CN103939903A

CN103939903A - 一种高效逆叉流自身预热低nox燃烧装置

Info

Publication number: CN103939903A
Application number: CN201410129450.0A
Authority: CN
Inventors: 刘长春; 惠世恩; 尚桐; 王登辉; 邹浩; 张庚
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开了一种高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，包括燃气芯管以及设置在燃气芯管前端的燃烧室，燃气芯管的燃气喷头位于燃烧室内，燃烧室的外侧还套装有空气出口气室；燃气芯管外套设有用于向燃烧室内输送助燃空气的空气内套筒，空气内套筒外套设有环形的烟气通道，烟气通道内沿轴向等间距布置有若干用于增加换热面积的异型管。本发明在空气出口气室上开设若干二次风孔，二次风与燃烧后的混合物都是高速喷入炉膛，可诱导大量烟气回流，降低燃料与O₂浓度，降低火焰温度和减少热力型NO_x形成。同时，空气由空气出口气室分配至二次风孔，高速喷入炉膛，能够有效延长着火时间。本发明能够降低燃烧装置运行成本，以及NO_x排放，为节能环保做出贡献。

Description

一种高效逆叉流自身预热低NOX燃烧装置

技术领域

本发明属于热能与动力工程技术领域，涉及一种采用逆叉流换热低NO_x燃烧的自身预热的燃烧装置，具体涉及一种高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置。

背景技术

自身预热式燃烧装置是将换热器与燃烧器组合为一体的紧凑型燃烧装置，具有结构紧凑，控制灵活，特别适合辐射管加热和ON-OFF操作的脉冲燃烧。因此自热预热式燃烧装置广泛应用于温度控制精度较高的炉窑和高端保护性气氛炉窑。

传统的自身预热式燃烧装置多采用套筒式翅片管结构，由于换热器换热面积有限，排烟温度相对较高，热效率低。传统的自身预热式燃烧器燃烧室内热强度大，火焰温度高，NO_x排放较高。随着空气污染等环境问题的日益严峻，迫使国家将制定越来越严格的污染物排放标准。因此必须研制环境友好的低NO_x燃烧装置满足国家标准和市场需求。

管式换热器具有比表面积大换热效率高的特点，但由于空气流速高，烟气流速低，因此烟气侧换热热阻较高，进一步挖掘管式换热器的潜力，必须合理组织烟气侧的气流，降低烟气侧的热阻。逆叉流换热方式，一方面延长了烟气停留时间，另一方面增加了烟气扰动，提高了烟气侧换热系数，降低了烟气侧的热阻。

由于采用逆叉流管式换热方式，助燃空气可以被预热到很高温度，往往仅比烟气低100～200℃，可达800～950℃，采用传统燃烧方式，火焰温度会很高，造成热力型NO_x急剧上升，必须合理组织燃烧，降低火焰温度，减少热力型NO_x的形成。二次助燃空气和燃烧室部分燃烧混合物采用等动量高速射流，能够有效延长着火时间，降低O₂浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型NO_x形成。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种高换热效率低NO_x排放的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括燃气芯管以及设置在燃气芯管前端的燃烧室，燃气芯管的燃气喷头位于燃烧室内，燃烧室的外侧还套装有空气出口气室，空气出口气室的前端面上开设有若干二次风孔，燃烧室的前端面上设置有一个燃烧室喷口；

燃气芯管外套设有用于向燃烧室内输送助燃空气的空气内套筒，空气内套筒外套设有环形的烟气通道，烟气通道内沿轴向等间距布置有若干用于增加换热面积的异型管；烟气管道的后端连通有烟气出口集气室，烟气出口集气室的后端设置有空气入口集气室；烟气出口集气室和空气入口集气室均套设在燃气芯管上，且侧面分别开设有烟气出口和助燃空气入口空气入口集气室与空气内套筒、异型管以及烟气通道与空气内套筒之间的间隙相连通。

所述的二次风孔等间距布置于燃烧室喷口周围，且二次风孔与燃烧室喷口的中心距离为燃烧室喷口直径的1.5～2倍。

所述的异型管为扇形管。

所述的烟气通道包括烟气外环通道和烟气内环通道；烟气外环通道由烟气外套筒和扇形管之间的空腔构成，烟气内环通道由烟气内套筒和扇形管之间的空腔构成；烟气内套筒与空气内套筒之间留有空隙，且该空隙一端与空气入口集气室相连通，另一端与燃烧室相连通；扇形管安装于烟气内套筒和烟气外套筒之间，扇形管的一端与空气入口集气室相连通，另一端与空气出口气室相连通。

所述的扇形管的后端面通过内密封环和外密封环密封。

所述的烟气外环通道和烟气内环通道内设置有使烟气以叉流方式在扇形管之间运动的内烟气挡板环和外烟气挡板换。

所述的燃气芯管的后端通过卡套与燃气入口相连；燃气芯管上套设有用于使进入燃烧室的空气形成旋转气流的空气旋流盘，空气旋流盘位于燃气喷头的后部和燃烧室的空气入口之间。

所述的空气入口集气室的后端上安装有用于点火以及在线火焰监测的点火检测电极和窥火装置；点火检测电极由空气入口集气室的后端伸入至燃烧室中。

所述的扇形管之间的间隙用耐热焊条气密性焊接，且扇形管与空气出口气室气密性焊接。

所述的烟气出口集气室内腔的侧面填充有绝热纤维。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在燃气芯管前端的燃烧室上加装空气出口气室，并在空气出口气室上开设若干二次风孔，二次风与燃烧后的混合物都是高速喷入炉膛，其动量约3000～4000Pa，可诱导大量烟气回流，降低燃料与O₂浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型NO_x形成。同时，约70%的空气由空气出口气室分配至二次风孔，高速喷入炉膛，二次风喷出动量与燃烧后的混合物从燃烧室喷口喷出动量比为0.7～1.2，根据流体力学理论，两股气流动量比越小、气流混合越慢，这样能够有效延长着火时间。换热面积影响换热器效率最主要的因素之一，本发明在烟气通道内沿轴向等间距布置扇形管的结构形式，极大的增加了换热器的换热面积，其有效换热面积是光管套筒的5～7倍，是翅片管套筒的2～3倍。极大的提高换热器的换热面积，从而提高换热器的换热效率。

进一步的，本发明采取内、外烟气挡板环结构，烟气可以在扇形管之间以叉流方式运动，来回冲刷扇形管，一方面延长了烟气在燃烧装置内的停留时间，另一方面降低了烟气侧的热阻。

进一步的，本发明二次风孔等间距布置于燃烧室喷口的周围，二次风孔与燃烧室喷口的中心距离为燃烧室喷口直径的1.5～2倍，这样既能降低火焰峰值温度，又能稳定燃烧。

进一步的，本发明给煤气芯管加装卡套式连接装置，便于整个燃烧装置的安装、拆卸以及燃烧室、空气旋流盘等部件的位置调整。

进一步的，本发明装配有点火检测电极和窥火装置，便于实现自动点火和在线火焰监测。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的内部空气、燃气、烟气流动示意图；

图3为本发明的内部烟气运动示意图；

图4为图1的A-A剖面图；

图5为图1的B-B剖面图；

图6为图1的C-C剖面图；

图7为图1的D-D剖面图。

其中，1为助燃空气入口；2为扇形管外密封环；3为烟气出口；4为绝热纤维；5为烟气外环通道；6为外烟气挡板环；7为烟气外套筒；8为烟气内套筒；9为空气内套筒；10为扇形管；11为内烟气挡板环；12为烟气内环通道；13为空气出口气室；14为二次风喷孔；15为燃烧室喷口；16为燃烧室；17为扇形管内密封环；18为燃气喷头；19为空气旋流盘；20为燃气芯管；21为烟气出口集气室；22为卡套；23为窥火装置；24为燃气入口；25为点火检测电极；26为空气入口集气室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

参见图1至图7，本发明包括燃气芯管20以及设置在燃气芯管20前端的燃烧室16，燃气芯管20的燃气喷头18位于燃烧室16内，燃烧室16的外侧还套装有空气出口气室13，空气出口气室13的前端面上开设有若干二次风孔14，燃烧室16的前端面上设置有一个燃烧室喷口15；如图7所示，二次风孔14等间距布置于燃烧室喷口15周围，且二次风孔14与燃烧室喷口15的中心距离为燃烧室喷口直径的1.5～2倍。如图6所示，扇形管10的后端面通过内密封环2和外密封环17密封。扇形管10之间的间隙用耐热焊条气密性焊接，且扇形管10与空气出口气室13气密性焊接。燃气芯管20的后端通过卡套22与燃气入口24相连；燃气芯管20上套设有用于使进入燃烧室16的空气形成旋转气流的空气旋流盘19，空气旋流盘19位于燃气喷头18的后部和燃烧室16的空气入口之间。如图5所示，空气入口集气室26的后端上安装有用于点火以及在线火焰监测的点火检测电极25和窥火装置23；点火检测电极25由空气入口集气室26的后端伸入至燃烧室16中。烟气出口集气室21内腔的侧面填充有绝热纤维4。

燃气芯管20外套设有用于向燃烧室16内输送助燃空气的空气内套筒9，空气内套筒9外套设有环形的烟气通道，烟气通道内沿轴向等间距布置有若干用于增加换热面积的扇形管10；烟气管道的后端连通有烟气出口集气室21，烟气出口集气室21的后端设置有空气入口集气室26；烟气出口集气室21和空气入口集气室26均套设在燃气芯管20上，且侧面分别开设有烟气出口3和助燃空气入口1空气入口集气室26与空气内套筒9、扇形管10以及烟气通道与空气内套筒9之间的间隙相连通。烟气通道包括烟气外环通道5和烟气内环通道12；烟气外环通道5由烟气外套筒7和扇形管10之间的空腔构成，烟气内环通道12由烟气内套筒8和扇形管10之间的空腔构成；烟气内套筒8与空气内套筒9之间留有空隙，且该空隙一端与空气入口集气室26相连通，另一端与燃烧室16相连通；扇形管10安装于烟气内套筒8和烟气外套筒7之间，扇形管10的一端与空气入口集气室26相连通，另一端与空气出口气室13相连通。烟气外环通道5和烟气内环通道12内设置有使烟气以叉流方式在扇形管10之间运动的内烟气挡板环6和外烟气挡板换11。

本发明的原理及工作过程：

本发明助燃空气由助燃空气入口1进入空气入口集气室26，然后由集气室分别进入扇形管10和烟气内套筒8和空气内套筒9间的安装间隙。大于95%的助燃空气通过扇形管进入空气出口气室13，小于5%的助燃空气通过烟气内套筒8和空气内套筒9间的安装间隙进入燃烧室。为降低空气侧的热阻，扇形管内空气流速为12～15Nm/s。

如图4所示，扇形管10入口与扇形管内、外密封环2、17气密性焊接，扇形管之间A-A剖面上的间隙用耐热焊条气密封焊牢，不留缝隙，确保不漏气。如图6所示，扇形管10出口与扇形管内密封环17气密性焊牢，扇形管之间的C-C剖面上的间隙用耐热焊条气密性焊牢，不留缝隙，确保不漏气，然后与空气出口气室13气密性焊接。其中，约5%的烟气由烟气内套筒8和空气内套筒9间的安装间隙进入燃烧室16，约25%的空气由空气出口气室13分配进入燃烧室16，这些助燃空气进入燃烧室前都通过空气旋流盘19，形成旋转气流。燃气由燃气喷头18的小孔喷入燃烧室，与旋转的助燃空气混合燃烧。

另外，扇形管仅是本发明形式之一，也可以采用其他周向布置的异性管。

在使用时，首先通入助燃空气，对燃烧器进行吹扫，吹扫时间不小于1分钟，然后将点火检测电极25调为点火模式，持续击穿空气释放点火花。通入燃气，燃气经燃气芯管20由燃气喷头18喷入燃烧室内。如图2所示，小于5%的助燃空气由烟气内套筒8和空气内套筒9间的安装间隙进入燃烧室16，剩余的助燃空气由扇形管进入空气出口气室13，其中25%的助燃空气由空气出口气室13分配进入燃烧室16，约70%的空气分配给二次风孔14。所有进入燃烧室的的助燃空气，在最终进入燃烧室之前都通过空气旋流盘19，形成旋转气流。燃烧喷头18喷出的燃气与燃烧室内旋转的空气气流混合，在电火花的作用下被点燃燃烧。然后，关闭点火电极，点火检测电极25将进入检测模式，若不能检测出离子电流信号，则关闭燃气，重新开始吹扫与点火操作，若能检测到离子电流信号，表明燃气燃烧器工作正常。二次风与燃烧后的混合物都是高速喷入炉膛，其动量约3000～4000Pa，可诱导大量烟气回流，降低燃料与O₂浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型NO_x形成。二次风喷出动量与燃烧后的混合物从燃烧室喷口15喷出动量比为0.7～1.2，根据流体力学理论，两股气流动量比越小、气流混合越慢，这样能够有效延长着火时间。

烟气由炉膛进入烟气外套筒7与扇形管10之间的烟气外环通道5，由于内、外烟气挡板环2、6的作用，烟气可以在扇形管之间以叉流方式运动，来回冲刷扇形管，一方面延长了烟气在燃烧装置内的停留时间，另一方面降低了烟气侧的热阻。经过几个行程后烟气温度被降至300℃左右，汇聚于烟气出口集气室21，然后由烟气出口3排入烟道。扇形管10内助燃空气，烟气内套筒8和空气内套筒9间的助燃空气在出口处则都被预热到800～950℃左右。

本发明的原理：

该燃烧装置换热器采用扇形管周向等间距布置，扇形管之间留有2～3mm的间隙，沿扇形管轴向每隔80～120mm设置烟气挡板环，内外烟气挡板环交错布置。如图3所示，烟气在扇形管间的缝隙流动，由于布置内外烟气挡板环，烟气可以在扇形管之间以叉流方式运动，来回冲刷扇形管，一方面延长了烟气在燃烧装置内的停留时间，另一方面由于烟气扰动，降低了烟气侧的热阻。扇形管内空气流速较高，一般12～15Nm/s,且扇形管内边界层较薄，当量直径较小，故空气侧换热系数相对较高，因此强化烟气侧换热能够有效提高换热器效率。换热器热效率的主要的影响因素之一就是换热面积，扇形管周向等间距布置方式，其有效换热面积是光管套筒的5～7倍，是翅片管套筒的2～3倍，故扇形管周向等间距布置换热器能够极大的提高换热效率。

由于采用逆叉流等间距周向布置扇形管换热器，助燃空气可以被预热到很高温度，仅比烟气温度低100～200℃，可达800～950℃，采用传统的燃烧方式，火焰温度会很高，造成热力型NO_x急剧上升，必须合理组织燃烧，降低火焰温度，减少热力型NO_x形成。因此采用分级燃烧等动量高速射流方式，助燃空气的30%为一次风，进入燃烧室，在燃烧室内与燃气混合燃烧，燃烧后的混合物高速从燃烧室内喷出。助燃空气的70%为二次风，从等间距布置于燃烧室喷口周围的二次风喷孔喷出，二次风喷出动量与燃烧后的混合物从燃烧室内喷出动量比为0.7～1.2，这样能够有效延长着火时间，降低O₂浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型NO_x形成。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：包括燃气芯管（20）以及设置在燃气芯管（20）前端的燃烧室（16），燃气芯管（20）的燃气喷头（18）位于燃烧室（16）内，燃烧室（16）的外侧还套装有空气出口气室（13），空气出口气室（13）的前端面上开设有若干二次风孔（14），燃烧室（16）的前端面上设置有一个燃烧室喷口（15）；

燃气芯管（20）外套设有用于向燃烧室（16）内输送助燃空气的空气内套筒（9），空气内套筒（9）外套设有环形的烟气通道，烟气通道内沿轴向等间距布置有若干用于增加换热面积的异型管；烟气管道的后端连通有烟气出口集气室（21），烟气出口集气室（21）的后端设置有空气入口集气室（26）；烟气出口集气室（21）和空气入口集气室（26）均套设在燃气芯管（20）上，且侧面分别开设有烟气出口（3）和助燃空气入口（1）空气入口集气室（26）与空气内套筒（9）、异型管以及烟气通道与空气内套筒（9）之间的间隙相连通。

2.根据权利要求1所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的二次风孔（14）等间距布置于燃烧室喷口（15）周围，且二次风孔（14）与燃烧室喷口（15）的中心距离为燃烧室喷口直径的1.5～2倍。

3.根据权利要求1所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的异型管为扇形管（10）。

4.根据权利要求3所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的烟气通道包括烟气外环通道（5）和烟气内环通道（12）；烟气外环通道（5）由烟气外套筒（7）和扇形管（10）之间的空腔构成，烟气内环通道（12）由烟气内套筒（8）和扇形管（10）之间的空腔构成；烟气内套筒（8）与空气内套筒（9）之间留有空隙，且该空隙一端与空气入口集气室（26）相连通，另一端与燃烧室（16）相连通；扇形管（10）安装于烟气内套筒（8）和烟气外套筒（7）之间，扇形管（10）的一端与空气入口集气室（26）相连通，另一端与空气出口气室（13）相连通。

5.根据权利要求3或4所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的扇形管（10）的后端面通过内密封环（2）和外密封环（17）密封。

6.根据权利要求3或4所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的烟气外环通道（5）和烟气内环通道（12）内设置有使烟气以叉流方式在扇形管（10）之间运动的内烟气挡板环（6）和外烟气挡板换（11）。

7.根据权利要求1所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的燃气芯管（20）的后端通过卡套（22）与燃气入口（24）相连；燃气芯管（20）上套设有用于使进入燃烧室（16）的空气形成旋转气流的空气旋流盘（19），空气旋流盘（19）位于燃气喷头（18）的后部和燃烧室（16）的空气入口之间。

8.根据权利要求1或3所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的空气入口集气室（26）的后端上安装有用于点火以及在线火焰监测的点火检测电极（25）和窥火装置（23）；点火检测电极（25）由空气入口集气室（26）的后端伸入至燃烧室（16）中。

9.根据权利要求3或4所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的扇形管（10）之间的间隙用耐热焊条气密性焊接，且扇形管（10）与空气出口气室（13）气密性焊接。

10.根据权利要求1所述的高效逆叉流自身预热低NO_x燃烧装置，其特征在于：所述的烟气出口集气室（21）内腔的侧面填充有绝热纤维（4）。