沥青搅拌站燃烧器燃烧效率的研究

刘战猛，赵 崇

(河南路诚机电制造有限公司，河南 南阳 473000)

0 引 言

沥青搅拌站是沥青路面施工的关键设备，在施工设备中它所占的投资及能耗比重最大。目前国产设备在标准工况下，每生产1 t沥青混合料需要消耗约7 kg柴油或等热值的其他燃料。燃烧器的运行成本在整个沥青搅拌设备生产运行总成本中占比较大，如何在确保满足沥青搅拌设备使用的前提下，选择合适的燃烧器既能有效利用能源，又能节约成本、减少环境污染，已成为目前公路施工和养护企业关注的重点问题[1]。

周志刚对燃烧器和燃料等方面进行探讨,分析了强化燃烧技术方面的有关理论知识,并论述了重渣油的节能应用技术[2]。吕庆林等分析了影响沥青混合料搅拌设备用燃油燃烧器燃尽率的各个因素,通过严格选择符合品质要求的燃料以及对燃烧器、干燥滚筒、引风除尘系统使用及维护方面的改进,为操作者提供切实可行的解决燃烧不充分问题的办法,在提高燃油燃尽率的同时，达到设备使用高效率、低能耗的目标[3]。张瀚研究了目前应用于沥青拌和设备的燃烧器在使用重渣油代替柴油时所遇到燃油难以正常雾化、燃烧,影响燃烧器正常使用的问题,最终得出沥青拌和设备在使用专用燃烧机,对燃料供给系统进行良好设计和维护下,便可极大地提高重渣油利用效率的结论[5]。张建丰介绍了玛连尼MAP系列沥青拌和楼燃烧系统火焰好坏的判断依据及成因,针对着火点位置、鼓风量、引风量、风油比及雾化质量5个方面的调整方法进行分析,最终达到良好的燃烧效果[6]。谢立杨等通过比较常用燃烧器的特点，对燃烧状态的调整，提出了量化指标，对提高燃烧器的效率有着一定的积极作用[7]。

为了降低运营成本，中国国内沥青搅拌站大多采用重、渣油做为燃烧器的燃料。由于市场上许多重油、渣油的品质差，粘度大，水分和其他固体颗粒杂质含量高，从而造成燃烧器点火困难，雾化效果差，燃烧不充分，易产生黑烟、结焦及堵塞现象，严重影响了燃烧器的燃烧效率，还会污染环境。为了解决以上问题，本文通过分析影响燃烧效率的因素，试验研究配风系统和燃料系统，进行燃烧测试，验证分析测试结果，确定技术方案，从而设计开发出一种高效燃烧、低排放的沥青搅拌站专用燃烧器。

1 影响燃烧效率的因素

众所周知，要减少不必要的能量损耗、提高燃烧效率的关键是让空气和燃料的配合达到最佳程度。因此精确控制空气量和燃料量，并以最佳的空燃比进行燃烧，是提高燃烧器燃烧效率的关键。

对于燃油燃烧器，为了使燃油能在燃烧室内有效的燃烧，可先将其破碎成微小的油滴，即通常所说的雾化。试验表明：直径为1 mm的煤油珠在空气中燃尽约需1 s；直径为0.1 mm的煤油珠约需0.01 s；直径为0.05 mm煤油珠约需2.5 μs。可见，若油滴直径缩小至原来的1/20，燃尽时间可缩短至原来的1/400。当较大的油滴燃烧时，在高温缺氧的条件下会发生裂解反应，产生微碳粒，使燃油的热量不能充分释放，并且产生黑烟。因此油滴雾化后的直径越小，其燃尽时间就越短，燃烧热效率也就越高[8]。

2 燃烧器配风系统试验研究

燃烧器配风系统的作用是为燃料燃烧提供所需的空气，并保证燃烧火焰的稳定。一般采用鼓风机作为燃烧器的空气供给装置，即鼓风式燃烧器。鼓风机是利用机械加压的方式供给空气，其结构紧凑、轻巧，并具有较大的负荷调节系数。

2.1 配风结构分析

燃烧器燃烧所需的全部空气均由鼓风机供给，在燃烧前燃料与空气并未预混，燃烧过程属于扩散燃烧，燃烧强度与火焰长度均由燃料与空气的混合强度决定。为了强化燃烧过程和缩短火焰长度，常采用各种措施来加速燃料和与空气的混合。

图1是沥青搅拌站燃油燃烧器的配风结构图，可见由鼓风机提供的燃烧空气经过稳焰盘和火焰筒后，分成一次旋流风与二次直流风。

图1 燃烧器配风结构

图2 燃烧器风、油配合分布

图2是燃烧器风、油配合分布图，燃烧用燃油由油泵加压供给喷枪嘴，燃烧用空气由鼓风机强制供给。一次旋流风为油雾燃烧提供根部风，在着火前就和油雾混合。由于一次旋流风强烈的旋流作用，会形成一个回流区，以保持火焰的稳定。旋流风扰动比较强烈，扩散角较大，携带着油雾和外围直流风相交，有利于风油的早期混合。二次直流风经过火焰筒时也会产生一个比较小的回流，与油雾相交混合。由于直流风的速度衰减比较慢，射程较长，阻力系数较小，有利于燃烧后期混合。

燃油喷嘴处在中心，中心根部的一次旋流风与油雾强烈混合，并被高温回流区的烟气加热，使油气着火燃烧，这个过程连续循环，就保证了稳定着火。燃烧火焰的结构如图3所示。

表1为中国国内外各厂家3000型沥青站燃烧器的配风参数。可见：中心旋流风占比最大为42.1%，最小为26.7%，平均为36.1%；外围直流风占比最大为73.3%，最小为57.9%，平均为63.9%。合理的配风比能使燃烧器内氧浓度合理分布，氧浓度的合理分布直接表现为燃烧火焰的稳定和合理分布。燃烧器的最佳配风比为一次风量占总风量的30%，二次风量占总风量的70%时，火焰结构和温度分布最为合理[9]。为了适应沥青搅拌站烘干滚筒的加热环境，合理的配风结构可以提高燃烧器燃烧效率，形成稳定的火焰形状，以满足烘干滚筒的加热要求。

图3 燃烧器火焰结构图

表1 国内外各厂家3000型沥青站燃烧器配风参数

2.2 配风控制精度分析

如何精准地控制鼓风机的配风量，为燃油燃烧提供适量的空气，也是燃烧器充分燃烧，提高燃烧效率的关键因素。燃烧器鼓风机一般采用调节风门和变频调速2种方式控制风量。与调节风门相比，变频调速具有效率高、调速范围大、调速精度高、噪音小、节能、结构简单可靠等优点，被广泛应用在风机的风量控制上[10]。

沥青搅拌站在生产时，由于除尘器引风机的抽风作用，使得烘干滚筒内呈负压。通过引风机开度大小控制滚筒负压、通过改变鼓风机频率控制风量的大小，并记录风机电流的大小，可研究不同负压状况下的风机频率和风机电流以及风量之间的关系。试验测量结果见图4、5。

图4 不同负载情况下风机频率与流量关系

图5 不同负载情况下风机频率与电流关系

由图4、5可知，在同等条件下，环境负压越大风量也相对越大；在同等负压环境下，风机的风量与风机的转速呈线性关系，风机转速越大风量也越大；在不同负压环境下，风机电机电流在同频率下基本上不变。

实际燃烧时，根据滚筒负压情况，通过测试所得的鼓风机频率风量曲线，为燃烧器燃烧提供精确的配风量,保证燃料的充分燃烧，提高燃烧效率。

3 燃烧器燃料系统试验研究

燃料系统主要有：加热缓冲罐、燃油泵、循环阀、主油阀、雾化阀、吹扫阀、喷枪、电磁阀、压力传感器，气压开关、减压阀、各种仪表及配管。燃油泵油量的调节方法有泵转速控制、流量调节阀开度控制等。

图6为1种燃料系统的工作原理图。

3.1 燃油雾化效果分析

为了使燃油高效、迅速的在烘干滚筒内着火燃烧，必须让燃油在喷出喷枪的瞬间产生良好的雾化。一般要求雾化油粒粒径要小于200 μm，以增加燃油的燃烧反应面积，保证燃油与空气的良好混合，避免因缺氧而使燃油碳氢化合物分解，生成碳黑，造成燃烧不完全[11]。

液态燃料的雾化方式按其工作原理可以分为机械雾化式、介质雾化式、超声波雾化式和静电雾化式。根据沥青搅拌站的使用环境和劣质重、渣油的特性，国内大型沥青搅拌站的燃烧器多采用压缩空气介质雾化的方式。压缩空气介质雾化喷嘴通常采用0.6 MPa的压缩空气作为雾化介质，利用高压气流的能量将高粘度的重渣油雾化。

图6 一种燃料系统工作原理

压缩空气介质雾化喷嘴按照结构形式分为外混式、内混式和Y型3种。图7为几种外混式喷嘴方案图。图7(a)为导管式高压气流雾化喷嘴；图7(b)为涡流式高压喷嘴；图7(c)为国外引进的外混式喷嘴，采用多孔式油喷头结构。液体和雾化气在喷口外部混合、雾化，仅是一级雾化。外混式喷嘴的喷油量不可能太大，一般小于500 kg·h-1，过大则雾化消耗量大，同时其雾化、混合、燃烧过程较长，易形成细长火焰，故不适用于沥青搅拌站燃烧器。

图7 几种外混式喷嘴方案图

图8为几种内混式喷嘴方案图，它们的共同特点是有一个较大的内混室，油在混合室内与雾化气混合后，从喷孔喷出并膨胀、雾化。良好的预混合雾化，有利于减少气耗，提高燃烧速度，缩短火焰长度。

图8 几种内混式喷嘴方案图

图9 为Y型喷嘴结构

图9为Y型喷嘴结构图，它是1种多单元内混式双重流体雾化器。其特点是出力大，最大燃油量可达10 000 kg·h-1；在宽广调节比(1∶20)范围内，雾化质量好；雾化气消耗低。在这种喷嘴中，燃油大部分沾在混合孔壁上，形成油膜，受雾化气的作用而加速从喷口喷出，形成环形油膜，然后破碎为雾滴。在混合孔中，油和气充分混合，可高效地将雾化气能量传递给燃油，因此气耗量很低。

3.2 3种结构燃油喷嘴试验分析

根据以上对压缩空气介质雾化喷嘴的特性分析，沥青搅拌站燃油燃烧器大多采用内混式和Y型喷嘴。为了进一步分析燃油喷嘴的雾化特性，设计试制出3种用于3000型沥青搅拌站的燃油喷枪，其结构如图10～12所示。

图10 内混式喷枪a

图11 内混式喷枪b

图12 Y型喷枪c

由于常温下(20 ℃)长城导热油L-QC320的运动粘度为43 mm·s-1，与重渣油加热后(80 ℃)燃烧时的运动粘度接近，且其物理性能稳定，故以导热油L-QC320作为试验用的雾化工质。以渣油齿轮泵ZYB2.1/2.0为雾化工质的供给装置，以空压机为压缩空气雾化介质的供给装置，以变频器控制渣油齿轮泵的转速，以流量计、压力传感器、LS2000分体式激光雾化液滴粒径分析仪为试验测量仪器，进行试验测试分析。试验测量结果如图13～16所示。

图13 3种喷枪的喷油量与油泵频率的关系曲线

图14 3种喷枪的喷油油压与油泵频率的关系曲线

图15 3种喷枪的耗气量与油泵频率的关系曲线

图16 3种喷枪的SMD与雾化气压的关系曲线

根据图13可以看出：在同等条件下，3种喷枪喷油量与油泵频率均呈线性关系，可以通过调节油泵转速来控制燃油量。不同喷枪的喷嘴结构对喷油量的影响不大。3种结构喷枪的最大喷油量都可达到2 500 kg·h-1以上，满足3000型沥青搅拌站要求的1 940 kg·h-1。

根据图14可以看出：喷枪喷油油压与油泵频率均呈线性关系，调节燃油压力也可以控制燃油流量，其中Y型喷枪c的线性关系较好，可控性能最佳，内混式喷枪较差。通过实际燃烧测试，Y型喷枪可在5%的最小负荷下稳定燃烧，调节比为1/20，调节范围更广；而内混式喷只能达到10%左右，其调节比为1/10。3种喷枪的调节比均能满足沥青搅拌站燃油燃烧器的使用。

根据图15可以看出：在同等条件下，Y型喷枪c的雾化气耗气量最小，其次为内混式喷枪a，内混式喷枪b耗气量最大；耗气量受油泵转速的影响较大。

根据图15可以看出：随着雾化气压的增大，雾化油粒的索太尔平均直径SMD逐渐减小；当雾化气压升至0.6 MPa以后，SMD减小的程度放缓。在同等条件下，内混式喷枪b的雾化效果更好，内混式喷枪a次之，Y型喷枪c最差。

Y型喷枪c并没有达到预期的雾化效果，对其仔细分析得出：Y型喷嘴的喷油孔、喷气孔和混合孔加工工艺复杂，加工精度不好控制，造成孔壁内的表面粗糙，甚至有刀痕存在，油膜与混合孔内壁的接触表面积增加，增大了油膜的粘附力，从而减弱了雾化效果。

内混式喷枪b雾化耗气量大，且喷枪及雾化头加工工艺复杂，加工成本较高。内混式喷枪a结构形式简单，加工工艺简单，雾化耗气量只比Y型喷枪c略高，雾化效果好。综合考虑，内混式喷枪a符合设计要求，能够适应沥青搅拌站燃油燃烧器的使用环境，是一种优选方案。

4 燃烧测试分析

根据上述研究分析，设计开发出一种新型的沥青搅拌站专用燃油燃烧器，作为实际燃烧测试分析的对象。在厂内热态试验台和现场沥青搅拌站工地对燃烧器进行燃烧测试，运用烟气分析仪对燃烧烟气的CO含量、O2含量进行测量。

图17 厂内热态试验台

图18 新型燃烧器实际工况应用图

图19 CO含量测试结果

图20 O2含量测试结果

图17为厂内热态试验台实景。图18为新型燃烧器实际工况应用图。图19和图20分别为CO含量和O2含量的测试结果，图中曲线a为厂内热态试验台测试，曲线b为山东东营3000型沥青站工地测试(整改前)，曲线c为山东东营3000型沥青站工地测试(整改后)，曲线d为湖北鄂州3000型沥青站工地测试(整改后)，曲线e为江西赣州3000型沥青站工地测试(整改后)。

厂内热态试验台测试曲线a的烟气数据表明：CO含量在80 ppm以下，O2含量在9%以下，燃烧器的燃烧效率与效果比较理想，均能满足设计要求。

根据曲线b和曲线c的烟气数据分析：在O2含量基本维持不变的情况下，CO含量有了大幅降低，均值由1 800 ppm降至700 ppm，说明整改后燃烧器的燃烧效率有了大幅提高。

根据曲线c、曲线d和曲线e的烟气数据分析：由于不同的工地使用环境，造成燃烧烟气的CO含量存在小幅的差异，但整体数值都低于1 000 ppm，能满足沥青搅拌站的实际使用要求；O2含量基本都维持在10%～15%之间，比曲线a的测试数据高出许多，说明燃烧是在漏风严重的环境中进行。沥青站的使用环境对燃烧器的燃烧效果也会有一定的影响。

5 结 语

在沥青搅拌站行业中，提高燃烧器的燃烧效率，降低烟气排放，不仅能减少油耗，节省资金和能源，降低工程造价，也能降低对环境的污染，实现节能减排。本文通过分析影响燃烧效率的因素，对燃烧器配风系统和燃料系统进行试验研究，提出了燃烧器高效燃烧的技术方案。通过厂内热态燃烧测试和实际工况燃烧测试，分析燃烧烟气数据，验证了技术方案的可行性。新型的燃烧器能够满足沥青搅拌站的实际使用要求，达到高效燃烧、低排放的生产和设计要求。

厂内热态燃烧和实际工况燃烧的烟气含量数据相差较大，说明实际工况中的石料、灰尘以及烘干滚筒的结构和漏风环境均会对燃烧器燃烧产生影响，可以将这些作为提高燃烧效率的进一步研究方向。