CN104879753B - 一种单层多孔泡沫陶瓷板全预混气体燃料燃烧器 - Google Patents

一种单层多孔泡沫陶瓷板全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全预混气体燃料燃烧器，包括冷却腔和壳底板构成的燃烧器壳体，壳体的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、支撑柱。燃料和空气通过三通管混合后从混合气进口进入，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，混合均匀的气体在泡沫陶瓷板内部及表面燃烧。本发明的燃烧器可单体使用，或由若干个燃烧器单体组合使用，可燃烧热值变化范围在800～6000kcal/m3及以上的多种气体燃料，本发明燃烧器可广泛应用于冶金、化工、能源、机械等行业。

Description

一种单层多孔泡沫陶瓷板全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全预混气体燃料燃烧器。
背景技术
随着我国工业的不断发展，日益严重的能源和环境问题已成为制约我国经济发展的瓶颈之一。一方面，我国能源紧缺和环境污染问题突出；另一方面，我国的能源利用水平相对发达国家还比较低，突出表现为：能源利用率低，能源利用质量低，燃烧过程污染物排放多。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，这种传统的预混燃烧具有很薄的自由火焰，其燃烧不可避免地会有温度分布不均、燃烧区域狭小、污染物排放高等缺点，这主要是由于气体的导热性能和辐射性能较差，气体流场难以达到均匀分布，气体传热不充分。燃烧化学反应在一个很窄的区域内进行，燃烧室的其它空间不发生化学反应，所以燃烬度和污染物排放量较高。而在燃烧区域内加入导热系数和辐射率较高的固体多孔介质材料则可以改变这一缺陷。相对于自由火焰为特征的有焰预混燃烧来说，多孔介质预混燃烧是一项燃烧途径完全不同的燃烧方式。预混气体在多孔介质中的燃烧具有很多优点：如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、完全燃烧等，燃烧产物中污染物如NOx、CO等的含量非常少。因此，需要开发多孔介质燃烧器，特别是发展一种单层多孔泡沫陶瓷板全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工业应用中的燃烧器加热不均匀，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、且节约能源的单层多孔泡沫陶瓷板全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。
为实现上述目的，本发明采取的技术措施是：提供一种单层多孔泡沫陶瓷板全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的壳体，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，在冷却腔上表面四周设有一圈冷却风出口，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；
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地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、顶层和底层布风板材料采用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中的孔为无序孔，平均孔径为0.5～1mm，孔隙率为75％～85％。
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。
所述的燃烧器在空气为常温下，空气流量：1.5～65m3/h；天然气流量：0.1～6.5m3/h；当量比：0.6～1.0；燃烧强度：150～300kW/m2。
所述的燃烧器为燃烧器单体使用，或是由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。
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，能适用于高热值气体燃料，如天然气等燃气燃烧。本发明中泡沫陶瓷板为燃烧区域，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。但是陶瓷板越大，越不容易保持燃烧温度的均匀性，且越容易破碎。
本发明中的燃烧器外壳材料采用耐热钢焊接成空心结构。燃烧器气体流动和燃烧的轴向截面为正方形，矩形、也可以为圆形或其它多边形。
本发明的单层多孔泡沫陶瓷板全预混气体燃料燃烧器具有如下的优点：
①应用本发明的燃烧器可以燃烧热值变化范围在800～6000kcal/m3，甚至燃烧热值更高的气体燃料，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40ppm，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为本发明单层多孔泡沫陶瓷板全预混气体燃料燃烧器的轴向剖面结构示意图。
图2为图1的俯视示意图。
图3本发明中的耐热钢支架上平面框架结构示意图。
图4为本发明中的顶层布风板结构示意图。
图5为本发明中的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-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-蜂窝陶瓷板、10-矩形环状垫片、11-支撑柱、12-冷却风进口、13-壳底板、14-混合气进口、15-冷却风出口、16-内锥形取压管、51-底层布风板无孔区，52-底层布风板有孔区、91--蜂窝陶瓷板无孔区，92-蜂窝陶瓷板有孔区。
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全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。四种规格的燃烧器可以单体使用，也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。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，耐热钢支架3，顶层布风板4，底层布风板5，螺钉6，弹簧垫片7，平垫圈8，轻质Al2O3蜂窝陶瓷板9，矩形环状垫片10，支撑柱11，冷却风进口12，壳底板13，混合气进口14，冷却风出口15，内锥形取压管16，其中，燃烧器壳体由冷却腔1和壳底板13构成。
在壳体的空腔内，由上至下依次设置泡沫陶瓷板2、轻质Al2O3蜂窝陶瓷板9、耐热钢支架3、顶层布风板4、底层布风板5、支撑柱11。泡沫陶瓷板2的材料是氧化锆，燃料在氧化锆的泡沫陶瓷板2中燃烧温度不超过1100℃。
耐热钢支架3的结构参见图3，耐热钢支架的上平面方形框架采用宽度为10mm，厚度为5mm的钢板条焊接而成，中间也用宽度为5mm的钢板条焊接出十字形钢架。
顶层布风板4的结构参见图4，顶层布风板4通过耐火纤维的矩形环状垫片10坐落在冷却腔的凸台上。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5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51，中心的无孔区域边长等于混合气进口14的直径，底层布风板有孔区域52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5通过螺钉6、弹簧垫片7，平垫圈8安装在焊接于壳底板13的支撑柱11上。顶层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13中间是预混燃气和空气的混合气进口14，燃气与空气先通过三通管混合然后从混合气进口14进入。冷却腔1下面有两个冷却风进口12，冷却风从冷却风进口12进入，从冷却风出口15排出。由于燃烧器燃烧强度大，燃烧区温度迅速上升，同时向壳体传热，冷却腔内的冷却空气用来冷却腔体，防止腔体温度过高导致变形。设在壳底板13中的内锥形取压管16的内径为8mm。
本燃烧器的轻质Al2O3蜂窝陶瓷板9的结构参见图6、7、8，蜂窝陶瓷板9外形为槽状，槽边框为蜂窝陶瓷板无孔区91，槽底面为蜂窝陶瓷板有孔区92，蜂窝陶瓷板有孔区中的孔为交叉排列的直通孔；小孔平均孔径为2mm，相邻两排小孔的间距为2mm，每排相邻两孔圆心的间距为3mm，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的几何尺寸可以按下表组别1进行取值：
下表1中：h1-泡沫陶瓷板厚度，h2-蜂窝陶瓷板的底部厚度，h3-耐热钢支架上平面框架的厚度，h4-冷却腔凸台与燃烧器底部距离，h5-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-冷却风两进口之间的距离，L5-冷却腔上部腔体厚度，L6-蜂窝陶瓷板四周壁面的厚度，L7-多孔介质边长，L8-冷却风相邻出口之间的距离，t-布风板及矩形环状耐火纤维垫片厚度，-混合气管道内径，-冷却风管道内径，-冷却风出口小孔的孔径。
表1燃烧器几何尺寸
本发明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。
应用本发明装置，点火前，先打开冷却风进口12前面的冷却空气管道阀门，使用过程中一直通过冷却风冷却燃烧器壳体。然后经混合气进口14向燃烧器内通入按一定比例预混好的天然气、空气混合气，混合气依次经过两层布风板使得气流分布均匀，之后通过轻质Al2O3蜂窝陶瓷板9进入燃烧区泡沫陶瓷板2燃烧。
表2泡沫陶瓷板尺寸为100mm×100mm，空气不预热时燃烧器天然气和空气流量
实施例2：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板全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。
表3空气不预热时燃烧器燃气和空气流量
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。当若干个燃烧器单体组合成组合燃烧器时，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。
实施例3：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板全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。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燃气和空气流量
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。
实施例4：本发明提供一种单层多孔泡沫陶瓷板全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中组别4进行取值，泡沫陶瓷板2的材料为碳化硅，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燃气和空气流量
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。
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 (5)

1.一种单层多孔泡沫陶瓷板全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，所述冷却腔、壳底板材料采用耐高温合金钢，耐热钢支架、顶层和底层布风板材料采用0Cr18Ni9钢，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；其特征在于：所述的冷却腔和壳底板构成燃烧器的壳体，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，中心的无孔区域边长等于混合气进口的直径，底层布风板有孔区域的小孔孔径为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％；
所述的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％；
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，在冷却腔上表面四周设有一圈冷却风出口，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；
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地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中的孔为无序孔，平均孔径为0.5～1mm，孔隙率为75％～85％；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全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。
3.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板全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，空气流量：1.5～65m3/h；天然气流量：0.1～6.5m3/h；当量比：0.6～1.0；燃烧强度：150～300kW/m2。
4.根据权利要求1所述的单层多孔泡沫陶瓷板全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，或是由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。
5.根据权利要求4所述的单层多孔泡沫陶瓷板全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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