CN100406802C

CN100406802C - 一种多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器

Info

Publication number: CN100406802C
Application number: CN2006100456880A
Authority: CN
Inventors: 李本文; 刘慧�; 赵玉荣; 陈海耿; 赫冀成
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: CN1821657A

Abstract

一种多孔金属—陶瓷介质气体燃料燃烧器，由耐火材料套管、大孔区域陶瓷多孔介质、小孔区域金属多孔介质、燃烧器外壳、除尘金属网或金属刷、燃气管道、预混室、空气管道构成。燃烧器内，由上至下依次设置大孔区域陶瓷多孔介质、小孔区域金属多孔介质，大孔区域陶瓷多孔介质的材料是氧化钇基氧化锆，小孔区域金属多孔介质材料是不锈钢，表面紧密接触，从空气管道上部的燃烧器外壳外侧开始包裹耐火材料套管，在小孔区域金属多孔介质下设置除尘金属网或金属刷。本发明燃烧器可以燃烧热值变化范围在1000～4000kcal/m³甚至以上的气体燃料，如高炉煤气、焦炉煤气或高、焦混合煤气，天燃气。本发明燃烧器可广泛应用于冶金、化工等行业。

Description

一种多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，特别涉及一种多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器。

背景技术

目前，我国工业生产中气体燃料的燃烧主要是以自由火焰为特征的空间燃烧，这种燃烧方式，火焰面附近温度梯度陡而且分布不均，局部高温区的存在造成了大量的NO_x生成，燃烧不完全而热效率低，燃烧稳定性较差。现在，在燃烧器内加入多孔介质的技术现已逐步被人们重视。多孔介质中的预混燃烧有很多优点：较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等，而且燃烧产物中氮化物和硫化物等污染成份的含量非常少，因此，多孔介质中的预混燃烧在现实应用中有很大的潜力。

在高热值气体燃料的燃烧中，材料特性方面，多孔介质必须具有耐高温、抗氧化、易导热等特性，不锈钢、合金、玻璃、陶瓷等都曾作为研究对象被国内外学者们试用。结构方面，当孔径相对较大时，辐射作用穿透得较深远，温度升高较快；孔径相对较小时，多孔介质相对的光学厚度较大，可以屏蔽辐射并有良好的蓄热效果。为了有效利用孔径大小对燃烧的影响特性，人们大多采用非单一孔径、单一材料的多孔介质。但是目前的多孔介质燃烧器的使用仍存在以下缺陷：(1)在大多数研究中采用的多孔介质材料是陶瓷，尽管具有耐高温的特性，但是导热特性不如金属，燃气在陶瓷中流动时的阻力比在金属中流动时的阻力大，且陶瓷易碎；而不锈钢尽管导热特性良好，但是耐高温和抗氧化方面不如陶瓷。(2)多孔介质孔径很小，非常容易阻塞，所以目前大多数研究都只燃烧单一纯净的气体燃料，而实际生产中大多需要燃烧灰尘含量较高的煤气或混合煤气，这给多孔介质燃烧器的实际应用带来不便。

发明内容

针对现有高热值气体燃料多孔介质燃烧器的不足之处，本发明提供一种多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器。

燃烧器由耐火材料套管、大孔区域陶瓷多孔介质、小孔区域金属多孔介质、燃烧器外壳、除尘金属网或金属刷、燃气管道、预混室、空气管道构成。在由燃烧器外壳和耐火材料套管构成的空腔内，由上至下依次设置大孔区域陶瓷多孔介质、小孔区域金属多孔介质，大孔区域陶瓷多孔介质的材料是氧化钇基氧化锆，小孔区域金属多孔介质材料是不锈钢，小孔区域金属多孔介质的顶部与燃烧器外壳的顶部平齐，大孔区域陶瓷多孔介质下表面与小孔区域金属多孔介质上表面紧密接触，从空气管道上部的燃烧器外壳外侧开始包裹耐火材料套管，耐火材料套管延伸至大孔区域陶瓷多孔介质上部的一定距离，大孔区域陶瓷多孔介质及其以上的部分的燃烧器外壳用耐火材料套管代替，在燃烧器外壳构成的空腔内部，小孔区域金属多孔介质下、燃气管道上方设置除尘金属网或金属刷，燃烧器外壳内、除尘金属网或金属刷下方空间为预混室。燃烧器中，大孔区域属于燃烧区，使用的多孔介质材料是陶瓷，以适用于高热值气体燃料(燃烧温度能达到1900℃甚至以上)。这是因为陶瓷具有良好的耐高温特性，不易烧坏；小孔区域为预热区，可以有效储存燃烧区产生的热量，这里的温度一般不超过1400℃，使用的多孔介质材料是耐高温钢。另外，气体在耐高温钢孔内流动时的阻力很小，加上耐高温钢良好的导热性，所以是理想的多孔介质材料。为了保证大孔区域陶瓷多孔介质、小孔区域金属多孔介质之间良好的导热效果，通常设计时使二者紧密接触。

燃烧区陶瓷的材料可以用氧化钇基氧化锆或氮化硅(燃烧温度不超过1500℃时)，平均孔径为3～5mm，孔隙率为80～85％，孔的排列方式为直通或无序。预热区金属的材料可以用不锈钢，平均孔径为0.3～0.5mm，孔隙率为75％～83％，孔的排列方式为直通。耐火材料套管材料可以是高铝质耐火材料，燃烧器外壳材料采用耐高温合金钢，金属网或金属刷材料采用不锈钢。

本发明燃烧器的有关几何参数取值如下：

h₁＝60～80mm； h₂＝10～15mm； h₃＝50～60mm；

h₄＝50～60mm； h₅＝50～60mm； h₆＝50～60mm；

h₇＝30～40mm； a＝3～4mm； b＝20～30mm；

Φ₁＝180～250mm； Φ₂＝50～60mm； Φ₃＝80～120mm。

燃烧器气体流动和燃烧的轴向截面可以为附图所示的圆形，也可以为正方形或其它多边形。

应用本发明燃烧器有关工艺参数如下：

燃烧气体：焦炉煤气，天然气，液化气等高热值气体；

空气流量：1500～3000m³/h；

煤气流量：800～2000m³/h；

燃烧效果：未燃烃，氮化物和硫化物含量低于10ppm，一氧化碳低于20ppm。

应用本发明技术的燃烧器可以燃烧热值变化范围在1000～4000kcal/m³(4180～16720kJ/m³)甚至以上的气体燃料，如高炉煤气、焦炉煤气或高、焦混合煤气，天然气等气体燃料。本发明燃烧器可广泛应用于冶金、化工等行业。

附图说明

图1是本发明燃烧器的轴向剖面视图；

图2是图1的A-A向剖视图。

图1、2中：1耐火材料套管，2大孔区域陶瓷多孔介质，3小孔区域金属多孔介质，4燃烧器外壳，5除尘金属网或金属刷，6燃气管道，7预混室，8空气管道。

φ1-燃烧器内径，φ2-燃气管道内径，φ3-空气管道内径，a-燃烧器壁厚，b-耐火材料套管壁厚，h₁-除尘金属网或金属刷底部与燃烧器底部距离，h₂-除尘金属网或金属刷的高度，h₃-小孔区域金属多孔介质底部与除尘金属网或金属刷顶部距离，h₄-小孔区域金属多孔介质高度，h₅-大孔区域陶瓷多孔介质高度，h₆-耐火材料套管顶部与大孔区域陶瓷多孔介质顶部距离，h₇-燃气管道底部与燃烧器底部距离。

具体实施方式

如图1、图2所示，燃烧器主体由1耐火材料套管、2大孔区域陶瓷多孔介质、3小孔区域金属多孔介质、4燃烧器外壳、5除尘金属网或金属刷、6燃气管道、7预混室、8空气管道构成，在由燃烧器外壳4和耐火材料套管1构成的空腔内，由上至下依次设置大孔区域陶瓷多孔介质2、小孔区域金属多孔介质3，大孔区域陶瓷多孔介质2的材料可以是氧化钇基氧化锆或氮化硅(燃烧温度不超过1500℃时)，预热区内小孔金属材料可以是不锈钢。预热区内小孔介质3的顶部与燃烧器外壳4的顶部平齐，大孔区域陶瓷多孔介质2下表面与小孔区域金属多孔介质3上表面接触，最好设计成大孔中套若干小孔。从空气管道上部的燃烧器外壁4外侧开始包裹耐火材料套管1，耐火材料套管延伸至燃烧区2上部的一定距离，燃烧区2及其以上的部分的燃烧器外壁4用耐火材料套管1代替。在燃烧器外壳4构成的空腔内部，小孔区域金属多孔介质3下、燃气管道6上方设置除尘金属网或金属刷5，在燃烧器底部设置空气管道8，侧壁设置燃气管道6。

几何尺寸可以按下表取值：

组别取值(mm)参数	1	2	3	4	5
组别取值(mm)参数	1	2	3	4	5	h<sub>1</sub>	80	75	70	65	60
h<sub>2</sub>	10	11	12	14	15	h<sub>1</sub>	80	75	70	65	60
h<sub>2</sub>	10	11	12	14	15	h<sub>3</sub>	60	58	55	53	50
h<sub>4</sub>	60	58	56	54	50	h<sub>3</sub>	60	58	55	53	50
h<sub>4</sub>	60	58	56	54	50	h<sub>5</sub>	60	58	56	54	50
h<sub>6</sub>	60	58	56	54	50	h<sub>5</sub>	60	58	56	54	50

h<sub>7</sub>	35	30	40	32	36
h<sub>7</sub>	35	30	40	32	36	a	3.5	3	4	4	3
b	20	22	24	28	30	a	3.5	3	4	4	3
b	20	22	24	28	30	φ1	180	200	210	220	240
φ2	50	53	55	58	60	φ1	180	200	210	220	240
φ2	50	53	55	58	60	φ3	80	90	100	110	120
燃烧区陶瓷材料平均孔径mm	4(直通)	3(直通)	5(直通)	5(直通)	4(直通)	φ3	80	90	100	110	120
燃烧区陶瓷材料平均孔径mm	4(直通)	3(直通)	5(直通)	5(直通)	4(直通)	燃烧区陶瓷材料孔隙率％	82	85	83	80	85
预热区金属材料平均孔径mm	0.4(直通)	0.3(直通)	0.5(直通)	0.4(直通)	0.5(直通)	燃烧区陶瓷材料孔隙率％	82	85	83	80	85
预热区金属材料平均孔径mm	0.4(直通)	0.3(直通)	0.5(直通)	0.4(直通)	0.5(直通)	预热区金属材料孔隙率％	76	83	75	80	78

应用本发明装置，具体举例如下：

向燃烧器内通燃气、空气，空气和燃气分别从空气管道8和燃气管道6进入后，在预混室7内混合，经过除尘金属网或金属刷5除尘后进入预热区内小孔介质3，预热区内小孔介质3的温度较低，然后进入燃烧区内大孔介质2内燃烧。

有关工艺参数如下：

燃烧气体：焦炉煤气或天然气或液化气，燃烧温度在1700±50℃；

空气流量：2200m³/h；

燃气流量：1500m³/h；

燃烧效果：空气或气体燃料均可不用在进入燃烧器前预热，未燃烃，氮化物、硫化物含量低于10ppm，一氧化碳低于20ppm。

Claims

1.一种多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器，包括燃烧器外壳(4)、燃气管道(6)、空气管道(8)，其特征在于在由燃烧器外壳(4)和耐火材料套管(1)构成的空腔内，由上至下依次设置大孔区域陶瓷多孔介质(2)、小孔区域金属多孔介质(3)，大孔区域陶瓷多孔介质(2)的材料是氧化钇基氧化锆，小孔区域金属多孔介质(3)材料是不锈钢，小孔区域金属多孔介质(3)的顶部与燃烧器外壳(4)的顶部平齐，大孔区域陶瓷多孔介质(2)下表面与小孔区域金属多孔介质(3)上表面紧密接触，从空气管道(8)上部的燃烧器外壳(4)外侧开始包裹耐火材料套管(1)，耐火材料套管(1)延伸至大孔区域陶瓷多孔介质(2)上部的一定距离，大孔区域陶瓷多孔介质(2)及其以上的部分的燃烧器外壳(4)用耐火材料套管(1)代替，在燃烧器外壳(4)构成的空腔内部，小孔区域金属多孔介质(3)下、燃气管道(6)上方设置除尘金属网或金属刷(5)，燃烧器外壳(4)内、除尘金属网或金属刷(5)下方空间为预混室(7)。

2.按照权利要求1所述的多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器，其特征在于大孔区域陶瓷多孔介质(2)平均孔径为3～5mm，孔隙率为80～85％，孔的排列方式为直通或无序；小孔区域金属多孔介质(3)平均孔径为0.3～0.5mm，孔隙率为75％～83％，孔的排列方式为直通。

3.按照权利要求1所述的多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器，其特征在于耐火材料套管(1)材料是蜂窝陶瓷，燃烧器外壳(4)材料采用耐高温合金钢，金属网或金属刷(5)材料采用不锈钢。

4.按照权利要求1所述的多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器，其特征在于几何参数取值如下：

h₁＝100～120mm； h₂＝10～15mm； h₃＝30～40mm；

h₄＝50～60mm； h₅＝50～60mm； h₆＝30～40mm；

h₇＝30～40mm； a＝3～4mm； b＝15～20mm；

Φ₁＝100～150mm；Φ₂＝50～60mm； Φ₃＝80～120mm；

h₁-除尘金属网或金属刷底部与燃烧器底部距离，h₂-除尘金属网或金属刷的高度，h₃-小孔区域金属多孔介质底部与除尘金属网或金属刷顶部距离，h₄-小孔区域金属多孔介质高度，h₅-大孔区域陶瓷多孔介质高度，h₆-耐火材料套管顶部与大孔区域陶瓷多孔介质顶部距离，h₇-燃气管道底部与燃烧器底部距离，a-燃烧器壁厚，b-耐火材料套管壁厚，Φ₁-燃烧器内径，Φ₂-燃气管道内径，Φ₃-空气管道内径。

5.按照权利要求1所述的多孔金属-陶瓷介质气体燃料燃烧器，其特征在于该燃烧器用于燃烧高热值气体，包括焦炉煤气，天然气，液化气；空气流量1500～3000m³/h；煤气流量800～2000m³/h。