CN101375100B - 低污染排放的平焰炉顶燃烧器 - Google Patents

低污染排放的平焰炉顶燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种平焰炉顶燃烧器(10)，其适于安装在界定了钢质加热炉的燃烧室(20)的炉顶(21)中，所述燃烧器(10)包括金属的中空圆柱形的主体(12)、与所述主体(12)同心的用于输送燃料气体的单个管道(13)以及用于喷射燃料气体的中央内部喷嘴(14)。所述燃烧器还包括位于所述主体(12)外部的至少两个喷嘴(17)，所述至少两个喷嘴(17)用于将燃料喷入所述燃烧室(20)。

Description

低污染排放的平焰炉顶燃烧器
技术领域
本发明涉及低污染排放的平焰炉顶燃烧器。
背景技术
具体地，本发明的目的是提供一种辐射式燃烧器，其供以气体且具有氮氧化物的低污染排放。
上述类型的燃烧器的特征在于，其安装在加热炉或热处理炉的炉顶上，尤其是安装在需要通过辐射产生高温度均匀性的区域。
这些燃烧器也公知为“平焰燃烧器”或“辐射式炉顶燃烧器”，其以规则的形式安装在炉顶上。为了增加在高温下工作的燃烧室的效率，并且减少燃料的消耗，通常尽可能地增大助燃物的预热温度，随之而来的缺陷是具有高的NOx排放，NOx的产生公知与最大火焰温度相关。
在这一点上，欧洲专利No.0041645形成了公知技术的一部分，其专门涉及平焰燃烧器，但是其特征并不在于具有氮氧化物的低污染排放。
在最近几年进行了修改的与大气污染控制有关的条例设想了继续降低氮氧化物NOx的排放上限。
因此，必须通过对炉顶燃烧器的燃烧过程进行干预以减少氮氧化物的生成，以满足如下的市场需求，即：在存在预热到500摄氏度的空气的情况下，从当前的100ppm降至甚至20-30ppm。
稀释燃烧和无焰燃烧是通常用来在侧壁燃烧器和前端燃烧器(其能够安装在燃烧室的壁上并且具有轴向展开的反应物射流)中减少氮氧化物的技术。
因此，本申请人觉得有必要将这些技术应用于辐射式燃烧器-这一应用到目前为止由于不能够保持火焰的扁平而受到限制，并且还有必要回归到球焰而非纵焰。
发明内容
因此，本发明的总的目的是根据无焰燃烧原理提供一种具有低的氮氧化物排放的平焰燃烧器，其通过气体的分段输送而获得。
本发明的另一个目的是能够使炉子的工作温度稳定地高于燃料的自燃温度，对于天然气而言该自燃温度是大约850℃。事实上，公知为了能够在安全条件下运行无焰燃烧，工作温度必须持续且稳定地高于所述极限温度。
本发明的另一个目的是通过应用使燃烧反应分布于燃烧室的整个空间内的无焰燃烧，改善燃烧室内在垂直于炉顶的方向上的热均匀性。
本发明的另一个目的是提供一种辐射式气体燃烧器，其能够在广泛工作的范围内维持低的排放，并且其还能够容易地改变燃烧室内的热分布。
鉴于上述目的，根据本发明，构思了一种具有低污染排放的平焰炉顶燃烧器，其具有如所附权利要求所列举的特征。
根据下面参考附图的描述，本发明的结构及功能性特征及其相对于公知技术的优点将显现甚至是显而易见，附图示出了根据本发明的创新性原理而得到的具有低污染排放的平焰炉顶燃烧器。
附图说明
在附图中：
图1和图2是安装在炉顶中的、根据本发明的燃烧器的局部剖切的立体图；
图3和图4示出了根据本发明的燃烧器的两处细节的立体图；
图5是安装好的燃烧器的示意图。
具体实施方式
参考附图，作为本发明目的的具有低污染排放的辐射式气体燃烧器整体上以10表示；并且，在图示的实例中，根据本发明，该辐射式气体燃烧器安装在限定了钢质加热炉的燃烧室20的边界的炉顶21中。
燃烧器10包括：
-金属的中空圆柱形主体12；
-与主体12同心的、用于输送燃料气体的单个管道13；
-用于喷射燃料气体的内部中央喷嘴14；
-适于调节中央燃料气体流量的第一偏置装置15，作为非限制性实例，其表示为偏置阀；
-由一系列管16’构成的气体分配系统16；
-位于所述主体12外部的至少两个喷嘴17，其用于将由所述管16’馈送的燃料喷入燃烧室20；
-适于在上述至少两个外部喷嘴17处调节气体流量的第二偏置装置18，作为非限制性实例，其表示为第二偏置阀；
-适用于连接所述管16’的部分从而便于拆卸上述偏置阀18的接头19；
-由耐火材料制成的陶瓷块体22，其形成炉顶21，炉顶21中有炉口23。
所述炉口23包括基本圆柱形的后区域24以及相连的沉头孔状的前区域25，前区域25优选地由壁26限定边界，壁26的剖面具有例如延展90度的、圆形的或者椭圆形的扇面。
单个空气输送管道30与金属的主体12连接，该单个空气输送管道30优选地被预热。
燃烧器10还包括优选由金属材料制成的空气扩散器31，空气扩散器31包括锚固板32、管状本体33以及一系列叶片34，叶片34的数量范围为4到26，优选地为16，右旋或左旋取向且具有0到35度的倾斜角度。
在气体喷嘴14内部有气体旋流器35，该气体旋流器35为由叶片36构成的固定螺旋，叶片36优选是金属的，并且叶片的数量范围在3到10，优选为6，右旋或左旋取向，且具有范围在0度到60度范围内的倾斜角度，并且出口孔37通入所述气体喷嘴14的燃烧室20，燃料以范围在10m/s至15m/s的速度从所述出口孔37排出。
金属主体12通过法兰40和螺栓41、板42和双头螺栓18或以其他适当的方式连接至耐火块体21。
根据本发明的燃烧器10能够在有焰模式(即其能够使炉子具有正确的温度)或者无焰模式下用作引燃器且具有低氮氧化物排放。
所述燃烧器10还包括用于燃烧器10的点火装置的壳体45以及用于火焰探测器的壳体46。
所述壳体45和46分别与位于陶瓷块体21中的、标记以47和48的壳体连通。
所述壳体45和46分别提供用于将燃烧器10的点火装置和火焰探测器正确定位的机械支撑。
当必须在“引燃器”模式下使用燃烧器时，即，当炉子的燃烧室20的温度未到达燃料的自燃温度时，燃烧器借助离开中央喷嘴14的气体工作。
当炉子的燃烧室20达到燃料气体在空气中的自燃温度(对于天然气而言是大约850摄氏度)时，可以转至无焰模式：通过操作偏置阀15和/或18，燃料气体以范围在20m/s至200m/s的速度经由所述至少两个外侧气体喷嘴17喷出。
从管道30进入的预热空气经由所述主体12流向空气扩散器31，在此，根据空气自身的馈送压力以及预热温度，空气达到50m/s至150m/s范围内的速度。
根据本发明，事实上，一旦由燃烧器10供应的火力已经建立，则无需变动助燃空气的供应，只需通过简单地作用于燃料的分配系统(阀15和18)，这样通过简单地改变燃料流体在中央内部喷嘴14和所述至少两个外部喷嘴17之间的分布百分比，就可以连续地从一种模式转换到另一模式。
当燃烧器正在工作时，助燃空气(优选地已经预热)经由空气扩散器31引入燃烧室20中。
下面描述有焰和无焰这两种模式的工作情况。
在有焰模式中(适用于任意的燃烧室温度)：通过适当地操作分配阀15和/或18，燃料仅经由中央气体喷嘴14引导。
在炉口23中于空气和燃料之间产生良好的混合区域，这使得能够形成被清楚限定且稳定的火焰前缘；
在无焰模式中(适用于高于燃料自燃温度的燃烧室温度)：通过适当地操作分配阀15和/或18，燃料转向仅经过外部气体喷嘴17。
气体射流穿透贴附在炉口23的弯曲表面上的空气层，并且在具有均质氛围的区域中产生燃烧反应，燃料气体、预热空气和燃烧过的气体之间在该具有均质氛围的区域中具有最优的混合；燃烧反应以稀释的形式发生，并且不形成火焰前缘。
在气体与助燃物且与燃烧产物混合的区域中，在反应之前，氧含量减小，低于大气水平。氧浓度的这种限制允许在更大的容积内进行这种反应。这将在更加稀释的反应物之间产生反应，因此其进行得更为缓慢。这限制了高温的形成，而高温将促进氮氧化物(热NOx)的形成。
在无焰模式中，气体能够以如下方式喷射：
-平行于燃烧器轴线，或者
-使燃料气体射流相对于燃烧器的轴线具有切向运动分量(从0度到15度)和径向运动分量(从0度到15度)，从而使得燃料气体射流远离燃烧器轴线，或者
-使燃料气体射流相对于燃烧器的轴线具有切向运动分量(从0度到15度)和径向运动分量(从0度到15度)，从而使得燃料气体射流朝向燃烧器轴线。
通过阀15和18而实现的气体在中央喷嘴14和所述至少两个外部喷嘴17之间的分布百分比变化允许从有焰工作模式到无焰工作模式的连续转换。
还可以使点火装置的壳体45与燃烧器轴线同轴，或者相对于燃烧器的轴线具有0度到30度的会聚斜度。
类似地，火焰探测器的壳体46可以与燃烧器的轴线同轴，或者相对于燃烧器的轴线具有0度到30度的会聚斜度。
优选地有两个外部喷嘴17，其相对于燃烧器轴线对称设置，如图所示；但是也可以有四个外部喷嘴。根据优选实施方式，这些喷嘴竖直设置。
可以在法兰之间设置校准孔口来代替偏置阀15。
还可以有利地预见到在金属主体12内设置耐火绝热材料。
当没有特别的组装/拆卸要求时，可以不必设置接头19。安装在炉顶上的、根据本发明的燃烧器的尺寸特征定义如下：
p：所述至少两个外部喷嘴17中的任一个的终端表面与燃烧室的炉顶的距离；当外部喷嘴17被认为是穿透燃烧室时为正距离；当外部喷嘴17被认为是位于耐火块体10的内部时为负距离；
h：由燃烧室的内侧的空气扩散器31的外周所界定的表面与燃烧室自身的炉顶21的距离；
l：所述至少两个外部喷嘴17中的任意一个的终端表面的中心与燃烧器的轴线的距离；
d1：耐火块体22的用于金属空气扩散器31的安置孔(与由燃烧室20的内侧的空气扩散器31的外周所界定的表面相对应)的直径；
H：耐火块体22的厚度；
D：耐火块体22的弯曲表面的最大终端外周的直径；
DB：耐火块体22的外径。
基于上述定义，本发明可以建立如下的参数间的关系(这里符号＜＝是指小于或等于)：
-0.1＜＝(p/H)＜＝0.1，优选地(p/H)＝-0.06；
0＜＝(h/H)＜＝0.75，优选地(h/H)＝0.5；
0.1＜＝D1/D＜＝0.4，优选地0.17＜＝D1/D＜＝0.22；
0＜＝(DB-D)＜＝0.5，优选地(DB-D)＝0.1。
从上面结合附图所作的描述可以看到根据本发明的气体燃烧器具体是如何地有用和有优势。因此，实现了说明书前面所提及的目的。
本发明的气体燃烧器的形式及材料显然可以不同于纯粹是出于示意性目的和非限制性目的而示于附图中的那些。
因此，本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。

Claims (18)

1.一种平焰炉顶燃烧器(10)，其适于安装在界定了钢质加热炉的燃烧室(20)的炉顶(21)中，所述燃烧器(10)包括金属的中空圆柱形的主体(12)、与所述主体(12)同心的用于输送燃料气体的单个管道(13)、用于喷射燃料气体的中央内部喷嘴(14)；其特征在于，所述平焰炉顶燃烧器包括位于所述主体(12)外部的至少两个外部喷嘴(17)，所述至少两个外部喷嘴(17)用于将燃料喷入所述燃烧室(20)，所述燃烧器(10)还装备有：
-第一偏置装置(15)，其呈偏置阀或者孔口的形式，适于调节中央燃料气体流速；
-气体分配系统(16)，其由一系列管(16’)构成，用于向所述至少两个外部喷嘴(17)进料；
-第二偏置装置(18)，其为第二偏置阀的形式，适于调节所述至少两个外部喷嘴(17)的气体流速。
2.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述外部喷嘴(17)相对于所述燃烧器(10)的轴线对称设置。
3.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，布置有四个所述的外部喷嘴(17)。
4.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述外部喷嘴(17)竖直地设置。
5.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述外部喷嘴(17)设置成允许与所述燃烧器(10)的轴线相平行地喷射气体。
6.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述外部喷嘴(17)设置成允许以相对于所述燃烧器的轴线具有从0度到15度的切向运动分量和从0度到15度的径向运动分量从而远离所述燃烧器(10)的轴线的形式喷射气体。
7.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所 述外部喷嘴(17)设置成允许以相对于所述燃烧器的轴线具有从0度到15度的切向运动分量和从0度到15度的径向运动分量从而朝向所述燃烧器(10)的轴线的形式喷射气体。
8.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，借助所述第一和第二偏置装置(15、18)，能够调节所述中央内部喷嘴(14)和所述至少两个外部喷嘴(17)之间由所述第一和第二偏置装置(15、18)分配的气体百分比，从而允许从有焰工作模式到无焰工作模式的连续转变。
9.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器安装在由耐火材料制成的陶瓷块体(22)中，所述陶瓷块体(22)形成炉顶(21)，所述炉顶(21)中有炉口(23)，所述炉口(23)包括基本圆柱形的后区域(24)以及相连的沉头孔状的前区域(25)。
10.如权利要求9所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述相连的沉头孔状的前区域(25)由壁(26)限定边界，所述壁(26)的剖面具有延展90度的、圆形的或者椭圆形的扇面。
11.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括空气扩散器(31)，所述空气扩散器(31)包括锚固板(32)、管状本体(33)以及一系列第一叶片(34)，所述第一叶片(34)的数量范围为4到26，右旋或左旋取向且具有0到35度的倾斜角度。
12.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，在所述中央内部喷嘴(14)的内部有气体旋流器(35)，所述气体旋流器(35)为由第二叶片(36)构成的固定螺旋，所述第二叶片(36)的数量范围在3到10，右旋或左旋取向，且具有范围在0度到60度的倾斜角度，并且所述气体旋流器(35)的出口孔(37)通入到所述燃烧室(20)。
13.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，所述燃烧器(10)还包括用于燃烧器(10)的点火装置的第一壳体(45)以及用于火焰探测器的第二壳体(46)，所述第一和第二壳体(45、46)分别与位于炉顶(21)中的相应第三和第四壳体(47、48)连通，所 述第一和第二壳体(45、46)分别提供用于将所述燃烧器(10)的所述点火装置和所述火焰探测器正确定位的机械支撑。
14.如权利要求13所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，用于所述点火装置的第一壳体(45)与所述燃烧器的轴线同轴，或者相对于所述燃烧器的轴线具有0度到30度的会聚斜度；并且，用于所述火焰探测器的第二壳体(46)与所述燃烧器的轴线同轴，或者具有0度到30度的会聚斜度。
15.如权利要求1所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于：
参数(p)为所述至少两个外部喷嘴(17)中的任一个的终端表面与燃烧室的炉顶的距离；当外部喷嘴(17)被认为是穿透燃烧室时所述距离被认为是正距离；当外部喷嘴(17)被认为是位于炉顶(21)的内部时所述距离被认为是负距离；
参数(h)为由燃烧室的内侧的金属空气扩散器(31)的外周所界定的表面与燃烧室的炉顶(21)的距离；
参数(l)为所述至少两个外部喷嘴(17)中的任意一个的终端表面的中心与燃烧器的轴线的距离；
参数(d1)为炉顶(21)的用于金属空气扩散器(31)的安置孔的直径，所述安置孔与由燃烧室(20)的内侧的金属空气扩散器(31)的外周所界定的表面相对应；
参数(H)为炉顶(21)的厚度；
参数(D)为炉顶(21)的弯曲表面的最大终端外周的直径；
参数(DB)为炉顶(21)的外径；
存在如下的参数间的关系：-0.1＜＝(p/H)＜＝0.1。
16.如权利要求15所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，0＜＝(h/H)＜＝0.75。
17.如权利要求15所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，0.1＜＝d1/D＜＝0.4。
18.如权利要求15所述的平焰炉顶燃烧器(10)，其特征在于，0＜＝(DB-D)＜＝0.5。 
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