CN101430090A - 旋流弥散燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种通过高温空气旋转流动来强化烟气再循环和推迟燃空气分子聚合的旋流弥散燃烧器，本发明在垂直于烧嘴砖轴线远离炉膛的烧嘴砖平面上，沿着以该平面中心为圆心的圆周均匀交错设置空气喷出圆孔和燃气注入圆孔。燃气通道轴线平行于烧嘴砖轴线且沿轴线方向燃气流通面积不变化。空气通道沿逆时针方向向前一个空气通道倾斜，空气通道轴线和通过前一个靠近炉膛空气喷出孔的烧嘴砖轴线平行线延长相交，交点在沿烧嘴砖轴线方向炉膛长度1/3空间范围以内。沿空气通道轴线方向空气流通面积逐渐缩小。发明结构简单，寿命长，NOx排放＜30ppm，CO排放＜140ppm，热效率高出传统燃烧5－10％，适用于低热值燃气炉窑或锅炉装置。

Description

旋流弥散燃烧器
技术领域 本发明涉及一种以燃气自燃作为稳燃条件，用高温空气旋转流动方法强化炉内烟气再循环和推迟炉内燃空气分子聚合，使燃烧火焰充满整个炉膛的非预混型旋流弥散燃烧器，具有低NOx和CO排放、高燃烧效率和高效节能等优势，适用于燃用低热值、低能量品位和低能量密度的燃气或废气燃烧装置使用。
背景技术 燃烧器是锅炉和高温炉窑里组织气流流动、传热和燃烧的关键部件。燃烧器决定燃气、空气、燃气-空气混合气流进入炉膛的速度方向，决定炉膛内燃气分子和空气分子混合效果及火焰特征(如形状和大小)。
火焰集中型传统燃烧器通常将燃气和空气通入位置集中设置，燃气和空气在流出燃烧器后的一个很近位置上相交，以便使两者尽早接触以实现常氧(含氧21％)燃烧。此时，燃气分子浓度和氧气分子浓度高引起燃烧反应速率大，按化学当量比混合好的燃气与氧气来不及扩散就被完全消耗，燃烧放热使得燃烧气流温度升高，进一步促使反应速率增大，激发了链式燃烧反应，最终在瞬间和极小空间内完成燃烧反应，呈现出火焰集中、火焰体积小、有明显的局部高温区、小区域里高强度释热，燃烧噪音大等特征。局部高温区给热力型NOx形成创造了条件。局部高温区靠近或接触受热面时会引起受热面氧化烧损，有些情况下甚至会出现更为严重的事故(如锅炉高压冷却水泄漏等)。火焰体积小，可燃气分子在高温区域里停留时间短，机械不完全燃烧和化学不完全燃烧引起的CO排放增加。尽管火焰温度高，但火焰体积很小，热效率不高。另外，为确保燃烧火焰稳定，炉温不能太低，为此不能燃用热值太低的燃料。低热值燃气(如发生炉煤气、高炉煤气、铅锌密闭鼓风炉烟气)热值较低，难以稳定燃烧，且达不到一般锅炉和高温炉窑所要求的炉温。一些工厂甚至将这部分燃料部分或大部分放空，既浪费能源又污染环境。
发明内容 为了解决传统燃烧器小火焰体积带来的不节能和燃烧污染物排放偏高，不能燃用低热值燃料等问题，发明提供一种以低热值燃料使用为主要目的，通过高温空气射流在炉内旋转流动和推迟燃空气接触混合，并使燃烧反应区域拓宽的低氧弥散燃烧器。
旋流弥散燃烧器包括烧嘴砖，烧嘴砖特征在于在垂直于烧嘴砖轴线远离炉膛的烧嘴砖平面上，沿着以该平面中心为圆心的圆周均匀交错设置等面积的空气喷出圆孔和等面积的燃气注入圆孔，燃气通道轴线平行于烧嘴砖轴线且沿通道轴线方向燃气流通面积不变化，空气通道沿逆时针方向向前一个空气通道倾斜，空气通道轴线和通过前一个靠近炉膛空气喷出孔的烧嘴砖轴线平行线延长相交，交点在沿烧嘴砖轴线方向炉膛长度1/3空间范围以内，沿空气通道方向空气流通面积逐渐缩小。
发明结构简单，使用寿命长，NOx排放低于25ppm，CO排放低于140ppm，热效率高出火焰集中型传统燃烧5-10％。
各类燃用甲烷气，低热值、低品位和低能量密度气体燃料，及各类以减少低热值废气排空污染和浪费、开发新能源或降低燃烧NOx生成为使用目的民用或工业锅炉或燃烧加热装置，高温炉窑均可使用本发明。
附图说明
图1为发明涉及的旋流弥散燃烧器气流组织图。
图2为发明涉及的旋流弥散燃烧器端面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1和图2所示，旋流弥散燃烧器主要包括烧嘴砖。0为烧嘴砖中心，A、B、C和D为空气喷出孔，a、b、c和d为燃气注入孔。远离炉膛垂直于烟嘴砖中心轴线的烧嘴砖平面上设置四个等面积的燃气注入圆孔a、b、c及d和四个等面积的空气喷出孔A、B、C及D。四个空气喷出孔和四个燃气注入孔位于同一个以烧嘴砖平面中心为圆心的圆周上，按A→a→B→b→C→c→D→d→A顺序相互交错均匀布置。烧嘴砖由高温耐火材料浇铸而成，可以嵌入炉壁也可以伸入炉膛，设有凹向炉膛的凹槽。燃气通道a、b、c和d的中心轴线平行于烧嘴砖轴线且沿通道轴线方向燃气流通面积不发生变化。沿烧嘴砖中心轴线指向炉膛方向空气通道A、B、C和D的流通面积逐渐缩小。空气通道沿逆时针方向向前一个空气通道倾斜(A→B、B→C、C→D、D→A)，空气通道轴线和通过前一个靠近炉膛空气喷出孔的烧嘴砖轴线平行线延长相交，交点在沿烧嘴砖轴线方向炉膛长度1/3空间范围以内。交点离靠近炉膛的烧嘴砖平面距离L小于沿烧嘴砖中心轴线方向1/3炉膛长度。
燃烧器可以垂直安装，也可以水平安装。空气可以采取措施预先降低其含氧体积浓度至15-21％范围。空气先通过高温的球形或蜂窝状陶瓷蓄热体，吸收蓄热体显热而升高温度至1000℃以上。渐缩型空气通道设计可确保空气压力势能转变为空气动能，从而保证高温空气能高速从空气通道A、B、C及D均匀倾斜射入炉内。燃气可以经过预热也可以不预热，燃气从燃气通道a、b、c及d均匀平行注入炉内。炉内衬保温性能良好且控制装置热负荷，炉温维持在高于1000℃的温度水平，燃空气分子一旦接触混合即具有自燃条件。
空气高速倾斜射入炉膛形成倾斜前行的空气射流，在相邻倾斜空气高速射流作用下形成沿逆时针方向螺旋前行的空气气流。空气射流速度大，在射流根部产生较大的负压，引起了较多的高温低氧烟气被卷吸混入螺旋空气射流中，使得空气含氧体积浓度逐渐降低到15％以下，加上平行注入的燃气分子不断地被卷吸掺入螺旋气流中，最终形成均匀搅混的高温低氧预混气流。由于炉膛温度1000℃高于预混气体自燃点，相邻两股燃空气预混物燃烧能形成火焰相连的圆柱侧面状火焰墙。空气螺旋状行程，既延长可燃物在炉内行程和停留时间，又有利于建立低氧燃烧条件。
和传统火焰集中式燃烧相比，发明改变了流出燃烧器的空气分子和燃气分子聚合时间和地点，分别被推迟和被置后，加上发生燃烧反应时空气含氧浓度极低发生动力控制型燃烧反应，能够使得超过2/3炉内空间充满火焰。对于这个燃烧反应而言，未参与燃烧反应的惰性气体比传统火焰集中式燃烧的多，燃烧放热比火焰集中式传统燃烧的小，反应物吸热而升高的温度不明显。升温不明显的反应物在被消耗前能离开反应区，从而有效地阻止反应速率的骤然增大，保证了反应区低强度燃烧释热和不明显的温度升高。全部燃烧化学反应被设置在一个较长的时间和较大的炉内空间里完成。
燃烧器组织容积式燃烧，反应发生在小的温度范围内，反应区最高温度降低，炉温均匀。火焰最高温度降低引起NOx排放降低(低于30ppm)。炉温均匀，延长了炉膛内衬寿命，且在需表面温度均匀一致的材料加工领域里有重要意义，如金属加热炉和热处理炉等。燃烧最高温度可调节到炉内金属件所能承受的温度以下，炉内被加热物料表面附近区域的燃烧气流含氧浓度和温度可调节，这样既可控制燃烧过程，又可控制加工件表面氧化反应。炉内每个位置都高于燃气混合物自燃点，在火焰脱离传统燃烧中由燃烧器控制的稳焰区后能依靠燃料自燃作用继续燃烧。这种依靠燃料自燃来维持炉内稳定燃烧的特点，给炉膛设计带来方便。
发明节能效果明显。燃气在炉内停留时间更长，燃烧效率更高、CO排放更低(低于140ppm)。炉膛内火焰体积大，辐射换热作用加强，热效率有所提高(高出火焰集中式传统燃烧5-10％)。由于高温预热空气所具有的物理热增加了炉内的理论燃烧温度，为原来不能用于高温炉窑的低热值、低品位和低能量密度的气体燃料或工业废气利用提供了新机会。发明特别适用于各种以减少低热值、低品位和低能量密度的气体燃料和废气排空污染和浪费、开发新能源或降低燃烧NOx生成为使用目的场所使用。

Claims (1)

1.旋流弥散燃烧器，包括烧嘴砖，其特征在于：在垂直于烧嘴砖轴线远离炉膛的烧嘴砖平面上，沿着以该平面中心为圆心的圆周均匀交错设置等面积的空气喷出圆孔和等面积的燃气注入圆孔，燃气通道轴线平行于烧嘴砖轴线且沿通道轴线方向燃气流通面积不变化，空气通道沿逆时针方向向前一个空气通道倾斜，空气通道轴线和通过前一个靠近炉膛空气喷出孔的烧嘴砖轴线平行线延长相交，交点不超过沿烧嘴砖轴线方向炉膛长度1/3范围，沿空气通道轴线方向空气流通面积逐渐缩小。
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