天然气热风炉主要有两种：（1）利用烟道气供热，被称为直接式热风炉；（2）利用换热装置将烟气热量传给洁净空气供热，被称为间接式热风炉。直接式热风炉中空气的流程很简单，首先由助燃风机将空气送入天然气燃烧室内，然后在空气中氧气的作用下，天然气燃烧放出热量形成烟道气热风，最后由送风机送入热定形机中。直接式热风炉可提供温度低于500℃的烟气式热风，热风温度可以根据印染定形的工艺进行设定，升温速度快、温控精度高，可以满足热定形机的供热需要，而且烟道气式热风在热烘箱内也可以达到所需的印染定形工艺温度［1］。 直接式热风炉供热定形机时，对漂白产品质量有影响。为了保证漂白产品的质量，需要采用间接式
热风炉给热定形机提供所要求的印染定形温度，而且热定形机烘箱所需要的是清洁式高温热风。间接式热风炉的自动控制系统通过调节天然气燃烧耗气量控制输出热风的温度，能够满足印染定形生产工艺的温度要求。间接式热风炉主要有套筒式热风炉、螺旋板式热风炉、管板式热风炉等［2］。由于洁净空气和烟气的流程是分开的，所以洁净空气在间接式热风炉中的变化是温度升高、含湿量不变，属于等湿升温过程。但不管是直接式热风炉，还是间接式热风炉，在烟道气热风出口处或洁净空气热风出口处，一般都设置有冷空气进口，冷空气和热风的混合过程就是不同状态空气的混合过程，可调节热风的供热温度，以满足热定形机的生产工艺需要。
汪
琦，张慧芬，俞红啸，汪育佑
（上海热油炉设计开发中心，上海
200042）
超滤器
摘要分析了天然气的燃烧过程，并介绍了天然气燃烧器的结构类型与设计计算。讨论了全自动天然气燃烧器的结构组件和燃气阀门组件，研究了天然气直接式热风炉与间接式热风炉的结构，并比较了套筒式、螺旋板式及管板式间接热风炉的结构特点。探讨了天然气直接式热风炉和间接式热风炉与燃烧器在纺织印染热定形机中的开发应用。
关键词热定形机；天然气；燃烧器；直接式热风炉；间接式热风炉
中图分类号：TS193.3文献标志码:A 文章编号:1005-9350（2021）01-0053-05
Application of natural gas hot blast stove and burner in heat setting machine
Abstract The combustion process of natural gas was analyzed,and the structural type and design cal
culation of nat-ural gas burner was introduced.The structural components and gas valve components of full-automatic natural gas burner was discussed,the structural type of direct and indirect natural gas hot blast stove was studied,and the structural character-istics of sleeve type,spiral plate type and tube plate type indirect hot blast stove were compared.The development and ap-plication of natural gas direct hot blast stove and indirect hot blast stove and burner in textile printing and dyeing heat set-ting machine was discussed.
Key words heat setting machine;natural gas;burner;direct hot blast stove;indirect hot blast stove
天然气热风炉与燃烧器在热定形机中的应用
收稿日期：2020-04-28
作者简介：汪琦（1961—），男，高级工程师，硕士，主要从事热载体加热技术、新能源技术、热油炉、热风炉、熔盐炉、道生炉、生物质气化炉的研究设计开发工作，138****************。
WANG Qi,ZHANG Huifen,YU Hongxiao,WANG Yuyou
(Shanghai Thermal Oil Furnace Design and Development Center,Shanghai 200042,China)
染整技术
Textile Dyeing and Finishing Journal小麦草榨汁机
Vol.43No.1Jan.2021
第43卷第1期2021年1月
染整技术43卷
1天然气的燃烧过程
天然气的燃烧一般分为3个基本过程：（1）天然气和空气的混合；（2）混合气体的升温和着火；（3）混合气体的燃烧。前两个过程本质上是天然气和氧化剂之间发生物理接触的过程。因此，天然气燃烧所需要的全部时间t由两部分组成，即物理接触所需要的时间t ph和发生化学反应所需要的时间t ch。
如果t ph远小于t ch，则t约等于t ch，此时天然气燃烧过程在动力区进行，也就是完全预混燃烧方式。如果t ph远大于t ch，则t约等于t ph，此时天然气燃烧过程在扩散区进行，也就是扩散燃烧方式，此时化学反应可以在瞬间完成，燃烧时间完全取决于混合时间。扩散区和动力区是天然气燃烧过程的两个极限，两者之间的燃烧过程被称为中间区或者动力-扩散区，此种情况下t ph约等于t ch，此时的燃烧速度与流体动力学和化学动力学因素都有关系。部分预混式燃烧兼有两者的特点。
2天然气燃烧器的类型
天然气燃烧器的类型很多，根据其性能和特点有不同的分类方法。
2.1按燃烧方式分类
按燃烧方式，天然气燃烧器可分为：扩散式［3］、大气式、完全预混式。
2.1.1扩散式天然气燃烧器
扩散式天然气燃烧器可分为：中心进气式、周向进气旋流式、平行多式。燃烧所需要的空气不预先与天然气混合，一次空气过剩系数α1为0。
中心进气式天然气燃烧器的喷嘴是天然气进气管上布置的多排小孔或球面上布置的多孔，空气采用旋流进入。天然气与空气分别送入燃烧区，边混合边燃烧，燃烧速度较慢，火焰较长，容易出现炭黑，必须进行合理配风，一般不会有回火问题。
周向进气旋流式天然气燃烧器的天然气经过夹层多孔壁供入燃烧区，空气则为蜗壳式旋流进入。
平行多式天然气燃烧器的天然气经过头部带孔的多个管子供入燃烧区，空气可经过流道中的旋流片形成旋流进入，中心布置有旋流稳焰盘。另外，天然气和空气的进口是可以互换的。
2.1.2大气式天然气燃烧器
大气式天然气燃烧器也被称为引射预混式天然气燃烧器，燃烧方式属于部分预混式。在燃烧之前有部分空气和天然气混合，一次空气过剩系数α1为0.45~ 0.75，另一部分空气从周围大气吸入，空气过剩系数α1为1.30~1.80。天然气和空气的比例可调，故火焰长度可变。但是当α1不合适时，会出现回火与脱火的现象。喷嘴头部按照其形状可以分为棒形、环形、星形及管排。
2.1.3完全预混式天然气燃烧器
完全预混式天然气燃烧器的天然气和空气在燃烧之前已经均匀混合，可以是天然气和空气先混合而后送入喷嘴，也可以是天然气或者空气以高压高速喷射吸入，也可以带预旋流。完全预混式天然气燃烧器的优点是燃烧速度快、火焰短、容积热负荷大，并且火焰黑度小、蓝透明，也可以是无焰燃烧。完全预混式天然气燃烧器的缺点是容易出现回火现象，所以必须采用安全措施。
2.2按空气的供给方法分类
按空气的供给方法，天然气燃烧器可分为：引射式、自然供风式、鼓风式。
2.2.1引射式天然气燃烧器
引射式天然气燃烧器的空气被天然气的射流吸入，或是天然气被空气的射流吸入。引射预混式天然气燃烧器的一次风采用引射器吸入，完全预混式天然气燃烧器也有采用引射式。
2.2.2自然供风式天然气燃烧器
自然供风式天然气燃烧器是靠炉膛中的负压将空气吸入后进行燃烧，扩散式燃烧器中就有采用自然引风式的，靠自然抽力或扩散供给空气。自然供风式天然气燃烧器的结构一般可在单根管或排管或环形管上钻开大量孔，其火焰可以是平行多股火焰，也可以是火焰互相对撞，以加强气流扰动，从而提高燃烧的稳定性和强化燃烧。
2.2.3鼓风式天然气燃烧器
鼓风式天然气燃烧器是用鼓风设备将空气送入燃烧器内，在炉膛中进行燃烧。
2.3按天然气的压力分类
按天然气的压力，天然气燃烧器可分为：低压式、高中压式。
2.3.1低压式天然气燃烧器
低压式天然气燃烧器是天然气压力在5×103Pa 以下的燃烧器。
2.3.2高中压式天然气燃烧器
高中压式天然气燃烧器是天然气压力为5×103~ 3×105Pa的燃烧器。
54
1期
3
天然气燃烧器的结构设计
3.1
扩散式天然气燃烧器的结构设计
扩散式天然气燃烧器的燃烧方式中，天然气与
空气的混合过程至关重要，不仅可以缩短燃烧时间，而且对稳定和完全燃烧的影响大［4］。燃烧器的结构要求天然气喷嘴和供给空气装置必须保证快速、均匀地将天然气与空气混合。一般采用以下3种设计方式：（1）将天然气经过多管或多孔分成多股射流与旋流空气混合；（2）使天然气与经过孔
或者环隙的空气射流，以不同角度、速度使两气体相遇混合；（3）利用旋流装置强化天然气与空气的混合。
不同结构燃烧器采用的天然气与空气喷射装置均是基于以上混合结构形式，并最终取决于天然气热风炉的结构类型、用途要求、天然气与助燃空气的供给条件等因素。
在设计天然气燃烧器的结构时，扩散式天然气燃烧器的烧嘴火孔总面积A 的计算如下式：
式中，q vf 为天然气耗量，m 3/h ；ρ为天然气密度，kg/m 3；p g 为天然气压力，mmH 2O ；μ为流量系数（0.6~0.7）。通过火孔A 可以计算出火孔直径d 以及火孔总数N 。火
孔直径太大不易燃烧完全，过小则易堵塞。而火孔间距S 的确定以保证火焰正常传播而又不相互合并为原则，其计算式如下：
火孔深度h 的计算公式如下：
在一定的火孔直径范围（1~4mm ）内，火孔的热强度超出一定范围则会使燃烧状况恶化，如离焰、冒烟、热强度不够等，对于扩散式天然气燃烧器的烧嘴火孔热强度q h 设计值可参考表1。
3.2全自动天然气燃烧器
大花石上莲全自动天然气燃烧器是由燃烧器本体和燃气阀
门组两大部分组成，燃烧器本体主要包括：风机-电机组、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、天
然气喷嘴、稳定火焰器等；燃气阀门组主要包括：手动阀、安全阀、调节阀、天然气过滤器、连接管道等。燃烧器本体上的风门电动调节与燃气阀门组中调节器组成了燃烧器的天然气、空气比例调节系统，由程序控制器和状态控制器发出指令，实施各种工况调控和安全联锁保护［5］。另外，燃烧器的天然气、空气比例调节也可以采用机械连杆式比例调节器。全自动天然气燃烧器在结构性能、制造工艺、产品系列化等方面有如下优点：（1）可使用各种燃料气，包括天然气、液化石油气、城市煤气等；（2）燃烧器具有多种调节方式，小功率燃烧器采用一级和二级调节方式，中、大功率燃烧器采用机械或电子式比例调节方式，以保证天然气、空气的合理配比和高效率燃烧；（3）采用的天然气供给和调控系统元件精密、安全可靠；（4）燃烧产物中的污染物排放均符合国际标准，其中低污染型的天然气燃烧器氮氧化物NO x 排放量小于150mg/Nm 3。
4天然气直接式热风炉的设计开发
天然气直接式热风炉是由供给天然气阀门管路
组件、天然气燃烧器、燃烧室炉膛、二次配风以及电气控制系统等部分组成。燃烧器的作用是将天然气燃烧、放出反应热量，因此天然气燃烧器是直接式热风炉的核心部件，天然气燃烧器配置为比例调节模式，可根据设定的温度参数自动调节天然气的燃耗量。天然气通过供气阀门管路组件在燃烧器喷嘴处与空气充分混合燃烧，并将洁净的高温火焰直接喷入燃烧室炉膛内，使天然气在炉膛内充分燃烧，产生的高温烟气可作为供给热风，并且高温烟气通过二次配风装置进一步与外界空气接触混合，调到生产工艺所需要的热风温度后，直接进入热定形机的烘箱。
天然气直接式热风炉由燃烧室炉膛和混合室配风装置两部分组成。燃烧室炉膛是由优质耐热钢卷制焊接而成，炉体内框架采用焊接结构，框架材料选取角钢或槽钢，炉膛筒体的材料选取耐热变形性能较好的不锈钢或耐热钢，炉膛内层内衬选取高温耐火材料和耐火砖，中层内安装硅酸铝纤维毡的隔热层，外层设计配置保温隔热材料的保温层［6］，从而保证炉体外表面温度低于60℃。混合室配风装置的设计关键是助燃风罩的设计，助燃风罩的结构有3种形式：分段锥管形式、分段圆孔形式、分段长孔形式。3种结构的共同之处是从火根段到火梢段的进风孔尺寸逐渐增大，目的是稳定燃烧火焰，使助燃风形成多
S =（8~13）×d
h =（1.5~2.0）×d
A =q vf ×10
6μ×
2gp
视力保护器
g
ρ
火孔直径/mm
12
火孔热强度
/(kW·mm -2)0.4650.349
火孔直径/mm
34
火孔热强度/(kW·mm -2)0.2230.116
表1
扩散式天然气燃烧器的烧嘴火孔热强度设计参考值
汪琦，等：天然气热风炉与燃烧器在热定形机中的应用55
染整技术43卷
股细流与天然气以不同夹角相遇，增大燃烧面积，减少回火现象。
天然气直接式热风炉的自动控制系统可以实现烟道气热风输出温度的人工设定、自动调节以及输出风量的变频无极调节，可根据风量的变化自动调节输出热量，并且在烟道气热风出口处安装测温控制仪，及时掌握热风输出温度，随时进行温度调节控制。天然气直接式热风炉设计采用了多项强化传热技术，以保证炉子的体积小、热效率高、辅助设备少、投资费用低、操作环境好。烟道气热风温度可根据热定形机的工艺需要在120~500℃内任意设定，运行稳定、安全可靠，并且可以保持烟道气热风的输出温度稳定不变。
5天然气间接式热风炉的设计开发
天然气间接式热风炉是由供给天然气阀门管路组件、天然气燃烧器、助燃风机、燃烧室炉膛、换热装置、烟道与烟囱、电气控制系统等部分组成［7］。天然气燃烧器在其运行范围内的每点都能得到最好的燃烧配比，燃烧头上的滑动连接法兰可将燃烧器精确地连接在燃烧室炉膛的设计安装位置上。天然气通过供气阀门管路组件送至燃烧器喷嘴处进行充分燃烧，燃烧所需的空气经过助燃风机进入炉膛，高温烟气和洁净冷空气在换热装置内换热后生成洁净热风，经管道输送给热定形机。根据天然气间接式热风炉的换热装置结构形式可分为套筒式间接热风炉、螺旋板式间接热风炉、管板式间接热风炉3种。
5.1套筒式间接热风炉
套筒式间接热风炉是指由在同一轴心的多个具有不同直径金属筒体组成换热装置的热风炉，烟道气与空气分别在具有不同直径的同心金属筒壁间流动，从而实现了烟道气与空气的热交换。同时，为了加强空气侧的换热效果，设计中会在套筒式热风炉的换热器换热面空气侧加设肋片。套筒式热风炉的结构紧凑、尺寸相对较小、换热效果较好，但集尘清除比较困难，不利于维修和维护。
5.2螺旋板式间接热风炉
螺旋板式间接热风炉是指烟道气与空气的通道分别由导向螺旋状金属壁板组成的热风炉，导向螺旋状金属壁板作为热交换面，实现了烟道气与空气的隔离，并完成了烟道气与空气之间的热交换。为了提
高换热系数、扩大换热面积、加强空气侧的换热效果，经常会在螺旋板式热风炉的换热器换热面空气侧加装肋片。
5.3管板式间接热风炉
管板式间接热风炉主要由燃烧室炉膛、管板式换热器、空气连通道、烟气通道、旁通烟道、热风出口、冷风入口、离心风机及引风机等组成。管板式间接换热器是由多根换热管按一定次序排列组成，烟道气与空气分别在管外和管内流动，以实现烟道气与空气的热交换。所以，管板式热风炉是将烟道气的热量通过换热器管壁传递给温度相对较低的洁净空气，从而实现对空气的加热。另外，为了加强空气侧的换热效果，热风炉会采用翅片管换热器［8］。
在生产运行过程中，管板式间接热风炉的天然气通过燃烧器喷嘴喷入炉膛内，在助燃冷风装置的配合下充分燃烧，产生的高温烟气进入管板式换热器内进行热交换，换热后的烟气经过烟囱排出，一部分烟气还可以进行余热回收利用［9］。空气由冷风入口进入到管板式换热器内，在空气连通道和折流板的作用下，经过两次折流与烟气进行热交换后，干净热风经输送管道供给热定形机。管板式热风炉具有结构简单、造价较低、适应性强、安装维修方便等优点。
5.4自动控制系统
自动控制系统主要包括：天然气燃烧器的控制系统、助燃鼓风机的控制系统、间接式热风炉出口温度的控制、烟气引风机的控制系统。自动控制系统集就地仪表、强电控制于一体。燃气阀组、燃烧器控制器、电气控制系统能对整个热风供热系统的温度进行检测与显示，并使热负荷进行全自动比例调节，以满足热定形机的生产工艺需要［10］。天然气间接式热风炉出口热风温度的控制采用数显温控仪，并配以热电偶测温传感器，控制天然气燃烧器大小负荷的转换，出口热风温度超标后，热风炉会自动控制天然气燃烧器停火与关机。
6天然气热风炉与燃烧器在印染热定形机中的应用
天然气燃烧器喷嘴设计成中心主火孔和与之呈一定角度的环形火孔组成的多孔喷嘴形式，喷嘴多孔形式的设计目的是使天然气迅速扩散，且使不同方向的热气流形成速度差，从而加强天然气的对流混合。在天然气燃烧器喷嘴的设计开发中，天然气喷嘴口径设计得稍微大一些，则热负荷更大，烟道气热风温度更高；另外，如果采用较高风压的风机，则配风效果会更好，燃烧更加迅速。在混合室配风装置的
56
1期
设计开发中，天然气在分段圆孔式风罩、分段长孔式风罩中的燃烧效果一样，且火焰稳定；而在分段锥管式风罩中的燃烧速度稍慢，但混合效果较好。
在间接式热风炉的设计开发中，在烟道气侧不能为追求大的肋化系数而将肋片做得过密过高，这会使肋片根部容易沉积灰垢，从而影响传热效果［11］。此外还要注意保证换热管（或换热筒体）内外两侧的换热系数均衡。如果在设计开发中不考虑换热管（或换热筒体）另一侧对流换热系数的大小，而过于追求加大肋化侧的肋化系数，则会使该侧的换热系数远远大于换热管（或换热筒体）另一侧的对流换热系数，达不到提高总换热系数的目的。
热定形在定形机的烘箱内完成，湿织物以一定的速度连续通过烘箱，天然气热风炉提供的热风经过风量分配机构的调整，以一定流量分别进入上、下风道中。由于在上、下风道与印染织物接近的表面上均匀分布热风喷嘴，当送风机送入的热风在上、下风道内经过热风喷嘴后，会以一定的风速双向作用于湿织物的整个幅面，从而实现印染织物的熨烫。熨烫后的湿热废气会经过抽气机进入废气换热器中，通过与常温空气交换热量之后再排出。天然气热风炉的燃烧方法简单，点火、停火操作方便，并可实现冷态点火，天然气的燃烧容易调节与控制，燃烧热强度较大、容积热负荷较高；其中，全自动天然气燃烧器的燃烧控制系统在调节天然气流量的同时可按比例调节空气量，使天然气燃烧达到最佳状态，提高燃烧效率，确保热风炉的高效运行。天然气热风炉的燃烧过程没有灰渣产生，且有害气体排放量较少，大气污染物排放量相对煤燃料更容易达到环保要求，有利于保护环境［12］。
7结束语
天然气直接式热风炉可提供温度低于500℃的烟气式热风，热风温度可以根据印染定形的生产工艺进行设定，升温速度快、温控精度高，可以满足热定形机的供热需要，烟气式热风在烘箱内可达到所需的印染定形工艺温度。采用天然气直接式热风炉供热定形机的能耗比较低，因为烟气式热风炉加热定形机时，热能没有经过多次热交换过程，热损失少。
天然气间接式热风炉可提供温度低于350℃的清洁干净热空气，清洁热空气温度可加热到定形机所要求的印染定形温度，而干净热空气不会污染纺织印染定形的化纤织物。另外，天然气间接式热风炉
的供热调节范围大，运行成本适中，操作方便，自动控制水平高，控温精度较高。
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