CN104595897A - 一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器 - Google Patents

一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括由冷却腔和壳底板构成的燃烧器壳体，及壳体空腔内由上至下依次设置泡沫陶瓷板、蜂窝陶瓷板、耐热钢支架、顶层布风板、底层布风板和支撑柱。燃气和所需空气的25％～30％，当量比为1，混合后从混合气进口进入壳体内腔，依次经有间距的底层和顶层布风板，使混合气流动分布更均匀，之后与从二次风进口进入的70％～75％的空气混合，当量比为1，混匀的气体通过蜂窝陶瓷板后在泡沫陶瓷板内部及表面燃烧。本燃烧器可单体使用，或若干个燃烧器单体组合使用，可燃烧热值范围在800～6000kcal/m3及以上的多种气体燃料，可广泛用于冶金、化工、能源、机械等行业。

Description

一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，具体地说是涉及一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器。
背景技术
随着我国经济的迅猛发展，能源和环境问题越来越成为人们关注的重点。我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调发展的可持续发展道路。然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态遭到持续破坏等一系列问题，日益严重的能源和环境问题也已成为制约我国经济发展的瓶颈之一。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大气式燃烧，该种燃烧方式的不足主要体现在：火焰面附近的温度梯度陡而且分布不均，局部高温区的存在会生成大量NOx，从而造成大气严重污染；燃烧反应完成需要较大的空间；热效率低，气体的导热性能和辐射性能较差；燃烧稳定性比较差，燃烧负荷调节能力小。考虑到我国的能源及环境形势，我国燃烧设备的节能减排需求必将更加强烈。
相比于以自由火焰为特征的空间燃烧技术，多孔介质燃烧技术是最近十余年国际燃烧技术领域发展的一种全新的燃烧方式，这种燃烧没有明火焰，NOx和CO等污染物的生成显著降低。由于整体温度的显著提高和辐射传热的增加，燃烧热利用效率大大提高。另外多孔介质燃烧技术对使用低热值燃料,如高炉煤气、有机废气等具有明显优势。由于集节能、减排、环保于一身，多孔介质燃烧技术被国际燃烧界誉为“21世纪最有发展前途的燃烧技术”，多孔介质燃烧器是一种高效节能的燃烧器。因此，发展一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器具有极大的市场潜力。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有燃烧器在工业应用中的加热不均匀，加热效率低，能耗及污染物排放高等问题，而提供一种高性能的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，用于改善加热质量，提高加热效率，减少污染物排放，节约能源。
为了实现上述目的，本发明采取的技术措施是：提供一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括冷却腔、泡沫陶瓷板、壳底板、混合气进口和冷却风进口，所述的冷却腔和壳底板构成燃烧器壳体，壳体内由上至下依次设置泡沫陶瓷板、蜂窝陶瓷板、耐热钢支架、顶层布风板、底层布风板和支撑柱；
在壳底板中心安装有混合气进口，燃气与部分空气先通过三通管混合后从混合气进口进入壳体内腔，在壳底板中还设有内锥形取压管；在壳底板内侧焊接有支撑柱，在支撑柱上通过螺钉、弹簧垫片，平垫圈安装有底层布风板；
所述的冷却腔用于冷却四周的腔体，防止腔体温度过高导致变形；所述的冷却腔在底部两侧各设有一个冷却风进口，在冷却腔的内侧壁中下部设有一个凸台，使冷却腔上部内腔小，下部内腔大；在冷却腔内侧壁凸台处通过矩形环状垫片安放顶层布风板，在顶层布风板上安放有耐热钢支架，冷却腔内侧壁在凸台其中的两侧与耐热钢支架之间各设有一排二次风进口，两侧的二次风进口的孔口相对、交错布置；所述冷空气通过冷却风进口进入冷却腔中，冷空气通过折流板的导流作用，折流后从二次风进口进入顶层布风板与蜂窝陶瓷板之间的空腔中，与从混合气进口进入的部分预混合的空、燃气再次混合；燃烧所需70％～75％的空气量，当量比为1，通过二次风进口进入；
所述的耐热钢支架上平面框架形状与燃烧器一致，框架中间焊有十字架结构，十字架结构用于更好的支撑上方的蜂窝陶瓷板；
所述的蜂窝陶瓷板的外形为槽状，槽边框为蜂窝陶瓷板无孔区，槽底面为蜂窝陶瓷板有孔区，蜂窝陶瓷板有孔区中的小孔平均孔径为2mm，孔为交叉排列的直通孔；槽状蜂窝陶瓷板内放置有多孔泡沫陶瓷板；
所述的多孔泡沫陶瓷板为燃烧区域，混匀后的混合气体通过蜂窝陶瓷板后在多孔泡沫陶瓷板内部及表面燃烧。
所述冷却腔、壳底板材料采用耐高温合金钢，耐热钢支架和布风板材料选用0Cr18Ni9钢，顶层和底层布风板上有孔，平均孔径为2mm，孔为直通孔、交叉排列；多孔泡沫陶瓷板的材料为氧化锆或碳化硅，蜂窝陶瓷板采用轻质Al2O3蜂窝陶瓷板。
所述的多孔泡沫陶瓷板的孔为无序孔，平均孔径为0.5～1mm，孔隙率为75％～85％。
所述的燃烧器在空气为常温下，一次风空气流量：0.3～9.5m3/h；二次风空气流量：1～55m3/h；燃气流量：0.1～6.5m3/h；当量比：0.6～1.0；燃烧强度：150～300kW/m2。
所述燃烧气体燃料为天然气、高炉煤气、焦炉煤气、高焦混合煤气或石油液化气。
所述的燃烧器为燃烧器单体使用，或是若干个燃烧器单体拼成工艺所需形状的燃烧器组合体共同使用。
所述的若干个燃烧器单体组成组合燃烧器时，使用过程中更换燃烧器单体时，不会影响其他燃烧器单体的工作。
本发明中燃烧区陶瓷板的材料为氧化锆或碳化硅，为多孔介质材料陶瓷板，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，如天然气等燃烧。泡沫陶瓷板属于燃烧区，陶瓷板燃烧温度不超过1100℃，陶瓷板大小取决于被加热对象以及陶瓷生产厂家的生产能力，厚度为35～50mm，无序孔大小为20～40ppi(即每英寸上有20～40个孔)，孔隙率为75％～85％。陶瓷板尺寸为100mm×100mm～360mm×360mm。陶瓷板越大，越不容易保持燃烧温度的均匀性，且越容易破碎。燃烧器外壳材料采用耐热钢焊接成空心结构。
本发明的燃烧器具体尺寸根据蜂窝陶瓷板长度和冷却腔的厚度确定，也根据燃烧器横截面形状确定。本发明中的燃烧器的横截面形状也可以根据使用的要求制成为圆形，矩形或者其他多边形。
本发明的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器具有如下优点：
①应用本发明的燃烧器可以燃烧热值变化范围在800～6000kcal/m3甚至以上的气体燃料，燃烧强度：150～300kW/m2，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25ppm。
②本发明燃烧器可单体使用，或是若干个燃烧器单体拼成任意形状的燃烧器组合体共同使用，可广泛应用于冶金、化工、能源、机械等行业。
附图说明
图1为本发明部分预混气体燃料燃烧器的轴向剖面结构示意图。
图2为图1的A－A向剖视图。
图3为本发明中的耐热钢支架结构示意图。
图4为本发明中的顶层布风板结构示意图。
图5为本发明中底层布风板结构示意图。
图6为本发明中蜂窝陶瓷板结构主视示意图。
图7为图6俯视示意图。
图8为图7中局部结构放大示意图。
上述图中：1-冷却腔，2-泡沫陶瓷板，3-蜂窝陶瓷板，4-耐热钢支架，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-折流板，11-二次风进口，12-矩形环状垫片，13-支撑柱，14-冷却风进口，15-壳底板，16-混合气进口，17-内锥形取压管，31--蜂窝陶瓷板无孔区，32-蜂窝陶瓷板有孔区，61-底层布风板无孔区，62-底层布风板有孔区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
实施例1：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，本实施例提供四种规格的燃烧器，燃烧器的横截面形状为方形，气体燃料使用天然气，本燃烧器可以通过多组排列组合，应用于钢铁或机械行业热处理炉。燃烧器结构如图1、2所示。燃烧器主体包括冷却腔1、泡沫陶瓷板2、轻质Al2O3蜂窝陶瓷板3、耐热钢支架4、顶层布风板5、底层布风板6、螺钉7、弹簧垫片8、平垫圈9、折流板10、二次风进口11、矩形环状垫片12、支撑柱13、冷却风进口14、壳底板15、混合气进口16、内锥形取压管17，其中，燃烧器壳体由冷却腔和壳底板构成。
在壳体内的空腔中，由上至下依次设置泡沫陶瓷板2、轻质Al2O3蜂窝陶瓷板3、耐热钢支架4、顶层布风板5、底层布风板6和支撑柱13。泡沫陶瓷板2的材料为氧化锆，燃料在氧化锆的泡沫陶瓷板2中燃烧温度不超过1100℃。泡沫陶瓷板2放置在轻质Al2O3蜂窝陶瓷板3的槽中，蜂窝陶瓷板下面是耐热钢支架4。耐热钢支架4的结构参见图3，耐热钢支架上平面的框架四周采用宽度为10mm，厚度为5mm的钢板条焊接，框架中间采用宽度为5mm的钢板条焊接成十字架结构。
在耐热钢支架的平面框架下面其中相对的两侧内壁上分别开有一排二次风进口11，两排的二次风进口相对，孔口交错布置，燃烧所需70％～75％的空气量(当量比为1)通过冷却风进口14进入，经折流板10后从二次风进口11进入，在蜂窝陶瓷板3下与从混合气进口16进入的部分预混气体进行混合。耐热钢支架4下面是顶层布风板和底层布风板。
顶层布风板5的结构参见图4，顶层布风板通过耐火纤维的矩形环状垫片13坐落在冷却腔1的凸台上。顶层布风板上分布有小孔，小孔孔径为2mm，相邻两排小孔的间距为6mm，相邻两孔圆心的间距为12mm，小孔区域的面积占整个面板面积的55％～60％。
底层布风板6的结构参见图5，底层布风板分无孔区域和有孔区域，底层布风板的边部和中心为底层布风板无孔区域61，中心的无孔区域边长等于混合气进口16的直径，底层布风板有孔区域62的小孔孔径为2mm，相邻两孔圆心距为4mm，相邻两排小孔间距为2mm，有孔区域的面积占整个面板面积的35％～40％。底层布风板6通过螺钉7、弹簧垫片8，平垫圈9安装在焊接于壳底板15的支撑柱13上。顶层布风板与底层布风板之间有一定距离，使混合气流动分布更加均匀。
在壳底板中心安装部分预混燃气和空气的混合气进口16，燃气与燃烧所需25％～30％的空气(当量比为1)先通过三通管混合然后从混合气进口16进入。冷却腔底面设有两个冷却风进口14，由于燃烧器的加热强度大，燃烧区温度迅速上升，冷却腔内的冷却空气一方面用来冷却燃烧器腔体，防止燃烧器腔体温度过高导致变形，另一方面冷空气通过折流板的导流作用从二次风进口11进入与燃气混合燃烧。
本燃烧器的轻质Al2O3蜂窝陶瓷板3的结构参见图6、7、8，蜂窝陶瓷板3外形为槽状，槽边框为蜂窝陶瓷板无孔区31，槽底面为蜂窝陶瓷板有孔区32，蜂窝陶瓷板有孔区中的孔为直通孔交叉排列，小孔平均孔径为2mm，相邻两孔圆心的间距为3mm，相邻两排小孔的间距为2mm，四周无孔区域的宽度为5mm。蜂窝陶瓷板内放置有多孔泡沫陶瓷板2。
本实施例1几何尺寸可以按下表组别1进行取值：
表1 燃烧器几何尺寸
表1中：h1-冷却腔顶部到折流板顶部的距离，h2-泡沫陶瓷板厚度，h3-蜂窝陶瓷板的底部厚度，h4-耐热钢支架上平面框架钢板条厚度，h5-冷却腔凸台与燃烧器底部距离，h6-支撑柱高度，L1-底层布风板边长，L2-混合气通道边长，L3-顶层布风板、耐热钢支架和蜂窝陶瓷板边长，L4-两冷却风进口管中心距，L5-冷却腔上部腔体厚度，L6-蜂窝陶瓷板四周槽壁厚度，L7-泡沫陶瓷板边长，L8-相邻二次风进口两孔间距，L9-顶层布风板中心到折流板的距离，L10-折流板弯折宽度，t-布风板及矩形环状垫片厚度，-混合气管道内径，-冷却风管道外径，-二次风进口的孔径。
本发明燃烧器外形具体尺寸根据蜂窝陶瓷板长度和冷却腔的厚度确定，也根据燃烧器横截面形状确定。
本实施例的燃烧器工作过程为(按照当量比为1)：一次风按理论空气量的25％供给。从混合气进口16向燃烧器内通入预混好的天然气燃料和所需空气的25％，混合气依次经过两层布风板，使混合气流动分布均匀，从冷却风进口14进入冷却腔的冷却风，经过折流板导流之后从二次风进口11进入带进所需75％的空气，在顶层布风板上与预混好面的混合气再混合，混合气通过蜂窝陶瓷板3进入内其内泡沫陶瓷板2燃烧区燃烧。
表2泡沫陶瓷板尺寸为100mm×100mm，空气不预热时燃烧器供天然气和空气流量
实施例2：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其结构同实施例1基本一样，不同的是燃烧器具体几何尺寸按表1组别2进行取值，泡沫陶瓷板2的材料为碳化硅，泡沫陶瓷板的尺寸为200mm×200mm，燃烧器的横截面形状为正方形，本实施例的燃烧器可以通过多组排列组合，可应用于钢铁或机械行业热处理炉。
表3空气不预热时燃烧器供天然气和空气流量
实施例3：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其结构同实施例1基本一样，不同的是燃烧器具体几何尺寸按表1组别3进行取值，泡沫陶瓷板2的尺寸为300mm×300mm，燃烧器的横截面形状为正方形，本燃烧器可以通过多组排列组合，应用于钢铁或机械行业热处理炉。当若干个燃烧器单体组合燃烧器时，使用过程中更换燃烧器单体时，不会影响其他燃烧器单体的工作。
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25ppm。燃烧器天然气和空气流量及燃烧强度见表4。
表4空气不预热时燃烧器供天然气和空气流量
实施例4：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其结构同实施例1基本一样，不同的是燃烧器具体几何尺寸按表1组别4进行取值，泡沫陶瓷板2的尺寸为360mm×360mm，燃烧器的横截面形状为正方形，本燃烧器可以通过多组排列组合，应用于钢铁或机械行业热处理炉。当若干个燃烧器单体组合燃烧器时，使用过程中更换燃烧器单体时，不会影响其他燃烧器单体的工作。
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25ppm。燃烧器天然气和空气流量及燃烧强度见表5。
表5空气不预热时燃烧器供天然气和空气流量
上述实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他实质等同手段，均在本发明权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，包括冷却腔、泡沫陶瓷板、壳底板、混合气进口和冷却风进口，其特征在于：所述的冷却腔和壳底板构成燃烧器壳体，壳体内由上至下依次设置泡沫陶瓷板、蜂窝陶瓷板、耐热钢支架、顶层布风板、底层布风板和支撑柱；
在壳底板中心安装有混合气进口，燃气与部分空气先通过三通管混合后从混合气进口进入壳体内腔，在壳底板中还设有内锥形取压管；在壳底板内侧焊接有支撑柱，在支撑柱上通过螺钉、弹簧垫片，平垫圈安装有底层布风板；
所述的冷却腔用于冷却四周的腔体，防止腔体温度过高导致变形；所述的冷却腔在底部两侧各设有一个冷却风进口，在冷却腔的内侧壁中下部设有一个凸台，使冷却腔上部内腔小，下部内腔大；在冷却腔内侧壁凸台处通过矩形环状垫片安放顶层布风板，在顶层布风板上安放有耐热钢支架，冷却腔内侧壁在凸台其中的两侧与耐热钢支架之间各设有一排二次风进口，两侧的二次风进口的孔口相对、交错布置；所述冷空气通过冷却风进口进入冷却腔中，冷空气通过折流板的导流作用，折流后从二次风进口进入顶层布风板与蜂窝陶瓷板之间的空腔中，与从混合气进口进入的部分预混合的空、燃气再次混合；燃烧所需70％～75％的空气量，当量比为1，通过二次风进口进入；
所述的耐热钢支架上平面框架形状与燃烧器一致，框架中间焊有十字架结构，十字架结构用于更好的支撑上方的蜂窝陶瓷板；
所述的蜂窝陶瓷板的外形为槽状，槽边框为蜂窝陶瓷板无孔区，槽底面为蜂窝陶瓷板有孔区，蜂窝陶瓷板有孔区中的小孔平均孔径为2mm，孔为交叉排列的直通孔；槽状蜂窝陶瓷板内放置有多孔泡沫陶瓷板；
所述的多孔泡沫陶瓷板为燃烧区域，混匀后的混合气体通过蜂窝陶瓷板后在多孔泡沫陶瓷板内部及表面燃烧。
2.根据权利要求1所述的单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、壳底板材料采用耐高温合金钢，耐热钢支架和布风板材料选用0Cr18Ni9钢，顶层和底层布风板上有孔，平均孔径为2mm，孔为直通孔、交叉排列；多孔泡沫陶瓷板的材料为氧化锆或碳化硅，蜂窝陶瓷板采用轻质Al2O3蜂窝陶瓷板。
3.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于：所述的多孔泡沫陶瓷板的孔为无序孔，平均孔径为0.5～1mm，孔隙率为75％～85％。
4.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于：所述的燃烧器在空气为常温下，一次风空气流量：0.3～9.5m3/h；二次风空气流量：1～55m3/h；燃气流量：0.1～6.5m3/h；当量比：0.6～1.0；燃烧强度：150～300kW/m2。
5.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于：所述燃烧气体燃料为天然气、高炉煤气、焦炉煤气、高焦混合煤气或石油液化气。
6.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于：所述的燃烧器为燃烧器单体使用，或是若干个燃烧器单体拼成工艺所需形状的燃烧器组合体共同使用。
7.根据权利要求1或6所述的单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器，其特征在于：所述的若干个燃烧器单体组成组合燃烧器时，使用过程中更换燃烧器单体时，不会影响其他燃烧器单体的工作。
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