CN105737152A - 一种分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，有效解决煤气、空气、辅助空气、蒸汽之间实现分级混合燃烧、稳焰与控温的燃烧问题，4个管体呈阶梯状套装，外层空气环形通道封闭端有空气进口管，内层辅助空气环道封闭端有辅助空气进口管，中间为煤气环形通道，封闭端有煤气进口管，以上各通道的出口段内均有旋流支撑片；4个管体中心为蒸汽通道；外管体内有和燃烧气流出口连通的预混预燃室，辅助空气环道出口外有中心收缩孔道的圆锥形钝体，本发明达到有效控制燃烧过程中氮氧化物的生成，合理控制燃烧温度与有效减少氮氧化物的排放量，节省燃料，节约投资，减少大气环境的污染。

Description

一种分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置

技术领域

本发明涉及工业炉窑类的热利用设备的燃烧装置，特别适用于燃烧气体燃料的锅炉、加热炉（或热风炉）用的一种分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置。

背景技术

当前，工业炉窑从节能与环保上考虑，要求燃烧装置在燃烧不同燃料与不同煤气下获得高效可控的完全燃烧的同时，还要求能有效降低燃烧过程中的氮氧化物（NOx）的生成量，以最终达到高效、节能、环保的目的。为此，在工业炉窑燃烧器的结构上除了必须实现快速均匀混合与稳定燃烧外，还应能适应不同的燃气品种使其具有燃烧过程的调节可控的特征。这就不仅要涉及到相应燃烧器与对应燃烧室的结构与相互间的合理配置，而更重要的是燃烧器本身结构的特殊的设计，从而产生出相应的技术效果。纵观目前各种工业炉窑使用的常规燃烧器，明显存在因设计理念问题而引起的结构上的各种问题，这就势必造成煤气与空气之间混合不均匀和燃烧不完全。在涉及低氮燃烧器时，都不外以分级燃烧为主要特征，由于细节上考虑过多而使其结构趋于复杂，反使其技术效果远不能达到环保的技术要求。因此，在工业炉窑迫于环保要求必须清洁燃烧的前提下，燃烧器的低氮燃烧就成为其发展的方向，有必须设计出既能实现气体燃料分级混合与可控燃烧，又能通过空气补充与蒸汽喷射实现温度控制与还原氮氧化物的技术效果，使之在保证燃烧器的燃烧强度与燃烧效果的同时，还能降低燃烧烟气中氮氧化物的含量，并还能与燃烧室进行有效配合实现均匀可控的气流流场。

发明内容

鉴于工业炉窑燃烧器的上述要求，本发明之目的就是提出一种分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，有效解决煤气（燃气）、空气、辅助空气、蒸汽（或其他降氮气体）之间实现分级混合燃烧、稳焰与控温的燃烧问题。

本发明的技术方案是，燃烧装置筒体为4个管体自内向外依次呈阶梯状同心套装在一起，构成有一个中心通道和三个环形通道结构，4个管体中除置于中心的中心管体外，其余三个管体外端呈封闭状，三个环形通道中置于最外层的环形通道为空气环形通道，靠近空气环形通道封闭端的外壁上有相连通的空气进口管，空气环形通道的出口段内设置有空气旋流支撑片；三个环形通道中置于最内层的环形通道为辅助空气环道，靠近辅助空气环道封闭端的外壁上有相连通的辅助空气进口管，辅助空气环道的出口段内设置有辅助空气旋流支撑片；三个环形通道中置于中间的环形通道为煤气环形通道，靠近煤气环形通道封闭端的外壁上有相连通的煤气进口管，煤气环形通道的出口段内设置有煤气旋流支撑片；中心管体内的中心通道为蒸汽通道；4个管体中置于最外周的外管体内有置于空气环形通道出口端外侧的预混预燃室，预混预燃室的出口端和燃烧气流出口相连通，预混预燃室的进口端和空气环形通道的出口端连通，燃烧气流出口为外管体的出口，预混预燃室自预混预燃室的进口端向预混预燃室的出口端呈逐渐收缩状，燃烧气流出口自与预混预燃室的连接处向外管体的出口端呈逐渐扩散状；辅助空气环道的出口外侧设置带有中心收缩孔道的圆锥形钝体，圆锥形钝体置于预混预燃室内，圆锥形钝体和预混预燃室之间的通道为预混气流环形出口，蒸汽通道的出口置于中心收缩孔道内，辅助空气环道、蒸汽通道和中心收缩孔道同心相互连通，空气环形通道的出口端与煤气环形通道的出口端并列连通预混气流环形出口的进口。

本发明是根据现有工业炉窑套筒燃烧装置的结构所做的改进与创新，在维持整体筒体结构不变的前提下，增加了辅助空气环道和蒸汽通道，并于各个环形通道的出口处设置旋流支撑片，且将中心开孔的钝体设置于辅助空气环道出口与蒸汽通道的出口形成向外环呈张开的煤气与空气的环形预混出口（即中心收缩孔道），以及辅助空气环道出口与蒸汽通道出口的连通。这样，煤气与空气形成环形旋流膜状预混气流，在预混预燃室中形成中心回流，在其自预热作用下实现高速燃烧气流的稳定燃烧，同时，辅助空气与蒸汽在燃烧装置中心部位喷出及时实现对燃烧气流的补燃（实现完全燃烧）和降温（水蒸气高温分解与还原）作用，达到有效控制燃烧过程中氮氧化物的生成。在工业炉窑上采用这种低氮燃烧的燃烧装置，就能在实现安全稳定燃烧的前提下合理控制燃烧温度与有效减少氮氧化物的排放量，在实现节省燃料与节约投资的前提下减少对大气环境的污染。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明图1的A-A截面视图。

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及图2所示，本发明的结构是，燃烧装置筒体1为4个管体自内向外依次呈阶梯状同心套装在一起，构成有一个中心通道和三个环形通道结构，4个管体中除置于中心的中心管体外，其余三个管体外端呈封闭状，，三个环形通道中置于最外层的环形通道为空气环形通道5，靠近空气环形通道封闭端的外壁上有相连通的空气进口管2，空气环形通道的出口段内设置有空气旋流支撑片8；三个环形通道中置于最内层的环形通道为辅助空气环道7，靠近辅助空气环道封闭端的外壁上有相连通的辅助空气进口管4，辅助空气环道的出口段内设置有辅助空气旋流支撑片10；三个环形通道中置于中间的环形通道为煤气环形通道6，靠近煤气环形通道封闭端的外壁上有相连通的煤气进口管3，煤气环形通道的出口段内设置有煤气旋流支撑片9；中心管体内的中心通道为蒸汽通道11；4个管体中置于最外周的外管体内有置于空气环形通道出口端外侧的预混预燃室12，预混预燃室的出口端和燃烧气流出口13相连通，预混预燃室的进口端和空气环形通道的出口端连通，燃烧气流出口为外管体的出口，预混预燃室12自预混预燃室的进口端向预混预燃室的出口端呈逐渐收缩状，燃烧气流出口自与预混预燃室的连接处向外管体的出口端呈逐渐扩散状；辅助空气环道7的出口外侧设置带有中心收缩孔道14a的圆锥形钝体14，圆锥形钝体14置于预混预燃室12内，圆锥形钝体14和预混预燃室12之间的通道为预混气流环形出口14b，蒸汽通道11的出口置于中心收缩孔道14a内，辅助空气环道7、蒸汽通道11和中心收缩孔道14a同心相互连通，空气环形通道5的出口端与煤气环形通道6的出口端并列连通预混气流环形出口14b的进口。

所述的燃烧装置筒体1为耐热钢焊制成的阶梯状结构，燃烧装置筒体1中的四个管体自外向内分别为外管体、内一管体、内二管体和中心管体，外管体的封闭端套装在内一管体的出口端，内一管体的封装端套装在内二管体的出口端，内二管体的封装端套装在中心管体的出口端，中心管体的进口端伸出内二管体。

所述的空气旋流支撑片8、煤气旋流支撑片9、辅助空气旋流支撑片10均为不少于四片且不少于一个螺距的耐热钢制成的螺旋片，均布排列在各自的环形通道内。

所述的圆锥形钝体14为耐热钢制成的中心有中心收缩孔道的圆锥台结构，圆锥形钝体的中心张角（即中心收缩孔道的相互对应的两侧壁的夹角）为60°～120°。

实施时，空气从空气进口管2进入空气环形通道5，并经由空气旋流支撑片8形成环形旋转气流进入预混气流环形出口14b，煤气从煤气进口管3进入煤气环形通道6并经由煤气旋流支撑片9形成环形旋转气流也进入预混气流环形出口14b，在此煤气与空气进行旋流混合，并在圆锥形钝体14张角的作用下在预混预燃室12内的圆锥形钝体14面形成旋转回流流场，同时被预热而着火燃烧，由于空气量与煤气量不是恰当化学当量值，而是处于欠氧燃烧状态，多余的未能燃烧的煤气除预热需要吸热而降低燃烧温度外，还能在燃烧后的高温环境下将已经形成的氮氧化物还原成氮气，以此达到实现低氮燃烧的目的。与此同时，辅助空气从辅助空气进口管4进入辅助空气环道7并经由辅助空气旋流支撑片10形成环形旋转气流通过中心收缩孔道14a进入圆锥形钝体14后的回流区中，在这里与部分燃烧后的仍然含有煤气的回流气流进行旋流混合，在预混预燃室12中继续完成燃烧过程，并通过燃烧气流出口13进入炉窑的燃烧室或者热利用空间。燃烧装置的中心的蒸汽通道11是作为降低氮氧化物燃烧的辅助装置，当燃烧过程的氮氧化物含量仍然超过技术要求时，一定量的蒸汽可通过中心的蒸汽通道11进入中心收缩孔道14a，并与辅助空气环形旋转气流汇合进入预混预燃室12内的圆锥形钝体14后的回流区中，在这里与部分燃烧后的仍然含有煤气的高温回流气流进行旋流混合，通过水蒸汽的高温热解起到抑制燃烧温度的作用，以及产生的氢气起到还原氮氧化物的作用，同时也有助于煤气完成燃烧过程。此外，中心的蒸汽通道11，也可以通入纯氧以助燃提高回流区温度，以此来实现低热值煤气的稳定燃烧；也可以通入高热值煤气，通过与辅助空气混合燃烧来实现提高回流区温度的作用；还可以喷吹煤粉来实现综合燃烧的效果等。

综上所述，本发明可以有效完成气流的旋流分级预混与燃烧，并通过回流区喷入辅助空气与蒸汽，以实现整体燃烧温度的有效调节与氮氧化物含量的有效控制，以及实现燃烧气流流场的合理分布，并能与燃烧室或者热利用空间结合有条件地实现烟气流场的均匀分布；从而使燃烧器在加快燃烧速率、促进燃烧完全、降低过量空气系数的同时，完成控制燃烧温度、有效降低燃烧过程中氮氧化物浓度的目的。由于采用这种新结构的燃烧装置，还能在改善与优化燃烧过程的同时有效减小燃烧室乃至热利用装置的结构空间。因此，工业炉窑为了实现环保要求采用本发明这种旋流低氮燃烧装置除了能高效实现煤气与空气的低氮燃烧、温度可控燃烧、气流流场可控燃烧外，还能有效实现低热值煤气稳定而可控的燃烧，以及多种燃料的综合可控的燃烧，因而具有极强的燃烧适应性和广泛的适用范围。

Claims (4)

1.一种分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，燃烧装置筒体（1）为4个管体自内向外依次呈阶梯状同心套装在一起，构成有一个中心通道和三个环形通道结构，4个管体中除置于中心的中心管体外，其余三个管体外端呈封闭状，三个环形通道中置于最外层的环形通道为空气环形通道（5），靠近空气环形通道封闭端的外壁上有相连通的空气进口管（2），空气环形通道的出口段内设置有空气旋流支撑片（8）；三个环形通道中置于最内层的环形通道为辅助空气环道（7），靠近辅助空气环道封闭端的外壁上有相连通的辅助空气进口管（4），辅助空气环道的出口段内设置有辅助空气旋流支撑片（10）；三个环形通道中置于中间的环形通道为煤气环形通道（6），靠近煤气环形通道封闭端的外壁上有相连通的煤气进口管（3），煤气环形通道的出口段内设置有煤气旋流支撑片（9）；中心管体内的中心通道为蒸汽通道（11）；4个管体中置于最外周的外管体内有置于空气环形通道出口端外侧的预混预燃室（12），预混预燃室的出口端和燃烧气流出口（13）相连通，预混预燃室的进口端和空气环形通道的出口端连通，燃烧气流出口为外管体的出口，预混预燃室（12）自预混预燃室的进口端向预混预燃室的出口端呈逐渐收缩状，燃烧气流出口自与预混预燃室的连接处向外管体的出口端呈逐渐扩散状；辅助空气环道（7）的出口外侧设置带有中心收缩孔道（14a）的圆锥形钝体（14），圆锥形钝体（14）置于预混预燃室（12）内，圆锥形钝体（14）和预混预燃室（12）之间的通道为预混气流环形出口（14b），蒸汽通道（11）的出口置于中心收缩孔道（14a）内，辅助空气环道（7）、蒸汽通道（11）和中心收缩孔道（14a）同心相互连通，空气环形通道（5）的出口端与煤气环形通道（6）的出口端并列连通预混气流环形出口（14b）的进口。

2.根据权利要求1所述的分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧装置筒体（1）为耐热钢焊制成的阶梯状结构，燃烧装置筒体（1）中的四个管体自外向内分别为外管体、内一管体、内二管体和中心管体，外管体的封闭端套装在内一管体的出口端，内一管体的封装端套装在内二管体的出口端，内二管体的封装端套装在中心管体的出口端，中心管体的进口端伸出内二管体。

3.根据权利要求1所述的分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的空气旋流支撑片（8）、煤气旋流支撑片（9）、辅助空气旋流支撑片（10）均为不少于四片且不少于一个螺距的耐热钢制成的螺旋片，均布排列在各自的环形通道内。

4.根据权利要求1所述的分级预混旋流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的圆锥形钝体（14）为耐热钢制成的中心有中心收缩孔道的圆锥台结构，圆锥形钝体的中心张角为60°～120°。