（＜20μm），雾滴尺寸分布均匀；燃烧充分，燃烧效率高，节能效果显著。

图1-1-7　WDH-TCA型柴油高速烧嘴安装结构示意图

1—窑墙；2—烧嘴砖；3—烧嘴砖套；4—烧嘴；5—助燃风调节阀；6—配风器；7—油压表；
8—油管接头；9—油量调节针形阀；10—压缩空气接头；11—点火电极（或火焰监测器）

②Y型轻柴油烧嘴

图1-1-8为该烧嘴结构及其安装示意图。其特点是雾化风压和油压小，燃烧充分，火焰清亮明净，火焰高速喷射旋流搅拌，有利于制品传热。

图1-1-8　Y型轻柴油烧嘴结构示意图

1—油接头；2—助燃风接头；3—火口法兰；4—护墙板；5—隔热层；
6—窑墙砖；7—膨胀缝；8—点火孔；9—烧嘴砖；10—外壳；
11—内壳；12—雾化风接头；13—外管；14—内管

2.水煤浆燃烧器

水煤浆的燃烧大致分为加热升温、水分蒸发、挥发分逸出并燃烧以及炭粒燃烧几个有重叠的过程。水煤浆燃烧器的种类主要有：CWS-1型、CWS-2型及GE型等。现主要介绍CWS-1型燃烧器。

如图1-1-9为CWS-1型燃烧器的水煤浆燃烧系统。其中燃烧器由煤浆雾化器（喷嘴）、配风器和预热室式烧嘴砖三部分组成。

图1-1-9　CWS-1型水煤浆燃烧系统

1—储浆罐；2—输浆罐；3—搅拌罐；4—供浆罐；5—在线过滤器；6—空压机；
7—助燃风机；8—燃烧器；9—燃烧炉；10—窑炉或喷雾干燥塔

（1）雾化器

雾化器结构见图1-1-10。采用气动雾化方式，利用燃料和雾化介质的能量和相互冲刷与撕裂，使水煤浆达到很好的雾化效果（平均直径约为80μm）。雾化介质可用压缩空气或蒸气，介质压力为0.25MPa～0.45MPa，雾化器调节范围：最大/最小调节比在3∶1以上。

图1-1-10　CWS-1雾化器结构示意图

（2）配风器

图1-1-11为配风器结构示意图。导向叶轮轴可调，在使用过程中通过轴向调整叶轮，可控制火焰形状和长度，火焰最长/最短比值超过5∶1，火焰张角可在25°～75°的较宽范围内调整。

图1-1-11　CWS-1配风器结构示意图

（3）预热室式烧嘴砖

烧嘴砖与各配风器形成的旋流相配合，烧嘴砖张角太大不能对雾化炬形成强烈的辐射点面，张角太小会在烧嘴砖内结焦；烧嘴砖轴向太短不能保证对雾化炬内雾滴的足够点火时间，不能使水煤浆稳定着火，轴向太长时又会在烧嘴砖内积灰和破坏流场。

（二）气体燃料烧嘴

气体燃料烧嘴的类型较多。按气体燃料燃烧方式的不同可分为：长焰烧嘴、短焰烧嘴和无焰烧嘴三种。按火焰喷出的速度可分：低速烧嘴（焰气喷出速度＜30m/s）、中速或亚高速烧嘴（焰气喷出速度为30m/s～70m/s）和高速烧嘴（焰气喷出速度＞70m/s，有的甚至为200m/s～300m/s）。高速调温烧嘴是指焰气的温度可以利用调温空气在很大范围内调节的高速烧嘴。当焰气的温度调至与窑内的温度接近时，高速喷出的焰气射流在沿喷射方向上温度基本保持不变（等温），常将在这种情况下工作的高速调温烧嘴称为“高速等温烧嘴”。此外，先进的脉冲燃烧控制系统也得到了应用。

1.吸入式烧嘴

吸入式烧嘴分为冷风吸入式和热风吸入式两类。从外形上又分为直通式和弯通式两种。属无焰烧嘴，主要用于倒焰燃气窑。冷风吸入式烧嘴结构如图1-1-12所示。利用煤气通过燃气嘴芯5喷射时所形成的负压，从吸气管6吸入空气并在混合管3互相混合后，再经扩张管2加速从喷口进入窑内着火燃烧。

图1-1-12　吸入式烧嘴结构示意图

1—烧嘴帽；2—扩张管；3—混合管；
4—风盘；5—燃气嘴芯；6—吸气管

2.DW型系列煤气烧嘴

如图1-1-13所示为该系列烧嘴中的DW-1型煤气烧嘴，它是一种适合于焦炉煤气、发生炉煤气等燃烧的短焰燃气烧嘴。要求煤气压力较低，在空气通道内有涡流导向片，使空气旋转与煤气在烧嘴内部开始混合，因而火焰较短，导向片的角度有30°和45°两种。结构简单，技术性能稳定，使用寿命长，安装维护方便，安装时配套有安装板和烧嘴砖。其主要技术性能参数是：定型烧嘴能力是当烧嘴前冷煤气压力为800Pa，冷空气压力为2000Pa时确定的。如果空气、煤气嘴前压力与上述不符，需经设计计算后在空气、煤气接口处安装节流垫圈。

图1-1-13　DW—1型煤气烧嘴

3.DT系列旋流式烧嘴

该系列烧嘴主要烧天然气，每支烧嘴的燃烧能力在12kg/h～120kg/h。助燃风机一般选用9-19型高压离心风机，采用此烧嘴可提高气体的喷出速度，增加窑内气流循环，使窑内温度均匀性有所提高，可以实现快速烧成且升温均匀。

4.高速调温烧嘴

高速调温烧嘴多采用气体燃料，属无焰烧嘴，也有采用液体燃料的高速烧嘴。这类烧嘴主要用于隧道窑和卫生陶瓷梭式窑。它最主要的特点是将高温燃料区与掺混二次调温风的区域从空间上分开。这样，一方面可以在高温燃烧区中以很高的温度和空间热强度，使燃烧不受干扰、迅速而完全地进行；另一方面又可以在燃烧完成后随心所欲地按出口质量流量、流速或风温掺兑二次调温风，从而使其可以在很低温度的地带或阶段（例如低于250℃，甚至更低）中正常作业，而且，由于喷入窑内气体的质量流量和流速很大（焰气的喷出速度一般为70m/s～100m/s，有的甚至更高，可达200m/s～300m/s），形成强烈的受限射流，引起大流量的气体循环，在窑膛内产生剧烈的搅动，使窑内温度均匀性大为改善。窑内在最高烧成温度地带或阶段的温差不超过±5℃。另外，采用高速调温烧嘴后，对流传热也有所加强，如图1-1-14所示为德国雷德哈姆公司高速调温烧嘴示意图。

图1-1-14　德国雷德哈姆公司高速调温烧嘴示意图

一般地讲，高速调温烧嘴在高温地带或阶段，接近于满负荷、氧化气氛的工况下运行要更好些；反之，在低温地带或阶段，小负荷，要求还原气氛的工况下运行就会相对差一些。

5.脉冲燃烧——控制系统

脉冲燃烧是一种间断燃烧或大小火交替燃烧的方法。在实现时，是使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间或大火所占时间的“占空比”来实现对窑炉温度等的调节控制。因为它的燃烧控制是单独的一套系统，且又与燃烧系统结合得十分紧密，因此习惯上就合称为“脉冲燃烧——控制系统”。

脉冲燃烧有两种工作状态：一种是满负荷（或大负荷）工作，另一种是不工作（或小负荷工作）。只要通过调整两种状态的时间比就可进行温度调节，实现以不同的速率升温或保温。采用脉冲燃烧控制可以弥补烧嘴调节比低的缺陷。即使在低温阶段，仍能使烧（喷）嘴工作在最佳工况。另外，由于在脉冲的作用下，大、小火频繁交替，喷出的高速热气流可使窑膛内的气体处于激烈的振荡和搅动中，使其温度分布更加均匀，如图1-1-15所示为脉冲烧嘴。

图1-1-15　脉冲烧嘴