全预混燃烧器

全预混燃烧时指燃气和空气在着火前预先按照一定比例均匀混合，达到燃烧区后混合物不再与外部空气发生燃烧，瞬间燃烧完毕，所以火焰很短甚至看不见，又称无焰燃烧。但全预混燃烧的火焰稳定性较差，容易发生回火现象，所以在设计全预混燃烧器时，需要考虑尽可能使燃气与空气混合均匀使其气流速度场均匀，并保证在最低负荷下的气流速度大于火焰的传播速度，因此设计合适的燃烧器结构是非常重要的。

目前市场上的全预混燃烧器空气和燃气的混合方式主要有风机前预混和风机后预混两种方式。

图1 前预混和后预混方式

燃烧头方式主要包括金属纤维燃烧头、水冷燃烧头、冲孔金属板燃烧头，陶瓷纤维燃烧头等。金属纤维燃烧头是在不锈钢冲孔圆筒的表面加上金属纤维编织物，燃气与空气的混合物透过金属纤维表面均匀渗出后被点燃，形成非常薄的一层蓝色火焰，由于金属纤维的阻力作用和湍流耗散作用，小孔射流被分散而导致速度逐渐降低，进而影响驻定火焰形态，预混气体出流表面积更大，火焰随之变化而具有更大的燃烧面积，局部单位体积的热释放率更小，使火焰最高温度得以有效降低从而使得氮氧化物等排放量极低。

金属纤维燃烧头的形状主要包括：平板式、圆柱形、及圆柱加端部出火形式。端部出火结构因三面出火，容积热强度大，允许更小的燃烧室设计，适合于单回程的火管锅炉结构。

图2 端部出火燃烧头结构图

燃烧头气流分布不均匀的危害

燃烧头的结构设计不合理导致气流分布不均匀的情况会造成以下问题：

①燃烧噪声

回火是引起燃烧噪声的主要原因，在燃烧头内部气流分布不均匀或者燃烧负荷下降时，会导致局部可燃混合器的流速降低，混合气流速度低于火焰传播速度时，则引发回火，回火条件分析见图，回火会引起燃烧时的噪声，同时可能烧坏燃烧器。

图3 回火条件分析

1、 引发回火时的混合气流速度 

2、回火极限时混合气流速度

3、火焰稳定燃烧时混合气流速度  

4、火焰传播速度

图4 改善前的燃烧头气流分布情况

解决办法及模拟结果

通过分析可以发现，调整不锈钢开孔尺寸及数量，或者改变气流的扰流状态，在燃烧头内部增加扰流板等方式可以改善内部的气流分布情况。

1、 调整内筒不锈钢板的开孔尺寸及数量：圆筒侧壁位置开孔形式为长条孔，端部位置调整为圆孔，中心位置开孔尺寸偏小，四周位置开孔尺寸偏大。

图5 调整后不锈钢开孔情况

图6 调整后仿真气流分布效果

2、增加圆形隔板：气流经过钝体会形成扰流，钝体后方压力变低，会产生回流旋涡。

图7 增加圆形隔板的气流分布情况

3、 增加均孔板：进入燃烧头的气流均匀分布，可改善内部的气流状态

图8 增加多孔均流板的气流分布情况

测试验证

 根据以上改进方案，制作样机测试，通过测试发现，对燃烧头气流分布不均匀问题有了很大改善，火焰高度相同、燃烧火焰很稳定，无局部燃烧现象。

图9 改善后的燃烧状态

结语

通过对端部燃烧的金属纤维燃烧头的测试，了解到气流分布不均匀对燃烧头影响和危害，并提供了相应的解决方案：

1、 改善不锈钢板开孔的形式以及尺寸和数量，使得烧头表面气流分布更加均匀。

2、 增加扰流板来改善进入燃烧头的气流情况。

3、 采用圆形隔板和多孔式均流板都能起到一定效果，应考虑不同扰流方式对压降的影响。