CN104315514B - 双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括壳体、大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板以及底层布风板，其中，壳体包括环状结构的冷却腔体以及安装于冷却腔体上的壳底板，冷却腔体设有用于供二次风通过的冷却腔室，冷却腔体的底部设有与冷却腔室连通的二次风入口，冷却腔体的内侧壁上设有与冷却腔室连通的二次风出口，在冷却腔体形成的环状的框架中，由上至下依次设置大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板、底层布风板以及壳底板，二次风出口位于小孔泡沫陶瓷板与顶层布风板之间，壳底板上设有供燃料与空气的混合气体进入的混合气进口。本发明提供的燃烧器提高了加热效率，同时提高加热的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器结构技术领域，尤其涉及一种双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器。
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，这种燃烧方式需要较大的空间，火焰周围温度梯度大，容易产生局部高温，局部高温区的存在造成了大量的NOx生成，燃烧不完全而热效率低，燃烧稳定性较差。由于NOx的剧毒性，减少其排放也显得非常重要。例如对于硅钢、镀锌及其他涂镀产品，表面涂层干燥的质量直接关系到产品的表面质量，而带钢表面质量是产品分档与价格定位的关键因素。传统带钢干燥炉中使用高速烧嘴和平焰烧嘴来完成工艺要求，由于高速烧嘴和平焰烧嘴本身工作原理的限制，在工作的过程中容易造成局部高温，使得带钢表面受热不均匀，从而对涂层的干燥或烧结质量造成影响，且该种燃烧具有明显火焰，火焰会对带钢表面造成质量缺陷，同时该种燃烧方式污染物排放较高，加热效率较低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，旨在提高加热效率，同时提高加热的均匀性、降低NOX排放。
为实现上述目的，本发明提供一种双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括壳体、大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板以及底层布风板，其中，所述壳体包括环状结构的冷却腔体以及安装于所述冷却腔体上的壳底板，所述冷却腔体设有用于供二次风通过的冷却腔室，所述冷却腔体的底部设有与所述冷却腔室连通的二次风入口，所述冷却腔体的内侧壁上设有与所述冷却腔室连通的二次风出口，在所述冷却腔体形成的环状的框架中，由上至下依次设置所述大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板、底层布风板以及壳底板，所述二次风出口位于所述小孔泡沫陶瓷板与所述顶层布风板之间，所述壳底板上设有供燃料与空气的混合气体进入的混合气进口，燃料与空气的混合气体经所述混合气进口进入到所述框架中，经所述底层布风板和顶层布风板使混合气体混合，并与经所述二次风出口流出的二次风一起进入所述小孔泡沫陶瓷板中进一步混合后，进入到所述大孔泡沫陶瓷板内燃烧。
优选地，所述大孔泡沫陶瓷板的下表面与所述小孔泡沫陶瓷板相接触设置；所述底层布风板和所述顶层布风板之间、所述壳底板与所述底层布风板之间、以及所述顶层布风板与所述小孔泡沫陶瓷板之间均设有间隙。
优选地，所述二次风出口设置有多个，所述冷却腔体形成的框架为方形环状，所述冷却腔体相对的两内侧壁上的二次风出口交错设置。
优选地，所述大孔泡沫陶瓷板和小孔泡沫陶瓷板的侧壁与所述冷却腔体相接触的位置设有耐火纤维层，所述小孔泡沫陶瓷板的底端和所述顶层布风板的底端与所述冷却腔体相接触的位置均设有耐火纤维垫片。
优选地，所述大孔泡沫陶瓷板的孔内壁沉积有用于助燃的催化剂。
优选地，所述底层布风板正对于所述混合气进口处为实心部分，所述实心部分的面积大于或等于所述混合气进口的横截面积，所述底层布风板环绕其实心部分设有多个第一透气孔，多个所述第一透气孔的总面积为所述底层布风板面积的35~36%；所述顶层布风板正对于所述底层布风板区域设有多个第二透气孔，多个所述第二透气孔的总面积为所述底层布风板面积的56~57%。
优选地，所述冷却腔体内还设置有用于对二次风进行导向的折流板，该折流板位于所述冷却腔室中，所述折流板由所述冷却腔室的凸台的底壁向所述冷却腔室的顶壁方向延伸而成。
优选地，所述双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器还包括用于支撑所述小孔泡沫陶瓷板的耐热钢支架，该耐热钢支架焊接在所述冷却腔体的凸台上。
优选地，所述底层布风板通过螺钉、弹簧垫片以及平垫圈安装在焊接于所述壳底板的支撑柱上。
优选地，几何参数取值如下：
h1：20~45mm； h2：15~40mm； h3：10~20mm；
h4：25~45mm； h5：12~25mm； h6：64~124mm；
h7：5~8mm； L1：104~406mm； L2：68~368mm；
L3：9~38mm； L4：100~400mm； L5：76~376mm；
L7：45~192mm； L8：10~20mm； L9：12~22 mm；
L10：1~4mm； t：2~3mm； a：6~12mm；
b：2~4mm； φ1：59~76 mm； φ2：10.7~17.2mm；
φ3：6~8mm； φ4：10~18 mm；
其中，h1-大孔泡沫陶瓷板的高度，h2-小孔泡沫陶瓷板的高度，h3-耐热钢支架底部与冷却腔体的凸台之间的距离，h4-冷却腔体的凸台与壳底板的底部之间的距离，h5-支撑柱的高度，h6-折流板的长度，h7-二次风入口到顶层布风板的距离，L1-顶层布风板的边长，L2-底层布风板的边长，L3-两个相邻二次风出口圆心之间的距离，L4-大孔泡沫陶瓷板和小孔泡沫陶瓷板的边长，L5-壳底板的边长，L6-冷却腔体的边长，L7-燃烧器中心到折流板的距离，L8-折流板的弯折宽度，L9-冷却腔体的厚度，L10-耐火纤维层的厚度，t-顶层布风板、底层布风板及耐火纤维垫片的厚度，a-耐热钢支架的长度，b-耐热钢支架的厚度，φ1-混合气进口的直径，φ2-二次风入口的直径，φ3-二次风出口的直径，φ4-支撑柱的直径。
本发明提出的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，设置冷却腔体从而避免燃烧器的壳体温度过高，防止壳体变形。另外，设置有顶层布风板和底层布风板，从而提高了燃烧火焰分布的均匀性，从而提高了加热的均匀性。同时，因二次风在燃烧腔室中进行预热，从而提高了本燃烧器的燃烧效率。同时，多孔介质预混燃烧与以自由火焰为特征的空间燃烧相比，具有较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等优点，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。
附图说明
图1为本发明双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器优选实施例的结构示意图；
图2为图1所示的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器的俯视结构示意图；
图3为图1所示的底层布风板的结构示意图；
图4为图1所示的顶层布风板的结构示意图；
图5为图1所示的冷却腔体的结构示意图；
图6为图1所示的壳底板的结构示意图。
图中，1-冷却腔体，2-耐火纤维层，3-大孔泡沫陶瓷板，4-小孔泡沫陶瓷板，5-顶层布风板，6-底层布风板，7-螺钉，8-弹簧垫片，9-平垫圈，10-耐热钢支架，11-耐火纤维垫片，12-二次风出口，13-折流板，14-支撑柱，15-二次风入口，16-壳底板，17-混合气进口。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1，图1为本发明双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器优选实施例的结构示意图。
本优选实施例中，双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括壳体、大孔泡沫陶瓷板3、小孔泡沫陶瓷板4、顶层布风板5以及底层布风板6，其中，壳体包括环状结构的冷却腔体1以及安装于冷却腔体1上的壳底板16，冷却腔体1设有用于供二次风通过的冷却腔室，冷却腔体1的底部设有与冷却腔室连通的二次风入口15，冷却腔体1的内侧壁上设有与冷却腔室连通的二次风出口12，在冷却腔体1形成的环状的框架中，由上至下依次设置大孔泡沫陶瓷板3、小孔泡沫陶瓷板4、顶层布风板5、底层布风板6以及壳底板16，二次风出口12位于小孔泡沫陶瓷板4与顶层布风板5之间，壳底板16上设有供燃料与空气的混合气体进入的混合气进口17，燃料与空气的混合气体经混合气进口17进入到框架中，经底层布风板6和顶层布风板5使混合气体混合，并与经二次风出口12流出的二次风一起进入小孔泡沫陶瓷板4中进一步混合后，进入到大孔泡沫陶瓷板3内燃烧。
大孔泡沫陶瓷板3和小孔泡沫陶瓷板4采用氧化锆或碳化硅。大孔泡沫陶瓷板3属于燃烧区，使用的多孔介质材料是大孔径的泡沫陶瓷，陶瓷具有良好的耐高温特性，不易烧坏，以适用于高热值气体燃料（如天然气）的燃烧。小孔泡沫陶瓷板4属于预热区，使用的多孔介质材料是小孔径的泡沫陶瓷，一方面可以有效储存燃烧区产生的热量，预热燃料混合气，另一方面由于孔径小于火焰的焠熄直径，可以防止燃烧过程中由于操作不当或其他原因引起的回火，同时，小孔泡沫陶瓷板4也可以起到均匀混合气体的作用，从而达到提高燃烧反应速率的作用。冷却腔体1可采用耐热钢0Cr18Ni9焊接而成，顶层布风板5和底层布风板6的材料也可选用0Cr18Ni9加工而成。
具体地，参照图1和图2，大孔泡沫陶瓷板3的下表面与小孔泡沫陶瓷板4相接触设置；底层布风板6和顶层布风板5之间、壳底板16与底层布风板6之间、以及顶层布风板5与小孔泡沫陶瓷板4之间均设有间隙。底层布风板6和顶层布风板5之间设有间隙，从而使混合气体的分布更加均匀。二次风出口12设置有多个，冷却腔体1形成的框架为方形环状，冷却腔体1的四个内侧壁上均设有二次风出口12，冷却腔体1相对的两内侧壁上的二次风出口12交错设置，二次风出口12交错设置防止二次风进入时流股对冲导致能量损失。
具体地，大孔泡沫陶瓷板3的平均孔径为25~35mm，孔隙率为75~85%，孔的排列方式为无序，厚度为20~45mm；小孔泡沫陶瓷板4的平均孔径为0.3~0.5mm，孔隙率为75~85%，孔的排列方式为无序，厚度为15~40mm。
进一步地，参照图3，底层布风板6正对于混合气进口17处为实心部分，实心部分的面积大于或等于混合气进口17的横截面积，底层布风板6环绕其实心部分设有多个第一透气孔，多个第一透气孔的总面积为底层布风板6面积的35~36%；顶层布风板5正对于底层布风板6区域设有多个第二透气孔，多个第二透气孔的总面积为底层布风板6面积的56~57%。底层布风板6上第一透气孔的孔径为2mm，相邻两第一透气孔圆心之间的间距为4mm，相邻两排第一透气孔的间距为2mm。参照图4，顶层布风板5上的第二透气孔的孔径为2mm，相邻两第二透气孔圆心之间的间距为12mm，相邻两排第二透气孔的间距为6mm。底层布风板6和顶层布风板5均采用导热性能良好的耐热钢板加工制成。底层布风板6和顶层布风板5上设置的第一透气孔和第二透气孔使得气流分布均匀，从而提高了燃烧火焰分布的均匀性。
本双层多孔泡沫陶瓷板纯预混气体燃料燃烧器的工作原理如下：向燃烧器内通燃料和空气，预混好的燃料和所需空气的25%（优选25%当然也可选用其它比例）经混合气进口17进入，然后依次经过两层布风板，使混合气流动更加均匀，之后与从顶层布风板5上面的二次风入口15进入所需空气的75%混合，进入预热区内小孔泡沫陶瓷板4，预热区内小孔泡沫陶瓷板4的温度较低，小孔泡沫陶瓷板4可以进一步加强气流混合、预热来流并防止回火，然后进入燃烧区内大孔泡沫陶瓷板3中进行燃烧。
本实施例提出的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，设置冷却腔体1从而避免燃烧器的壳体温度过高，防止壳体变形。另外，设置有顶层布风板5和底层布风板6，从而提高了燃烧火焰分布的均匀性，从而提高了加热的均匀性。同时，因二次风在燃烧腔室中进行预热，从而提高了本燃烧器的燃烧效率。同时，多孔介质预混燃烧与以自由火焰为特征的空间燃烧相比，具有较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等优点，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。
进一步地，参照图1，大孔泡沫陶瓷板3和小孔泡沫陶瓷板4的侧壁与冷却腔体1相接触的位置设有耐火纤维层2，小孔泡沫陶瓷板4的底端和顶层布风板5的底端与冷却腔体1相接触的位置均设有耐火纤维垫片11，从而避免冷却腔体1的温度过高而导致的变形。耐火纤维垫片11为方形环状结构。
进一步地，大孔泡沫陶瓷板3的孔内壁沉积有用于助燃的催化剂，从而对燃烧进行催化，进一步提高了燃烧效率。具体可采用化学沉积的方法在孔内壁附着催化剂。
进一步地，参照图5，冷却腔体1内还设置有用于对二次风进行导向的折流板13，该折流板13位于冷却腔室中，折流板13由冷却腔室的凸台的底壁向冷却腔室的顶壁方向延伸而成。折流板13对二次风进行导向，从而使二次风流过冷却腔体1的各个位置，一方面可以提高冷却腔体1的冷却效果，另一方面提高了对二次风的预热效果。
进一步地，本燃烧器还包括用于支撑小孔泡沫陶瓷板4的耐热钢支架10，该耐热钢支架10焊接在冷却腔体1的凸台上。耐热钢支架10为方形环状结构。底层布风板6通过螺钉7、弹簧垫片8以及平垫圈9安装在焊接于壳底板16的支撑柱14上。
参照图1至图6，本双层多孔泡沫陶瓷板纯预混气体燃料燃烧器，冷却腔体1形成的环状的框架为方形环状，当然也可以为圆形或其它多边形。本燃烧器的几何参数取值如下：
h1：20~45mm； h2：15~40mm； h3：10~20mm；
h4：25~45mm； h5：12~25mm； h6：64~124mm；
h7：5~8mm； L1：104~406mm； L2：68~368mm；
L3：9~38mm； L4：100~400mm； L5：76~376mm；
L7：45~192mm； L8：10~20mm； L9：12~22 mm；
L10：1~4mm； t：2~3mm； a：6~12mm；
b：2~4mm； φ1：59~76 mm； φ2：10.7~17.2mm；
φ3：6~8mm； φ4：10~18 mm；
其中，h1-大孔泡沫陶瓷板3的高度，h2-小孔泡沫陶瓷板4的高度，h3-耐热钢支架10底部与冷却腔体1的凸台之间的距离，h4-冷却腔体1的凸台与壳底板16的底部之间的距离，h5-支撑柱14的高度，h6-折流板13的长度，h7-二次风入口15到顶层布风板5的距离，L1-顶层布风板5的边长，L2-底层布风板6的边长，L3-两个相邻二次风出口12圆心之间的距离，L4-大孔泡沫陶瓷板3和小孔泡沫陶瓷板4的边长，L5-壳底板16的边长，L6-冷却腔体1的边长，L7-燃烧器中心到折流板13的距离，L8-折流板13的弯折宽度，L9-冷却腔体1的厚度，L10-耐火纤维层2的厚度，t-顶层布风板5、底层布风板6及耐火纤维垫片11的厚度，a-耐热钢支架10的长度，b-耐热钢支架10的厚度，φ1-混合气进口17的直径，φ2-二次风入口15的直径，φ3-二次风出口12的直径，φ4-支撑柱14的直径。
应用本发明燃烧器有关工艺参数如下（以下数据当量比为1）：
气体燃料：天然气，高炉煤气，焦炉煤气，液化气，甲烷等；
一次风空气流量（空气为常温）：0.5~13m3/h；
二次风空气流量（空气为常温）：1.5~40m3/h；
燃气流量（燃料以天然气为例）：0.2~5.5m3/h；
燃烧效果：未燃烃，氮化物和硫化物含量低于35ppm，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800~6000kcal/m3（3344~25080kJ/m3）甚至以上的气体燃料。本发明提出的燃烧器可广泛应用于冶金、化工、能源等行业。使用本燃烧器的燃烧效果：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35ppm，一氧化碳低于20ppm。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，包括壳体、大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板以及底层布风板，其中，所述壳体包括环状结构的冷却腔体以及安装于所述冷却腔体上的壳底板，所述冷却腔体设有用于供二次风通过的冷却腔室，所述冷却腔体的底部设有与所述冷却腔室连通的二次风入口，所述冷却腔体的内侧壁上设有与所述冷却腔室连通的二次风出口，在所述冷却腔体形成的环状的框架中，由上至下依次设置所述大孔泡沫陶瓷板、小孔泡沫陶瓷板、顶层布风板、底层布风板以及壳底板，所述二次风出口位于所述小孔泡沫陶瓷板与所述顶层布风板之间，所述壳底板上设有供燃料与空气的混合气体进入的混合气进口，燃料与空气的混合气体经所述混合气进口进入到所述框架中，经所述底层布风板和顶层布风板使混合气体混合，并与经所述二次风出口流出的二次风一起进入所述小孔泡沫陶瓷板中进一步混合后，进入到所述大孔泡沫陶瓷板内燃烧；所述大孔泡沫陶瓷板和小孔泡沫陶瓷板的侧壁与所述冷却腔体相接触的位置设有耐火纤维层，所述小孔泡沫陶瓷板的底端和所述顶层布风板的底端与所述冷却腔体相接触的位置均设有耐火纤维垫片；所述大孔泡沫陶瓷板的孔内壁沉积有用于助燃的催化剂；所述底层布风板正对于所述混合气进口处为实心部分，所述实心部分的面积大于或等于所述混合气进口的横截面积，所述底层布风板环绕其实心部分设有多个第一透气孔，多个所述第一透气孔的总面积为所述底层布风板面积的35~36%；所述顶层布风板正对于所述底层布风板区域设有多个第二透气孔，多个所述第二透气孔的总面积为所述底层布风板面积的56~57%。
2.如权利要求1所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，所述大孔泡沫陶瓷板的下表面与所述小孔泡沫陶瓷板相接触设置；所述底层布风板和所述顶层布风板之间、所述壳底板与所述底层布风板之间、以及所述顶层布风板与所述小孔泡沫陶瓷板之间均设有间隙。
3.如权利要求1所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，所述二次风出口设置有多个，所述冷却腔体形成的框架为方形环状，所述冷却腔体相对的两内侧壁上的二次风出口交错设置。
4.如权利要求1所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，所述冷却腔体内还设置有用于对二次风进行导向的折流板，该折流板位于所述冷却腔室中，所述折流板由所述冷却腔室的凸台的底壁向所述冷却腔室的顶壁方向延伸而成。
5.如权利要求4所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，还包括用于支撑所述小孔泡沫陶瓷板的耐热钢支架，该耐热钢支架焊接在所述冷却腔体的凸台上。
6.如权利要求5所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，所述底层布风板通过螺钉、弹簧垫片以及平垫圈安装在焊接于所述壳底板的支撑柱上。
7.如权利要求6所述的双层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于，几何参数取值如下：
h1：20~45mm； h2：15~40mm； h3：10~20mm；
h4：25~45mm； h5：12~25mm； h6：64~124mm；
h7：5~8mm； L1：104~406mm； L2：68~368mm；
L3：9~38mm； L4：100~400mm； L5：76~376mm；
L7：45~192mm； L8：10~20mm； L9：12~22 mm；
L10：1~4mm； t：2~3mm； a：6~12mm；
b：2~4mm； φ1：59~76 mm； φ2：10.7~17.2mm；
φ3：6~8mm； φ4：10~18 mm；
其中，h1-大孔泡沫陶瓷板的高度，h2-小孔泡沫陶瓷板的高度，h3-耐热钢支架底部与冷却腔体的凸台之间的距离，h4-冷却腔体的凸台与壳底板的底部之间的距离，h5-支撑柱的高度，h6-折流板的长度，h7-二次风入口到顶层布风板的距离，L1-顶层布风板的边长，L2-底层布风板的边长，L3-两个相邻二次风出口圆心之间的距离，L4-大孔泡沫陶瓷板和小孔泡沫陶瓷板的边长，L5-壳底板的边长， L7-燃烧器中心到折流板的距离，L8-折流板的弯折宽度，L9-冷却腔体的厚度，L10-耐火纤维层的厚度，t-顶层布风板、底层布风板及耐火纤维垫片的厚度，a-耐热钢支架的长度，b-耐热钢支架的厚度，φ1-混合气进口的直径，φ2-二次风入口的直径，φ3-二次风出口的直径，φ4-支撑柱的直径；φ1小于L2。
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