探索式燃燒綜合教學實驗設計

鄒艷芳 史河 胡曉紅 曾思惠

摘? 要 燃燒效率和熱效率是評價燃燒設備的重要指標，對指導節能起到重要作用。燃燒綜合實驗包括燃燒效率測定實驗和燃燒熱平衡實驗，用以測量分析排煙損失、過量空氣系數等因素對燃燒效率和熱效率的影響，是能源動力類學科專業教學中的重要組成部分。通過燃燒綜合實驗，學生可以了解燃燒效率和熱效率的測定方法；通過改變不同的工況，學生更能深入了解影響效率的因素，將抽象的效率和熱平衡的分析轉換為實際認知。同時，通過實驗確定實驗臺的最佳運行工況，能夠培養學生的自主探索能力。

關鍵詞 燃燒效率；熱效率；燃燒綜合實驗

中圖分類號：G642.423? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）14-0049-04

0? 引言

鍋爐是工礦企業大量使用的一種主要動力設備，能耗較高，且排放物污染環境[1]。燃燒效率和熱效率是評價各種熱工設備運行經濟性的主要指標[2]。分析研究燃燒效率和熱效率，對于高效清潔燃燒技術的發展、燃燒動力設備的優化設計和效率評定以及燃燒污染物的排放控制及鍋爐改進設計等方面，都有極其重要的作用[3]。

實驗教學是工科人才培養過程中的重要教學環節[4]。本科生直接接觸鍋爐效率測量的機會較少，通過燃燒綜合實驗，能夠讓學生掌握有關效率測定方面的知識，深入了解影響燃燒設備效率的因素，對于培養工科學生的實際能力，為以后進一步與工程實際結合打下良好基礎。

1? 理論基礎

燃燒效率是衡量燃料燃燒充分程度的重要指標，其定義為燃料燃燒后實際放出的熱量占其完全燃燒后放出的熱量的比值[5]。燃燒效率主要取決于燃料自身的特性，即顆粒粒徑、發熱量、揮發分和灰分含量等因素[6]。

一般通過正反平衡這兩種方法測定鍋爐效率[7]。鍋爐設備熱平衡可以反映熱量在鍋爐中的利用情況[8]。利用正平衡法測量時需要測定燃料消耗量，以及鍋爐的有效利用熱。而反平衡法是通過測定熱損失，如排煙熱損失、氣體不完全燃燒熱損失等，進而計算鍋爐熱效率，利用反平衡法可以了解鍋爐機組的工作情況并找到提高鍋爐熱效率的措施。因此，大型電站鍋爐通常采用反平衡來確定鍋爐的熱效率。

2? 實驗裝置

燃燒綜合實驗裝置有可視化的燃燒室，可配置相關參數進行燃燒效率測定、燃燒熱平衡實驗、燃料與空氣混合、燃料著火與熄火等實驗。如圖1所示，實驗臺主要由燃料系統、燃燒設備本體（小型鍋殼式鍋爐）、水系統、排煙系統、控制和采集系統等組成，燃燒綜合實驗臺可更換燃燒器進行不同燃料（燃油、燃氣）的實驗，本次實驗采用燃油。

進行燃油實驗時，燃油經油泵供給燃燒器，經燃燒器中的燃油噴嘴霧化后燃燒，燃燒生成的高溫煙氣在鼓風風機的作用下經過燃燒爐膛并將熱量傳給冷卻水，最后由煙囪排入大氣。冷卻水進入鍋殼吸收爐膽中燃料燃燒釋放的熱量后經出水管道排出。在冷卻水管道上裝有渦輪流量計和進出口水溫測量儀表。在爐膛處設有在線煙氣分析儀，可監測爐膛內燃燒完成情況；出口煙道設有煙氣分析儀表和溫度測量儀表測孔，可進行煙氣成分分析和排煙溫度測定。煙道出口處煙氣分析儀如圖2所示。

3? 實驗內容

燃燒時的空氣量及其與燃料量的配比，對燃燒效率和熱效率的影響較大，過大過小都不利于燃料的燃燒。學生在實驗中需要調節空氣量和油壓，分析過量空氣系數以及油壓對各效率的影響，并嘗試找到最佳油氣配比，如圖3所示。

實驗開始前，要保證良好的通風，并確保CO檢測器已工作；開啟實驗臺主電源；打開水源供應。緩慢調節冷卻水流量控制閥，水流量大于200 g/s時，水流開關燈會變為綠色，水出口溫度綠燈亮起，并調節水溫控制轉盤設定到70～80 ℃。旋轉三通閥到所需燃油箱，打開燃油隔離閥，并利用提供的4 mm對邊六角形鍵燃燒器風門大小進行調節，可改變空氣量，其調節范圍為nol-0～nol-4。此時，可按下綠色燃燒器on/off鍵，燃燒器風扇會立刻啟動，進行吹掃，短時間間隔之后會聽到點火火花聲；輕輕擠壓灌液泵輔助燃油流動，燃燒器開始點火；松開手泵，泵壓力表會指示輸送壓力，綠色燃燒器on燈亮起，點火成功。如果沒有點火成功，燃燒器會因火焰中斷鎖定；如果燃燒器鎖定，需要等30秒才能按復位鍵。

4? 實驗數據與分析舉例

過量空氣系數和油壓對燃燒效率的影響? 從圖4可以看出，隨著過量空氣系數增大，燃燒效率呈現減小的趨勢，且當過量空氣系數超過nol-1.5時，燃燒效率劇烈下降。這是因為當空氣量增大，空氣流速變大，將沒來得及燃燒的可燃氣體帶出爐膛。此外，較大的空氣量會降低爐溫，而在低于800～900 ℃時，CO很難燃燒，氣體不完全熱損失增大，燃燒效率降低[9]。

圖5所示為空氣量為nol-1.5時，燃燒效率、排煙處CO含量隨油壓的變化曲線。由曲線可知，油壓增大，CO含量降低。油壓越高，使得燃油的霧化效果越好，燃燒越充分，排煙處CO含量降低，燃燒效率升高。但是，油壓并不是越高越好。比如：學生在進行油壓為9.5 bar的實驗時，空氣量降至nol-1時，燃燒器熄火，且此時排煙處的CO含量很高，這是因為油壓較高時所需的空氣量較大。同時會發現，燃燒效率在油壓為8 bar處開始出現拐點，這說明當空氣量為nol-1.5，油壓為8 bar時，實驗臺處于較佳的運行工況。

過量空氣系數和油壓對反平衡效率的影響? 如圖6所示，排煙熱損失隨著過量空氣系數的增大而增大；相應地，反平衡效率隨過量空氣系數的增加呈現下降趨勢。與影響燃燒效率的機理類似，較大的空氣量導致爐溫降低，且煙氣流速增加，可燃氣體來不及燃燒就被空氣帶出爐膛，排煙量增加，從而導致反平衡效率降低[10]。因此，在保證燃料完全燃燒的前提下，為了得到較低的排煙溫度，應適當減小過量空氣系數[11]。當然，這也不是絕對的，油壓較大時，空氣量不能太小。

圖7所示為一定空氣量下，反平衡效率隨油壓的變化曲線。由曲線可知，隨著油壓的增大，排煙損失和氣體不完全燃燒熱損失減小，反平衡效率增大。這是由于油壓越大，其霧化越好，燃燒越充分，反平衡效率增大。

過量空氣系數對正平衡效率的影響? 如圖8所示，正平衡效率隨著過量空氣系數的增大先減小后增大。當過量空氣系數為1.48時，正平衡效率最低。對于本實驗，正平衡效率主要和有效利用熱有關，即和爐膛溫度相關[12]，內焰的溫度可以從一定程度上反映爐膛溫度，如圖9所示，內焰的溫度隨過量空氣系數增大先減小后增大。當過量空氣系數為1.48的時候，內焰溫度最低，與正平衡效率的變化趨勢一致。

5? 結束語

本實驗可以作為一般測試性實驗，也能作為探索性實驗。學生通過不同工況下的燃燒效率測定、正反平衡實驗以及實驗數據處理和分析，能夠直觀深入地了解不同因素對效率的影響情況，以及各因素之間的耦合關系。這樣一方面有助于強化學生的燃燒學理論知識，實驗過程中遇到的問題和現象能激發學生探索的興趣，增強學生的自主性；另一方面可以掌握對效率的測試，為以后的工程實踐打下良好基礎。

參考文獻

[1]賴光楷.工業鍋爐與煤的清潔燃燒[J].工業鍋爐，2006（1）：1-5.

[2]崔克清.安全工程大辭典[M].北京：化學工業出版社，1995.

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[4]郝偉，李信.以培養創新人才為目標的實踐教學模式探索[J].中國電力教育，2014（3）：184-185，204.

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[7]工業鍋爐熱工性能試驗規程[S/OL].（2017-07-12）[2020-08-12].http：//www.jianbiaoku.com/webarbs/book/119561/3645334.shtml.

[8]周強泰，周克毅，冷偉，等.鍋爐原理[M].2版.北京：中國電力出版社，2009.

[9]TSGG0003—2010工業鍋爐能效測試與評價規則[S/OL].（2018-08-30）[2020-08-30].https：//wenku.baidu.com/view/fcde8aea551810a6f52486d4.html.

[10]孫學信.燃煤鍋爐燃燒試驗技術與方法[M].北京：中國電力出版社，2002.

[11]馬永濤.加熱爐過量空氣系數測量[M]//華西冶金論壇第27屆（成都）會議：全國冶金節能與合同能源管理暨熱工技術研討會.2012：3-4.

[12]陸馗樞.鍋爐熱效率測試的影響因素探析[J].河南科技，2013（6）：76，83.