气体燃烧装置回火的表现形式、原因分析和处理办法

催化剂的生产制备过程中，大量用到利用高温进行焙烧、加热与干燥的炉子，也用到处理尾气的焚烧炉等。通过燃气与空气混合燃烧产生火焰，即燃气加热炉，在生产中广泛应用[1]。根据燃气与空气混合情况不同，一般将气体燃烧器的燃烧分为三种方式，即扩散式燃烧、预混部分空气燃烧（大气式燃烧）和无焰燃烧。对于后两种燃烧形式，燃气和空气混合后，从火嘴喷出并被点燃，不一定形成稳定的火焰。气体回火燃烧就是混合气体离开火孔的速度小于燃烧速度时，火焰根部钻进火孔，破坏了燃烧的动平衡条件，发生了混合气体在燃烧器引射管内燃烧的状况，燃烧点的火会通过管道向气源方向蔓延。回火现象必须解决，它破坏了一次空气的吸入（当燃气引射空气时，造成空气不足，火焰向混合腔进行，称为回烧或倒袭回火；当空气引射燃气时，则因空气量过大，造成不完全燃烧，引起爆鸣和噪音，称为逆火或爆鸣回火） [2]。如果回火发生在混合腔内，可能会发生如下状况：烧毁喷嘴、将混合腔烧变形甚至烧出裂缝，严重回火可能引起爆炸。我单位焚烧炉在投用后一直不正常，频繁发生回火现象；钟罩窑也发生过一次回火。下面将结合不同情况对回火的表现形式作具体描述和原因分析，并提出改造措施，介绍改造后的效果。

1 新活化焚烧炉回火

1.1 系统简介

我公司生产运行一部新活化系统包括燃气式混风间接加热热风炉、助燃风机、热风供风机、尾气焚烧炉、排烟气风机、智能燃烧控制系统等，尾气燃烧器使用ECLIPSE公司的线性燃烧器。

1.2 存在问题

尾气焚烧炉自2017年2月投用以来一直不能稳定运行，经常出现回火。鼓引风系统整体运行在微负压环境内，微负压为-2 ～ -1 kPa。设备尾气燃烧器使用的是ECLIPSE公司的线性燃烧器，炉头燃气入管在侧面，因而炉头整体在外面，烧嘴无法探入系统内。这样，实际在点火和燃烧过程中，炉头部份很难和系统一样保持负压。出现的现象是点火初期能正常燃烧，随着温度升高，达到150 ℃左右时会出现回火，火焰向外燃烧直接烧到燃气管线，非常危险。在不点炉的情况下，系统负压建立迅速平稳，负压较大；当燃烧到150 ℃以下时，燃烧基本平稳；但通过炉子后面的小视窗可以发现，火焰是向外烧的，窗子开大点，火焰就向炉内退一点，但即使开到最大，当温度达到150 ℃以上时，火焰就不后退了，在不确定的时间点就听到砰的一声，火焰就向外烧，从炉头的缝隙喷出。进一步观察可以发现火焰的颜色是发黄的，说明系统的供氧不够。所以一开始我们采取的方法是尽可能密封炉头和炉体的缝隙，希望能在炉头建立负压，既不让火焰向外烧又能提供足够的氧，但不起作用。又在助燃风管线上加阀门，通过调节助燃风，调节炉头的压力，还是不行。从图1可以看到回火的不同状态，火焰把焊缝烧开，严重时把炉头的固定钢板都烧塌变形。在平时的操作中还发生过点火时爆燃的情况，炉体剧烈振动，把炉体外侧固定用的条形钢带都震开了，螺丝飞出。

气动系统由空气压缩机、干燥机、储气罐、控制阀件、管道等组成。空气压缩机的容量根据气动闸挡水高度、宽度及起升时间要求确定。气动系统设有手动控制阀，以备失电情况下可手动排气使闸门倒伏。

  

图1 焚烧炉回火时的状态Fig.1 Incinerator flashback affairs

1.3 原因分析

不同结构形式的烧嘴，可以造成不同的气流混合条件，形成不同的混合强度，火焰的稳定性也就不同[3]。从本质上说，导致烧嘴回火的根本原因是火焰传播速度大于气流流出速度。燃烧传播过程引起的稳定状态——这一依靠建立气流速度和燃烧前沿传播速度之间的平衡关系被打破所造成的。层流下燃烧前沿的传播速度称为正常传播速度，紊流下的传播速度称为实际传播速度。尽管实际燃烧多是在紊流下进行，但层流下的燃烧问题是最基本的，也很具有实际意义。影响正常传播速度的因素包括可燃气的成分、浓度、相对压力，可燃混合物的初始温度、氧含量和流动阻力等。如果气流速度很低，低于此处的火焰传播速度，使火焰刚好进入烧嘴口，在边界层内发生了回火现象。即，当在烧嘴边缘处的速度梯度g达到一个临界值时，回火就发生了。

预混层流火焰边界速度梯度的计算公式：

 

式中 Q——可燃混合物流量，m3/ s；

R——烧嘴管口半径，m。

结合公式（1）可以看出，线性烧嘴不同于普通烧嘴，可以视为有多个R，因此混合物的流量必须与多个R3成比例增加，烧嘴尺寸一定，如果混合物流量过小，就容易回火。从图1中也能发现，回火基本发生在靠近燃气侧的烧嘴附近，远端的烧嘴因为得不到足够的混合气，没能形成有效的燃烧。

比赛的间隙，为缓解紧张的氛围，主办方还进行了现场抽奖活动。上海图书馆读者服务中心主任徐强、东华大学图书馆馆长方建安、上海第二工业大学图书馆馆长吴珞、上海师范大学图书馆副馆长庄雷分别为现场观众抽出了一、二、三等奖和特等奖。

1.4 解决办法

在炉头处单引了一根DN 20的风线，用0.6 MPa的仪表风气作为助燃风，用球阀微调，并在预混处采用对称进入的方法，保证预混效果。确定管道两端的作用水头差H = P/ ( ρg）， H 以m为单位；P为管道两端的压强差，因为是开口管线，可以认为未改前的P是助烧风的压力4 kPa ，改后为600 kPa；改前和改后可以简化认为管线长度L一样，管道的比阻s一样，如图2所示。

浮动核电站是将核动力装置安装在海上平台上并提供能源的装置，浮动核电站能够同时提供电、热、淡水和高温蒸汽等多种产品，可满足区域供电、区域供热、海上石油开采、化工、极地或偏远地区、孤岛等的特殊能源需要，具有灵活性强、用途广泛的特征[1-4].

 

L——管道起端至末端的长度，m；

H——管道起端与末端的压差，Pa；

式中 Q——流量，m3/s；

从图3的照片中可以看到，改造后温度平稳，后视窑观察到火焰呈蓝色喷射入炉内，检测到负压很明显。照片炉头丝堵处即为原始助燃风引风点，现在改为单引0.6 MPa的空气作为助燃风，并在预混处采用对称进入燃气管线（黄色）。

计算改前和改后的流量比[4] ：

则

s——管道的比阻。

分析认为回火的原因是因为烧嘴处氧气压力不足，造成燃烧一直在烧嘴附近进行。而随着炉体温度升高，炉内压力增大，火焰进入炉内受阻，炉头又在系统负压之外，就发生了回火。由于受管线和安装所限，炉头烧嘴无法进入炉体内，而炉体内在鼓引风机系统循环下虽然能提供负压环境，但不足以提供燃烧所需的氧气。因此，排除负压问题，处理回火就应反其道而行之，即想办法提高燃气与空气混合后的流速，使之离开烧嘴的速度大于燃烧的速度。具体不合理之处有三个方面：一是助燃风压力和流量不够，助燃风机提供的压力为10 kPa，而燃气压力为100 kPa，燃气引射空气，易发生倒袭回火；二是助燃风引风点不合理，不应该从炉头处引，容易引起局部团烧； 三是预混方式不合理，燃气和空气不能均匀混合，容易发生爆燃。

 

改造后，燃气混合气的流量增加了3 ～ 12倍（球阀开度未全开），每次点火都一次成功，避免了过去多次点火不成功或爆燃的情况。点火后，火焰呈蓝色喷射状进入炉内，安静燃烧，运行最高温升至600 ℃，连续运行2个月，从未发生回火。

（2）法官的素质和能力各异，不同法官，受到其素质和能力的约束，适用最密切联系原则的方式往往不一致，即使对相同性质的案件也可能会选择不同国家（地域）的法律，其效果也就存在差别，缺乏法律适用的精确性。

③商品性液体补充料。熊易强[12]报道，以糖蜜为载体，添加食盐、尿素、过瘤胃蛋白质和脂肪等可制备反刍动物液体补充饲料(见表3)。最近市面出现了为多种家畜设计的液体饲料产品。例如，Power Mix4-20是含有4%蛋白和20%脂肪的液体补充饲料。该饲料可用于奶牛、肉牛、猪和家禽，由于是多用途的，该产品未加维生素和微量元素。

  

图2 焚烧炉改造前后对比Fig.2 By the comparison of technology applications

  

图3 焚烧炉改造后不回火的正常燃烧状态Fig.3 Normal condition after technology applications

2 钟罩窑的回火

2.1 系统简介

我公司焙烧设备是美国BICKLEY公司5300型钟罩窑，配套UDC 5000型可编程控制器，用于控制区温、窑压。MIC 2000型控制器，用于控制扩散风开度。钟罩窑为公司重点设备，共有2台钟罩窑，分别为A窑和B窑，由燃气供应系统、窑炉、窑车、窑具等附属设备组成。生产方式为间歇式，生产周期约65 h，最高焙烧温度1 500 ℃。公司钟罩窑建于上世纪90年代初，至今已超过20年。

2.2 存在问题

钟罩窑B窑在2017年7月13日晚，3号火嘴扩散风的软连接处爆裂，影响到窑内状态，造成产品质量波动。经分析，这也是回火造成的，因为火焰温度高，将扩散风管线原来的蓝色漆都烧没了，管线被烧成白色，如图4所示。

  

图4 钟罩窑回火后扩散风管线破损状态Fig.4 Diffusion air pipe broken after kiln flashback

而这个回火的直接原因是火嘴的喷出口因火嘴砖塌而受阻，另外扩散风阀动作不灵敏，没能按控制器设定开度打开。喷嘴火焰受阻，混合气体不能畅通喷出，火焰热量积聚在喷嘴附近，造成压力迅速升高。而自动调节没及时起作用，二次风的冷却循环效果不佳，最终结果是二次风管软连接处爆裂。

有关MOOC环境下国内图书馆开展版权服务的研究，主要围绕版权归属辨析、版权服务定位、版权保护政策优化等3个方面展开。

处理办法是将塌陷的火嘴砖拆除，用新砖重新加固，连续烧制多窑，未发生过回火。

图5左边的照片是升起钟罩窑后发现火嘴附近的砖塌了，右边的照片是修复火嘴砖。

水务行业实现投资主体多元化，不仅可以解决资金缺口的矛盾，而且通过这种方式，可以打破目前我国水务垄断经营的局面，从而促使水务企业提高经营效率，保证供水、排水、污水处理等设施的超前建设，确保我国的可持续发展战略得以顺利实施。

3 老厂房活化热风炉回火

老厂房活化燃烧系统由鼓风机、高温引风机和助燃风机组成，其中的热风炉也发生过一次回火。当时的现象是在点火过程中，每次点火都能点着，但火焰没有力量，不是喷射入炉膛内。将开关打到自动升温，温度也升不上去。从观火孔可以看到火焰是在烧嘴附近团烧，实际上是回火的一种表现，是因为供风不足。之所以没有发生火焰向外烧或者向混合腔体内回烧，是因为烧嘴整体安装在炉膛内，系统负压将炉头维系在负压中。但如果长时间允许这样的燃烧存在，就会损坏烧嘴。检查发现虽然供风阀供电正常，但机械转动部位卡住，供风量不足。处理了机械调节机构后，恢复正常。

  

图5 钟罩窑火嘴砖维修前后的状态Fig.5 Burner bricks before and after repair

4 结论

综合回火的不同表现形式，要结合现场实际进行分析，准确判断出造成回火的关键原因，采取有效措施，才能解决回火问题，避免回火带来的危害。

参考文献

[1]徐通模.燃烧学 [M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[2]任建兴，邓万里，梁松彬，等.过剩空气系数对多种燃气燃烧温度影响的分析[J].节能，2011，30（1）：21-24.

[3]韩昭沧.燃料与燃烧 [M]. 北京：冶金工业出版社，1984.

[4]徐文熙，穆文俊.化工原理 [M]. 北京：中国石化出版社，1992.