CN101707938B - 具有压扁的热交换器管的换热燃烧器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种稳固高效的换热燃烧器。此换热燃烧器至少任选地具有一个用于加热操作的燃烧室并且另外还被设置成用于
-操作。将在用于换热的节段(31)中具有压扁的缝隙横截面(34)并且在其面对容积(2)的末端(33)处具有不同于缝隙横截面(34)的喷嘴横截面(35)的热交换器管(16)设置为用于借助逆流中的废气热量来预加热燃烧空气的换热器(30)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于对容积例如炉膛或者喷射管的内部空间进行加热的换热燃烧器。
背景技术
换热燃烧器例如用于对工业炉的直接或间接加热。在直接加热时，在炉膛中发生燃料的氧化。在间接加热时，例如借助喷射管在延伸到炉膛中的、但是相对于该炉膛封闭的管子(喷射管)内发生燃烧，该管子由此被加热并且释放热辐射。
可以从EP 0685683B1中获得具有或不具有喷射管的换热燃烧器的示例。该换热器位于炉壁中并且具有400mm的典型长度以及根据燃烧炉功率具有100～300mm的直径。该换热器由用耐热的铸钢亦或陶瓷制成的加装了肋条的节段构成。为了减少氮氧化物的产生，将强烈的内部废气回流来回引入到被加热的容积中，这导致所谓的“无焰氧化”。此操作也被称为
-操作(Flox是WS-热处理技术有限责任公司的注册商标)。根据设计，此结构类型的燃烧器具有65～75％的效率。
相同的文献还公开了一种换热燃烧器。该换热燃烧器具有两个蓄热的回热器，交替地用废气对该回热器加热或者该回热器将存储的热量释放给所供应的燃烧空气。此类回热器达到最大为90％的效率，但是由于这两个回热器的所必需的交替操作以及因此由于持续的反转会导致上升的安装和控制花费。
发明内容
鉴于此，本发明的任务在于，提供一种具有改进效率的换热燃烧器。
此任务是用根据权利要求1的换热燃烧器解决的：
根据本发明的换热燃烧器具有包括由耐热材料制成的多个管子的换热器，这些管子用于对燃烧空气进行预加热并且还可能在使用诸如填埋气之类的低能量气体时对燃气或者该燃气的一部分进行预加热。换热燃烧器的热交换器管在用于换热的节段中具有压扁的缝隙横截面。当缝隙中存在所设计的层流时，传热系数α与缝隙长度成反比地上升，从而以小的缝隙长度达到非常高的α值。优选的是，这些管子在外部暴露于废气并且在内部被燃烧空气流过。在其面对要被加热的容积的末端处，这些管子具有不同于缝隙横截面的喷嘴横截面。该喷嘴横截面例如是圆形横截面。该喷嘴横截面实现了对燃烧空气流的加速以及以高速流入要被加热的容积并且引起废气回流的流出射束的形成。优选如此安排该喷嘴横截面的尺寸，以使得射流速度达到例如100m/s。由此达到例如4或5的废气回流系数，从而极大地防止了温度峰值的形成并且因此极大地防止了热的氮氧化物的产生。
优选的是，缝隙横截面大于喷嘴横截面。由此在缝隙区域中达到比喷嘴处更低的流速。热交换器管优选配备有至少一个变窄的末端，该末端的外围被构造成小于压扁的热交换器节段的外围。优选通过在至少一个但是优选两个末端处使其外围近似对应于稍后的热交换器节段的外围的管子变细的方式，即减少直径的方式来制造此类管子，从而例如在塑形过程中减小管子横截面。随后将该热交换器节段以产生缝隙形状。此处优选的是，遵守s＜3mm的缝隙长度以及b＞4s的缝隙宽度。
在冷侧可以例如通过钎焊将热交换器管的末端密封地放入法兰板的孔中。优选这些热交换器管仅单侧地嵌入。在热侧，这些热交换器管可根据需要通过诸如束带或者焊接点之类的连接机构被彼此固定或者也可以保持自由。在这两种情况下，这些热交换器管都能自由地延扩。所有管子可具有相同的形状并且被批量生产。
可以通过相应地弯曲热交换器管的热的末端如期望的那样预先规定射流方向。例如，设置为圈形的射流管可具有喷嘴末端，这些喷嘴末端的轴线位于圆锥表面上。
所提及的热交换器管使得一方面可以获得从废气到燃烧空气的良好传热并且另一方面仅产生小的压力损失。这尤其是在压扁的缝隙形节段的横截面大于喷嘴横截面时达成的。因此，缝隙横截面中的流速要小于喷嘴处的流速。
此外，管子之间的废气通道被实施成具有略微更大的缝隙长度，以便同样在废气通道中降低压力损失。由此可能减少的传热可通过例如以瓦楞板衬垫为形式的辅助加热面来补偿。这些辅助加热面可同时充当热交换器管之间的隔片。瓦楞板衬垫和/或热交换器管在至少部分地覆有催化有效的用于清洁废气的材料覆层时可充当催化器。
优选的是，缝隙式管被设置为圈形或环形。这些缝隙式管可被设置在多个彼此同心的环中。如果使用统一的缝隙式管，那么可在各个环中产生可通过过梁封闭的间隙。
换热燃烧器至少是为了在被加热的容积中引起无焰氧化而设置的，方法是，通过导入射流中的经预加热的空气在该换热燃烧器之前引起废气回流，从而在具有高惰性气体含量的气流中氧化所供应的燃料。此操作方式适用于800℃以上的被加热的炉膛。
任选的是，为了在低于点燃温度(约800℃)的炉膛内对换热燃烧器进行操作，可设置另一种操作方式。为此，换热燃烧器具有燃烧室，燃烧空气和燃气的至少一部分被引入该燃烧室并在那里被点燃。在燃烧室中产生火焰，该火焰的热废气在必要时以与火焰结合的方式离开燃烧器并对容积加热。
任选的是，可设置第三操作方式，其可被称为助推的或支持的
-操作。只要在被加热的容积中占据低于点燃温度的温度，则该第三操作方式就适用于对换热燃烧器进行操作。在此操作方式中，在燃烧器的燃烧室中引起一部分氧化。这一燃烧的热废气与燃烧空气以及一部分燃料一起以射流的方式进入炉膛并且在那里引起对射入炉膛的燃料的氧化。
附图说明
从附图、说明书和权利要求中得到本发明的有利实施方式的其他细节。说明书限于本发明的重要方面以及其他事实情况。附图公开了其他细节并且就这方面而言作为补充的参考。附图中：
图1示出了根据本发明的换热燃烧器在炉壁处的纵向截面图，
图2示出了根据图1的换热燃烧器的换热器的横截面图，
图3示出了根据图2的换热器的热交换器管的侧视图，
图4示出了根据图3的热交换器管的沿着线IV-IV的截面，
图5示出了根据图3的热交换器管的沿着图3中的线V-V的截面，
图6示出了在压扁热交换器管的热交换器节段之前该热交换器管的预造型的侧视图，
图7示出了根据图6的预造型的沿着线VII-VII的截面，以及
图8借助于对应于图3中截面线IV-IV的截面图示出了热交换器管的另一种实施方式。
具体实施方式
图1中示出了换热器1，其用于对炉膛2进行加热并且为此被设置在炉壁3的穿孔上。该换热燃烧器具有用于供应燃烧空气和燃料以及用于排出废气的燃烧器头4。为此，在燃烧器头4处设置-
气体连接端5、加热-气体连接端6、
-空气连接端7、加热-空气连接端8以及用于气体排出的废气连接端9。-气体连接端5和
-空气连接端7用于供应液态或蒸气形态或者气态的燃料和空气以对在炉膛2中带有无焰氧化的换热燃烧器1进行操作。加热-气体连接端6和加热-空气连接端8用于对换热燃烧器1中的燃烧室10进行点火。
燃烧室10由优选在炉侧变窄的管子11包围，该管子11在一侧被保持在法兰板12上。法兰板12在必要时被保持在燃烧器头1与可通过炉壁3上的管接头14得到支撑的法兰13之间相应密封件的中间衬垫下面。在法兰板12上设有多个孔，这些孔优选被设置在围绕管子11及其中轴线15的同心圆上。将例如由耐热的钢构成的热交换器管16放入这些孔中并且通过诸如硬钎焊连接件之类的合适的连接机构将这些换热管16密封地保护在这些孔中。在燃烧器4中，这些孔在空气分配通道17中相会。在必要时，这些孔中的一部分可在另外的、与独立的连接端19相连接的分配通道18中相会。连接端19优选被同心地设置在-空气连接端7中。以此方式，该连接端19通常获得用于供应给已连接的热交换器管16的空气以维护无焰氧化。但还可以通过此连接端19将诸如可燃烧的气体的其他流体送给与空气分配通道分开的分配通道18，以便预加热该分配通道18。
热交换器管16被设置在外部由管子21封闭的环形废气通道20中，管子21的末端被保持在法兰板12上。废气通道20通到燃烧器头4中的废气收集器22。
在管子11中，以中心气体喷枪为形式的燃料管23被设置成与中轴线15同心，以便将用于
-操作的燃料送入炉膛2。将另一与加热-气体连接端6相连接的管子24设置成与燃料管23同心，该管子24的末端处设有排气孔25。这些排气孔25产生优选倾斜于中轴线15的燃料射流。在距排气孔25的一定距离处可在管子24上设置用于使引入燃烧室10中的空气成旋涡的筛板26。此外优选的是，点火和监控电极27延伸到燃烧室10中。
热交换器管16优选被构造成彼此基本上是相同的。在这些热交换器管16之间设置例如以瓦楞板元件28为形式的尤其从图2中可见的填充元件。这些填充元件以其瓦楞接触设置在多个与中轴线15同心的圆上的热交换器管16并且因此基于间隔地保持这些热交换器管16。此外，这些填充元件以对流的方式并且主要是通过热辐射将从废气流中吸收的热量传递到热交换器管16。瓦楞板元件28例如由耐热的钢构成。瓦楞板元件的瓦楞优选以平行于中轴线15的方式延伸。此外，在热交换器管16之间可如图2所示的那样设置过梁29，以避免在热交换器管16之间产生太大的自由空间。热交换器管16和瓦楞板元件28都可以全部地或者部分地用催化有效的优选用于废气处理的材料16a、28a来得到覆层。
热交换器管16与在必要时存在的过梁29和瓦楞板元件28以及最终还与管子11和21一起构成换热器30，该换热器30例如具有130mm的外径D(图2)、400mm的长度L(图3)并且可总共由72个管子组成。图3中示出了该换热器30的热交换器管16，后者代表所有其他热交换器管。该热交换器管16具有压扁的用于换热的节段31和末端节段32、33以及在必要时位于它们之间的过渡节段。如图4和图5所示，节段31具有不同于节段33(图5)或32的另一横截面。节段31确定缝隙横截面34，该缝隙横截面34的缝隙宽度b优选超过缝隙长度s的四倍。在本实施例中，s＝1.5mm而b＝15mm，分别为从缝隙横截面34的内表面到内表面。与此相反，节段33定义了具有例如d＝2.5mm的直径的喷嘴横截面35。因此，缝隙横截面34的面积要大于喷嘴横截面35。
喷嘴横截面35可被构造在热交换器管16的一体化构件上或者在经连接的部分上。此外，节段33被构造成直线或者如图所示的那样简单地呈弧形或者s形地弯曲。此管子的制造例如是从具有更大直径的管子展开的。这种管子例如在相应的塑形过程中在其末端36、37处变细，如图6所示的那样。在位于末端36、37之间的节段38中，原始的直径保持不变。根据图7，热交换器管16的如此产生的预造型39在节段38中起初还具有圆形横截面。随后，该圆形横截面在塑性改型过程中被压扁，以产生根据图4的缝隙横截面34。
优选是的，缝隙横截面34由压扁的壁41、41限界。如图8所示，壁40和/或壁41配备有相同或不同大小的结节42，这些结节42突入缝隙横截面34并且优选彼此接触。这些结节42构成壁40、41的支撑件以防止缝隙横截面34的坍塌。通过结节42还可提供壁40、41之间的焊接连接。这实现了特别薄壁的热交换器管16的构造。
描述至此的换热燃烧器1总共具有例如0.95qm2的传热面。该换热燃烧器1如下地工作：
为了对炉膛2进行加热，例如通过加热-气体连接端6供应天然气并通过加热-空气连接端8供应空气。在燃烧室10中点燃火焰，该火焰的热废气进入炉膛2以对其进行加热。如果这已发生，则换热燃烧器1可转入-操作。
为此，将空气供应转换到
-空气连接端7并且将气体供应转换到-气体连接端5。燃烧空气现在通过热交换器管16流入炉膛并且在那里形成图1中所示的射流43。如箭头44所示，通过燃料管23将燃料引入炉膛2。从而产生废气回流(箭头45)。仅一部分燃烧气体进入废气通道20(箭头46)。
对于用于燃烧35kW天然气的36m3/h的空气供应而言，当废气以1000℃从炉子流入换热器30时，空气被从20℃预加热到880℃。废气连接端9处的废气温度为300℃并且废气损失为14％。在半负载(17kW)时，空气预加热上升到950℃，而废气温度下降到230℃并且废气损失下降到10％。
热交换器管16的相应敞开的末端的72个空气射流基于较短的路径吸入大量炉气，以使得反应区域中的温度保持在1500℃以下，因此抑制了热的氮氧化物的形成。
与现有技术的比较
将例如根据EP 0685683B1的肋式换热器管与根据本说明书的缝隙式管换热器相比较：
| 肋式管 | 缝隙式管 | |
| 外部直径 | 130mm | 130mm |
| 有效长度 | 400mm | 400mm |
| 传热面 | 0.35m2 | 0.95m2 |
| 材料耗费 | 15kg | 7.5kg |
| 废气进入温度 | 1000℃ | 1000℃ |
| 热功率净值 | 30kW | 30kW |
| 效率 | 72％ | 86％ |
| 供应的能量(天然气) | 41.7kW | 34.9kW |
| 废气损失 | 11.7kW | 4.9kW |
| 空气预加热 | 540℃ | 880℃ |
| 废气温度 | 600℃ | 300℃ |
| 氮氧化物(在无焰氧化时) | ＜50ppm | ＜50ppm |
| 压力损失 | ＜60mbar | ＜60mbar |
从中可见，在相同的结构容积中，能量消耗下降16.3％并且此外可降低50％的材料耗费。总而言之，提供了一种稳固高效的换热燃烧器。此换热燃烧器至少任选地具有一个用于加热操作的燃烧室并且另外还被设置成用于
-操作。通过将燃料的一部分例如10～40％的燃料送入燃烧室10可实现过渡操作，而该燃料的其他部分通过中心的燃料管22被引入炉膛。相应地，燃烧室10的燃烧空气的一部分以及其他部分通过换热器30被引入炉膛。在此情况下，可在还未足够加热的炉室中达成
-操作。在具有非常长的加热阶段或者故意保持较低炉膛温度的应用场合中，燃料中的至少一部分在
-条件下被氧化，由此实现氮氧化物排放的总体下降。
于是提供了一种稳固高效的换热燃烧器。此换热燃烧器至少任选地具有一个用于加热操作的燃烧室并且另外还被设置成用于
-操作。将在用于换热的节段31中具有压扁的缝隙横截面34并且在其面对容积2的末端33处具有不同于缝隙横截面34的喷嘴横截面35的热交换器管16设置为用于借助逆流中的废气热量对燃烧空气进行预加热的换热器30。
附图标记列表
1换热燃烧器
2炉膛
3炉壁
4燃烧器头
5
-气体连接端
6加热-气体连接端
7
-空气连接端
8加热-空气连接端
9废气连接端
10燃烧室
11管子
12法兰板
13法兰
14管接头
15中轴线
16热交换器管
17空气分配通道
18分配通道
19连接端
20废气通道
21管子
22废气收集器
23燃料管
24管子
25排气孔
26筛板
27点火和监控电极
28瓦楞板元件
16a、28a催化有效的材料
29过梁
30换热器
31、32、33节段
34缝隙横截面
35喷嘴横截面
36、37末端
38节段
39预造型
40、41壁
42结节
43射流
44、45、46箭头
Claims (10)
1.用于对容积(2)进行加热的换热燃烧器(1)，所述换热燃烧器具有用于借助逆流中的废气热量来对燃烧空气进行预加热的换热器(30)以及用于将燃料引入所述容积(2)的燃料供应装置(23)，其中所述换热器(30)包括热交换器管(16)，所述热交换器管(16)：
-在用于热交换的节段(31)中具有压扁的缝隙横截面(34)并且
-在其面对所述容积(2)的末端(33)处具有不同于所述缝隙横截面(34)的喷嘴横截面(35)，
其特征在于，所述热交换器管(16)分别具有两个变窄的末端(32，33)，所述末端(32，33)的外围小于用于热交换的压扁的节段(31)的外围。
2.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，所述缝隙横截面(34)大于所述喷嘴横截面(35)。
3.如权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，所述缝隙横截面(34)具有缝隙长度s以及至少是所述缝隙长度s的四倍的缝隙宽度b。
4.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，所述热交换器管(16)在空气进入侧的末端处具有圆形横截面。
5.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，所述热交换器管(16)在其空气进入侧的末端处固定在法兰板(12)上。
6.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，至少一个所述热交换器管(16)连接到连接端(19)上，通过所述连接端(19)能够供应燃料。
7.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，在所述热交换器管(16)的邻近处设有至少一个瓦楞板元件(28)。
8.根据权利要求7所述的换热燃烧器，其特征在于，所述瓦楞板元件(28)在至少一处位置设有催化有效的材料(28a)。
9.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，至少一个所述热交换器管(16)在至少一处位置设有催化有效的材料(16a)。
10.根据权利要求1所述的换热燃烧器，其特征在于，所述热交换器管(16)无缝地一体构成。
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