CN105650624B - 一种煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉,有效解决如何在低氮氧化物燃烧状态下，稳定而高温的热风输送问题，燃烧室墙体和燃烧器墙体连接，燃烧器墙体装在蓄热室墙体上，燃烧器墙体上的空气和煤气进气管连空气与煤气分配环道，空气分配环道上下部的空气上喷嘴和下喷嘴连预混预燃环道，煤气分配环道上部的煤气喷嘴接预混预燃环道，燃烧器墙体上有热风出口管，蓄热室墙体砌筑在炉底上，炉底上的支撑环墙顶部有炉箅子，炉箅子上有蓄热体，炉箅子下部为冷风分配室，蓄热室墙体上有烟气出口管和冷风进口管，本发明降低了燃烧温度与抑制氮氧化物的生成，节省燃料、节约投资、降低废气温度与有害气体的排放量。

Description

一种煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉

技术领域

本发明涉及蓄热式加热炉与热风炉，特别是用于为热利用设备提供高温气流的一种煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉。

背景技术

当前，热风炉（加热炉）从节能与环保上考虑要求在燃烧低热值煤气下实现稳定的运行状态与优化的使用性能，并获得所需的热风温度和较低的氮氧化物排放，最终达到高效、节能、环保、增产的目的。为此，首先在热风炉中必须实现优化的燃烧过程与强化的传热过程相结合炉内过程，这就涉及到燃烧装置的结构、蓄热体结构与布置、以及气流流场的组织；其次必须通过控制煤气与空气混合过程，有效降低燃烧温度和降低氮氧化物的生成。纵观目前使用的各种蓄热式热风炉（加热炉）,均设置各种气体燃烧装置以实现煤气与空气混合、预热、着火燃烧的气体燃料燃烧的常规过程，且在实施过程中设计的各种燃烧装置总能一定程度克服气流混合不均、燃烧不完全、燃烧室空间大、燃烧器结构复杂等问题。但是也普遍存在燃烧室与蓄热室中的气流组织不当（流速选择、气流分配与控制、旋流与回流状态的应用等）而导致的燃烧室中燃烧气流特征难以控制、气流不易稳定且燃烧强度低，进而引起蓄热室中温度与气流速度分布的不均匀，从而降低传热效果与蓄热体的利用率，且不易获取高风温。此外，随着燃烧烟气排放标准的提高，采用粗放式的提高燃烧温度来实行高的热风温度的办法越来越行不通，而降低氮氧化物含量的清洁燃烧随之提上了议事日程。为此，降低燃烧温度减少氮氧化物生成的燃烧过程，以及在较低的燃烧温度下获得较高的燃烧温度传热过程都必须应用到目前的热风炉上。因此，结合热利用设备对热风（热气体）稳定而高温的需求，参照国家对高效、节能与环保的要求，在热风炉的技术上必须更加注重燃烧室与蓄热室结构、燃烧器气流混合结构、以及蓄热体结构的细节上的改进，并力求通过热风炉整体结构的改进而实现气流流场的均匀分布和热工性能的稳定，并符合节能环保的要求。

发明内容

为克服上述技术缺陷，本发明提供一种煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，有效解决如何在低氮氧化物燃烧状态下，稳定而高温的热风输送问题。

本发明解决的技术方案是，包括燃烧室墙体、燃烧室、热风出口管，燃烧器墙体、煤气进气管、空气进气管、煤气分配环道、空气分配环道、煤气喷嘴、蓄热室墙体、蓄热室、蓄热体、冷风进口管、烟气出口管、冷风分配室、炉箅子和炉底，燃烧室墙体为半椭球形的拱顶，燃烧室墙体和下部的圆筒状的燃烧器墙体同轴连接，燃烧器墙体经下部的托圈支撑固定在蓄热室墙体的外炉壳上，燃烧室墙体围成的空间为燃烧室，燃烧器墙体围成的空间为燃烧器，蓄热室墙体围成的空间为蓄热室，蓄热室内堆砌有蓄热体，蓄热室墙体的上部呈收缩状插入到燃烧器墙体内，与燃烧器墙体的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体上垂直其轴线上下对应布置有空气进气管和煤气进气管，空气进气管和煤气进气管分别连接砌筑在燃烧器墙体内的空气分配环道与煤气分配环道，空气分配环道在煤气分配环道的上方，空气分配环道的内侧环墙（靠近燃烧器的一侧为内侧，和空气进气管相连接的一侧为外侧）上部与下部分别均布有多个空气上喷嘴与多个空气下喷嘴，空气上喷嘴和空气下喷嘴均呈水平倾斜状连通预混预燃环道，预混预燃环道为置于燃烧器墙体的内壁与空气分配环道的内侧环墙之间的环形通道，煤气分配环道的内侧环墙（靠近燃烧器的一侧为内侧，和煤气进气管相连接的一侧为外侧）上部有均布有多个煤气喷嘴，煤气喷嘴以水平转折向上的方式接通预混预燃环道的底部，与空气下喷嘴在预混预燃环道的底部呈对应的垂直对冲状态，燃烧器墙体上部的外壁上设置有与预混预燃环道连通的热风出口管，热风出口管将空气分配环道阻隔呈部分断开形成缺口的环形，蓄热室墙体砌筑在炉底上，炉底上面砌筑有两环用以支撑炉箅子的同心的支撑环墙，支撑环墙上均布有多个气流连通孔，支撑环墙的顶部支撑着铸铁制的炉箅子，炉箅子上有堆砌至燃烧室内的蓄热体，炉箅子下部的蓄热室墙体与炉底围成的空间为冷风分配室，冷风分配室自外沿向中心被两环同心的支撑环墙依次分隔为冷风室外环道、冷风室内环道、中心室，冷风室外环道、冷风室内环道、中心室经支撑环墙上的多个气流连通孔相互连通，冷风分配室和设置在蓄热室墙体上的烟气出口管和冷风进口管相连通。

本发明是在现有热风炉炉型结构基础上按照分级预混燃烧原理进行改进与创新而设计的一种新炉型。从预混预燃环道底部经喷嘴进入的煤气先与空气下喷嘴喷入的空气进行一次混合而预热燃烧，之后剩余煤气与燃烧后烟气的混合物再与预混预燃环道上部的空气上喷嘴喷入的空气二次混合而在燃烧室继续完成燃烧过程。由于预混预燃环道开口向上，燃烧过程产生的烟气流在燃烧室中必然是先上升后向下折返，因而一部分形成高温烟气回流，这有助于二次混合燃烧温度的提高和造成燃烧室整体上温度分布的均匀。由于回流区域的流体的静压力小于主流烟气的静压力，于是回流流体就会牵引在其外侧的主流烟气向其靠近，因而形成较为均匀向下的进入蓄热体的气流分布。由于气流分布与温度分布的均匀性，烟气与蓄热体间的传热过程就变得均匀且换热效果得以强化，进而有助于热风温度的稳定与提高。此外，由于空气上喷嘴和空气下喷嘴采取水平倾斜进入预混预燃环道，因而形成旋流向上与旋流行下的流动态势，这有助于烟气流的上行推进与向下进入蓄热体气流分布的均匀性。因此，该热风炉不仅可以有效解决常规热风炉煤气与空气混合速率低、混合不均匀，燃烧强度低、燃烧不可控、燃烧不完全，以及蓄热体中气流分布不均、传热过程不强等技术性能问题，而且还能通过煤气与空气分两级混合燃烧的方式降低燃烧温度与抑制氮氧化物的生成，同时利用燃烧烟气流旋流上喷与折返形成高温烟气回流以维持燃烧室中温度分布的均匀，以及进入蓄热体中烟气流的分布均匀性。有效保证了热风炉在安全与稳定运行的前提下实现热风炉的高效、高热强度与均匀合理的送风温度，继而达到节省燃料、节约投资、降低废气温度与有害气体的排放量、减少环境污染的良好效果。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明图1中的A-A截面图。

图3为本发明图1中的B-B截面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1-图3所示，本发明包括燃烧室墙体、燃烧室、热风出口管，燃烧器墙体、煤气进气管、空气进气管、煤气分配环道、空气分配环道、煤气喷嘴、蓄热室墙体、蓄热室、蓄热体、冷风进口管、烟气出口管、冷风分配室、炉箅子和炉底，燃烧室墙体1为半椭球形的拱顶，燃烧室墙体1和下部的圆筒状的燃烧器墙体2同轴连接，燃烧器墙体经下部的托圈支撑固定在蓄热室墙体9的外炉壳上，燃烧室墙体1围成的空间为燃烧室1a，燃烧器墙体2围成的空间为燃烧器，蓄热室墙体围成的空间为蓄热室，蓄热室内堆砌有蓄热体9a，蓄热室墙体的上部呈收缩状插入到燃烧器墙体内，与燃烧器墙体的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体上垂直其轴线上下对应布置有空气进气管5和煤气进气管4，空气进气管和煤气进气管分别连接砌筑在燃烧器墙体内的空气分配环道7与煤气分配环道6，空气分配环道在煤气分配环道的上方，空气分配环道的内侧环墙（靠近燃烧器的一侧为内侧，和空气进气管相连接的一侧为外侧）上部与下部分别均布有多个空气上喷嘴7a与多个空气下喷嘴7b，空气上喷嘴和空气下喷嘴均呈水平倾斜状连通预混预燃环道3，预混预燃环道为置于燃烧器墙体的内壁与空气分配环道的内侧环墙之间的环形通道，煤气分配环道的内侧环墙（靠近燃烧器的一侧为内侧，和煤气进气管相连接的一侧为外侧）上部有均布有多个煤气喷嘴6a，煤气喷嘴以水平转折向上的方式接通预混预燃环道的底部，与空气下喷嘴在预混预燃环道的底部呈对应的垂直对冲状态，燃烧器墙体上部的外壁上设置有与预混预燃环道连通的热风出口管8，热风出口管将空气分配环道阻隔呈部分断开形成缺口的环形，蓄热室墙体砌筑在炉底14上，炉底14上面砌筑有两环用以支撑炉箅子的同心的支撑环墙10a，支撑环墙内均布有多个气流连通孔10b，支撑环墙的顶部支撑着铸铁制的炉箅子10，炉箅子上有堆砌至燃烧室内的蓄热体9a，炉箅子下部的蓄热室墙体与炉底围成的空间为冷风分配室11，冷风分配室自外沿向中心被两环同心的支撑环墙依次分隔为冷风室外环道、冷风室内环道、中心室，冷风室外环道、冷风室内环道、中心室经支撑环墙上的多个气流连通孔相互连通，冷风分配室和设置在蓄热室墙体9上的烟气出口管13和冷风进口管12相连通。

所述的燃烧室墙体1和燃烧器墙体2均为金属外壳内壁上砌筑耐高温1300℃～1500℃的耐火材料层构成，耐高温的耐火材料层是有抗热震性强的红柱石高铝砖或堇青石-莫来石砖构成的内层、轻质耐火材料构成的外层、以及外层外面的陶瓷纤维棉和陶瓷纤维棉外的喷涂层，自内向外依次组合在一起构成。

所述的热风出口管8为耐高温且性能稳定的红柱石-莫来石砖构成的圆筒状通道，与燃烧器墙体垂直连接或设置在燃烧室的顶部。

所述的煤气进气管4和空气进气管5均是在金属管内壁上砌筑耐火材料（如高铝砖或粘土砖）构成的圆形通道，煤气进气管和空气进气管分别垂直或水平倾斜连通煤气分配环道6和空气分配环道7，倾斜的角度为1°～45°，煤气分配环道和空气分配环道均由红柱石=莫来石砖砌筑构成。

所述的空气上喷嘴7a和空气下喷嘴7b的截面均为扇形或矩形，分别由空气分配环道的上部和下部引出水平倾斜1°～45°接入预混预燃环道3，煤气喷嘴6a的截面为扇形。

所述的预混预燃环道3为堇青石-莫来石砖砌筑构成的上部开口的环形通道，纵截面为倒梯形。

所述的蓄热室墙体9是在金属外壳内壁上由耐火材料砌筑构成（从下到上分别为粘土质砖、高铝质砖、红柱石质砖），蓄热室墙体是由上部的上圆筒体、中部的渐缩状的圆锥筒体和下部的大圆筒体依次组合在一起构成，蓄热室墙体的中部外壁倾斜角度为10°～15°。

所述的蓄热体9a是由从下到上依次堆砌的红柱石粘土格子砖、红柱石高铝格子砖和硅质格子砖构成，蓄热体为均布有呈蜂窝状排列的通孔的正六边形结构，蓄热体从下到上依次错位堆砌呈带有网状缝隙的六边形。

所述的支撑环墙10a的数量可根据蓄热室的内直径大小确定，至少有两环。

所述的蓄热室墙体9的下部分别设置有水平垂直连通冷风分配室的烟气出口管13和水平倾斜连通冷风分配室的冷风进口管12，烟气出口管和冷风进口管均是由金属管内壁上砌筑耐火材料（通常为粘土砖）构成的圆形通道。

本发明实施时，在燃烧器中煤气与空气通过各自的分配环道内侧引出均布的煤气喷嘴6a、空气上喷嘴7a及空气下喷嘴7b分别从不同的部位进入预混预燃环道3，在其中首先是经煤气喷嘴6a从底部进入的煤气与空气下喷嘴7b进入的空气相互对冲混合形成缺氧预混气流并预热而燃烧，在向上的过程中再与由空气上喷嘴7a喷出的空气再次混合燃烧，并离开预混预燃环道而喷射进入燃烧室。在进入燃烧室后受其自身燃烧后的高温回流烟气预热而完成燃烧过程，继续向上经拱顶折返形成周向整体旋流结构与轴向回流涡旋结构相结合的复杂而均匀的流场。在这样的流动与燃烧过程中就能形成周向与轴向都均匀的烟气流场，进入堆砌于蓄热室内的蓄热体中，形成更为均匀的气流分布与较高的温度分布。在高温烟气继续向下进入蓄热室中堆砌的蓄热体9a时，由于蓄热体9a设有气流互通结构（即蓄热体上均布的呈蜂窝状排列的通孔），使得其气流分布得到进一步的均化，蓄热体与气流间的热交换变得更加均匀，从而形成从上到下的截面温度均匀分布蓄热体结构。高温烟气流在完成了与蓄热体气流间的传热过程后进入冷风分配室的内外环道与中心室，并借助于气流连通孔10b向烟气出口管13聚集而流出，结束热风炉的燃烧与传热过程。在送风阶段，冷风经冷风进口管12进入冷风分配室11的外环道，再经气流连通孔进入到内环道以及中心室，在气流得以逐步均化的情况下向上通过炉箅子10进入蓄热室内堆砌的蓄热体中，经过蓄热室内蓄热体的气流互通结构与堆砌缝隙结构的共同作用，冷风气流在逐步被加热的同时气流速度的分布也逐渐变得均匀，加之本已在燃烧过程中得到均匀化的蓄热体与均匀气流的传热作用，就能使冷风的整个加热过程变得十分均匀，尤其热风在上行过程中蓄热室的逐渐收缩也有利于气流的均匀与有效强化蓄热体与气流间的传热，从而有效防止送风过程中气流的偏析的出现，以及由此引起的热风平均温度的降低。

通过上述实施过程的描述与分析，该发明是一种能有效解决热风炉内流体流动、传热与燃烧过程的可行的技术方案，能有效实现热风炉燃烧装置的均匀混合与均匀流动，以及高效而均匀的稳定燃烧，并极大地强化与均匀传热过程与提高其热利用率。此外，本发明的不同之处在于煤气与空气之间的分级预混燃烧的结构特征与性能特征，用以实现有效降低燃烧温度与有效抑制氮氧化物的生成。本发明是在热风炉中采取燃烧室分级可控的燃烧与在蓄热体中采取均流均温的强化传热相结合的办法来实现在低氮氧化物燃烧状态下的稳定而高温的热风输送。因此，采用该技术方案可以实现热风炉的高效、高热强度与高送风温度，继而达到节省燃料、节约投资、控制有害气体的排放量、减少环境污染的良好效果。

Claims (10)

1.一种煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，包括燃烧室墙体、燃烧室、热风出口管，燃烧器墙体、煤气进气管、空气进气管、煤气分配环道、空气分配环道、煤气喷嘴、蓄热室墙体、蓄热室、蓄热体、冷风进口管、烟气出口管、冷风分配室、炉箅子和炉底，其特征在于，燃烧室墙体（1）为半椭球形的拱顶，燃烧室墙体（1）和下部的圆筒状的燃烧器墙体（2）同轴连接，燃烧器墙体经下部的托圈支撑固定在蓄热室墙体（9）的外炉壳上，燃烧室墙体（1）围成的空间为燃烧室（1a），燃烧器墙体（2）围成的空间为燃烧器，蓄热室墙体围成的空间为蓄热室，蓄热室内堆砌有蓄热体（9a），蓄热室墙体的上部呈收缩状插入到燃烧器墙体内，与燃烧器墙体的内壁呈可滑移状同轴相连，燃烧器墙体上垂直其轴线上下对应布置有空气进气管（5）和煤气进气管（4），空气进气管和煤气进气管分别连接砌筑在燃烧器墙体内的空气分配环道（7）与煤气分配环道（6），空气分配环道在煤气分配环道的上方，空气分配环道的内侧环墙上部与下部分别均布有多个空气上喷嘴（7a）与多个空气下喷嘴（7b），空气上喷嘴和空气下喷嘴均呈水平倾斜状连通预混预燃环道（3），预混预燃环道为置于燃烧器墙体的内壁与空气分配环道的内侧环墙之间的环形通道，煤气分配环道的内侧环墙上部有均布有多个煤气喷嘴（6a），煤气喷嘴以水平转折向上的方式接通预混预燃环道的底部，与空气下喷嘴在预混预燃环道的底部呈对应的垂直对冲状态，燃烧器墙体上部的外壁上设置有与预混预燃环道连通的热风出口管（8），热风出口管将空气分配环道阻隔呈部分断开形成缺口的环形，蓄热室墙体砌筑在炉底（14）上，炉底（14）上面砌筑有两环用以支撑炉箅子的同心的支撑环墙（10a），支撑环墙内均布有多个气流连通孔（10b），支撑环墙的顶部支撑着铸铁制的炉箅子（10），炉箅子上有堆砌至燃烧室内的蓄热体（9a），炉箅子下部的蓄热室墙体与炉底围成的空间为冷风分配室（11），冷风分配室自外沿向中心被两环同心的支撑环墙依次分隔为冷风室外环道、冷风室内环道、中心室，冷风室外环道、冷风室内环道、中心室经支撑环墙上的多个气流连通孔相互连通，冷风分配室和设置在蓄热室墙体（9）上的烟气出口管（13）和冷风进口管（12）相连通， 所述的蓄热室墙体（9）的下部分别设置有水平垂直连通冷风分配室的烟气出口管（13）和水平倾斜连通冷风分配室的冷风进口管（12）。

2.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的燃烧室墙体（1）和燃烧器墙体（2）均为金属外壳内壁上砌筑耐高温1300℃～1500℃的耐火材料层构成，耐高温的耐火材料层是有抗热震性强的红柱石高铝砖或堇青石-莫来石砖构成的内层、轻质耐火材料构成的外层、以及外层外面的陶瓷纤维棉和陶瓷纤维棉外的喷涂层，自内向外依次组合在一起构成。

3.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的热风出口管（8）为耐高温且性能稳定的红柱石-莫来石砖构成的圆筒状通道，与燃烧器墙体垂直连接或设置在燃烧室的顶部。

4.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的煤气进气管（4）和空气进气管（5）均是在金属管内壁上砌筑耐火材料构成的圆形通道，煤气进气管和空气进气管分别垂直或水平倾斜连通煤气分配环道（6）和空气分配环道（7），倾斜的角度为1°～45°，煤气分配环道和空气分配环道均由红柱石=莫来石砖砌筑构成。

5.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的空气上喷嘴（7a）和空气下喷嘴（7b）的截面均为扇形或矩形，分别由空气分配环道的上部和下部引出水平倾斜1°～45°接入预混预燃环道（3），煤气喷嘴（6a）的截面为扇形。

6.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的预混预燃环道（3）为堇青石-莫来石砖砌筑构成的上部开口的环形通道，纵截面为倒梯形。

7.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的蓄热室墙体（9）是在金属外壳内壁上由耐火材料砌筑构成，蓄热室墙体是由上部的上圆筒体、中部的渐缩状的圆锥筒体和下部的大圆筒体依次组合在一起构成，蓄热室墙体的中部外壁倾斜角度为10°～15°。

8.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的蓄热体（9a）是由从下到上依次堆砌的红柱石粘土格子砖、红柱石高铝格子砖和硅质格子砖构成，蓄热体为均布有呈蜂窝状排列的通孔的正六边形结构，蓄热体从下到上依次错位堆砌呈带有网状缝隙的六边形。

9.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的支撑环墙（10a）的数量可根据蓄热室的内直径大小确定，至少有两环。

10.根据权利要求1所述的煤气与空气分级预混燃烧与均流传热的热风炉，其特征在于，所述的烟气出口管和冷风进口管均是由金属管内壁上砌筑耐火材料构成的圆形通道。