CN107514636B - 一种悬浮焙烧炉用烧嘴及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬浮焙烧炉用烧嘴及其应用，属于燃烧设备领域。它包括中心管和燃气套管，所述的燃气套管套设在所述的中心管的外部，所述中心管内具有中心直流燃气通道，所述中心管外壁和所述燃气套管内壁之间限定出旋流燃气通道，所述旋流燃气通道包括沿燃气流动方向依次设置的平直段和倾斜段，所述的平直段与所述中心管的中心轴线平行，所述的倾斜段相对于所述中心管的中心轴线向内侧倾斜，所述旋流燃气通道内设置有旋流装置。本发明解决了现有悬浮焙烧炉燃烧过程中存在燃料燃烧不充分、高温污染物生成量大的问题，能够实现燃气与助燃气的高效混合和稳定燃烧，减少因燃气与助燃气混合不良而造成局部高温区，降低高温污染物的生成量。
Description
技术领域
本发明属于燃烧设备领域，更具体地说，涉及一种悬浮焙烧炉用烧嘴及其应用。
背景技术
悬浮焙烧炉在铝行业中主要用于氢氧化铝的焙烧，其目的是脱除氢氧化铝中的结晶水和化合水，同时完成氧化铝的晶相转变，生成适合电解铝使用的α-三氧化二铝。近年来，悬浮焙烧炉以产量高、能耗低的优势，在铝行业中得到了快速推广和应用，已成为铝行业中氧化铝焙烧的主要炉型。然而，随着能源和环保形势的日趋严峻，悬浮焙烧炉在生产过程中高污染以及燃料利用率低的缺点也逐步凸显。
悬浮焙烧炉的燃料主要有天然气、高炉煤气、发生炉煤气等气体燃料，现有燃烧系统大都在PO4底部燃烧室直段设置两层烧嘴，烧嘴为简单的喷头形式，喷头上开设的许多小孔会造成射流分散，进而导致射流刚度不足，使得燃料气不能深入到空气主流中心，燃料气与空气混合效果不充分，造成燃料利用率偏低。此外，燃料气和空气混合不充分会导致燃烧室内存在大量的局部富氧区，这些区域由于燃烧化学当量比偏离，燃烧温度较高，产生大量高温污染物，如NOx等。
中国发明专利，公开号：CN102878558B，公开日：2015年4月8日，公开了一种旋流预混式燃烧器，包括第一烧嘴砖、第二烧嘴砖、助燃风室、空气旋流器和燃气喷嘴，第一烧嘴砖上设置有中心孔，所述中心孔的上部段与第二烧嘴砖的外轮廓形状和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段为上端孔径小于下端孔径的圆锥台形孔，第二烧嘴砖的中心部位设置有预混室，燃气喷嘴为旋流式喷嘴，由喷嘴体和与喷嘴体连接的进气管组成；所述第一烧嘴砖安装在炉体上，所述第二烧嘴砖安装在第一烧嘴砖中，所述空气旋流器位于第二烧嘴砖所设置的预混室的进口处，所述燃气喷嘴与空气旋流器相组合，其喷嘴体位于空气旋流器下方，所述助燃风室安装在炉体上。其不足之处是该燃烧器先将煤气和空气混合再喷出燃烧，属于预混燃烧，喷出后无需再考虑混合的问题；而悬浮焙烧炉属于非预混燃烧，助燃气和燃气来自不同的管路，因而并不适用于悬浮焙烧炉用烧嘴，也不能够解决悬浮焙烧炉燃烧过程中存在燃料燃烧不充分、高温污染物生成量大的问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有悬浮焙烧炉燃烧过程中存在燃料燃烧不充分、高温污染物生成量大的问题，本发明提供一种悬浮焙烧炉用烧嘴及其应用，它能够实现燃气与助燃气的高效混合和稳定燃烧，减少因燃气与助燃气混合不良而造成局部高温区，降低高温污染物的生成量。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种悬浮焙烧炉用烧嘴，包括中心管和燃气套管，所述的燃气套管套设在所述的中心管的外部，所述中心管内具有中心直流燃气通道，所述中心管外壁和所述燃气套管内壁之间限定出旋流燃气通道，所述旋流燃气通道包括沿燃气流动方向依次设置的平直段和倾斜段，所述的平直段与所述中心管的中心轴线平行，所述的倾斜段相对于所述中心管的中心轴线向内侧倾斜，所述旋流燃气通道内设置有旋流装置。
进一步地，所述旋流装置位于所述旋流燃气通道的倾斜段内。
进一步地，所述旋流装置为旋流片，所述旋流片与所述中心管的外壁固定连接，且所述旋流片相对于所述燃气套管的中心轴线朝同一方向倾斜。
进一步地，所述燃气套管的出口相对于所述中心管的出口向外延伸以限定出整流区。
进一步地，所述的旋流燃气通道沿着燃气流动方向逐渐收缩。
进一步地，所述中心管的出口沿着燃气流动方向逐渐收缩。
进一步地，所述中心管的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，所述燃气套管的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，且所述燃气套管的扩张角度与所述中心管的扩张角度相同，所述整流区为喇叭型。
进一步地，还包括保护气套管，所述保护气套管套设在所述的燃气套管的外部，所述保护气套管的内壁和所述燃气套管的外壁之间限定出保护气通道，所述保护气通道的出口靠近所述燃气套管出口。
进一步地，所述保护气通道内通有保护气，所述的保护气是氮气、二氧化碳或烟气。
一种悬浮焙烧炉用烧嘴的应用，将所述的悬浮焙烧炉用烧嘴设置在悬浮焙烧炉燃烧系统上，所述悬浮焙烧炉燃烧系统包括主焙烧炉PO4、主燃烧管和助燃气管，所述主焙烧炉PO4、所述主燃烧管、所述助燃气管依次连通，所述烧嘴与所述主燃烧管底部连通，所述烧嘴的中心管的中心轴线与所述主燃烧管的中心轴线重合。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，燃气套管内部设置的中心管将通入的燃气划分为中心直流燃气和旋流燃气两部分，其中，中心直流燃气具有较强的穿透能力，旋流燃气具有较强的扩散能力，中心直流燃气和旋流燃气预混整合后同时具有较强的穿透力和扩散能力，从而实现燃气由烧嘴喷出后能够与助燃气高效混合，并稳定燃烧，减少因燃气与助燃气混合不良而造成局部高温区，降低高温污染物的生成量；
(2)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，旋流燃气通道倾斜段内设置的旋流件使得燃气流经旋流燃气通道时，获得一定的旋流强度，因而该部分燃气由烧嘴喷出后具有较强的扩散能力，能够与助燃气充分混合；
(3)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，朝同一方向倾斜的旋流片改变了旋流燃气通道内燃气的流动状态，增强了该部分燃气的旋流强度，进而促进燃气与助燃气的混合；
(4)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，整流区用于中心直流燃气和旋流燃气的预混整合，使得预混整合后的燃气流同时具有较强的穿透力和扩散能力；
(5)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，旋流燃气通过逐渐收缩的旋流燃气通道时速度逐渐增加，从而强化了旋流燃气与助燃气间的扰动，进而促进燃气与助燃气的混合；
(6)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，中心直流燃气通过逐渐收缩的中心直流燃气通道时将部分势能转化为动能，速度逐渐增加，以使燃气获得较大的穿透力，从而增强了燃气射流刚度，进而保证燃气能够深入到助燃气主流中心，与助燃气充分混合；
(7)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，燃气套管的扩张角度与中心管的扩张角度相同保证了整流区为喇叭型，喇叭形状的设计与燃气流的扩散方向一致，从而减小了对旋流的破坏，有利于燃气穿透能力和扩散能力的保持；
(8)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，保护气通过保护气通道将烧嘴头部与外界固体颗粒隔离，避免烧嘴长时间在高温高粉尘的工作环境下，固体颗粒对烧嘴头部造成磨损；
(9)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴，氮气、二氧化碳或烟气进入焙烧炉后不参与反应，因而对悬浮焙烧过程不会产生不利的影响；
(10)本发明提供的一种用于悬浮焙烧炉的烧嘴的应用，烧嘴喷出的燃气同时具有较强的穿透能力和扩散能力，因而燃气射流进入主燃烧管以后能够与主燃烧管内的助燃气均匀混合，充分燃烧，并且温度分布也较均匀，从而解决了悬浮焙烧过程中燃气燃烧不充分导致燃气利用率低的问题，以及燃气燃烧能量过于集中导致局部高温、氮氧化物生成量高的问题。
附图说明
图1为烧嘴剖面图；
图2为烧嘴头部示意图；
图3为旋流片示意图。
图中：1、中心管；2、燃气套管；3、保护气套管；4、中心直流燃气通道；5、整流区；6、旋流片；7、旋流燃气通道；8、保护气通道；9、保护气入口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，包括中心管1和燃气套管2，所述的燃气套管2套设在所述的中心管1的外部，所述中心管1内具有中心直流燃气通道4，所述中心管1外壁和所述燃气套管2内壁之间限定出旋流燃气通道7，所述旋流燃气通道7包括沿燃气流动方向依次设置的平直段和倾斜段，所述的平直段与所述中心管1的中心轴线平行，所述的倾斜段相对于所述中心管1的中心轴线向内侧倾斜，所述旋流燃气通道7内设置有旋流装置。
燃气套管内部设置的中心管1将通入的燃气划分为中心直流燃气和旋流燃气两部分，其中，中心直流燃气具有较强的穿透能力，旋流燃气具有较强的扩散能力，中心直流燃气和旋流燃气预混整合后同时具有较强的穿透力和扩散能力，从而实现燃气由烧嘴喷出后能够与助燃气高效混合，并稳定燃烧，减少因燃气与助燃气混合不良而造成局部高温区，降低高温污染物的生成量。
实施例2
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例1相比所不同的是：所述旋流装置位于所述旋流燃气通道7的倾斜段内，从而使燃气流经旋流燃气通道7时，获得一定的旋流强度，因而该部分燃气由烧嘴喷出后具有较强的扩散能力，能够与助燃气充分混合。
实施例3
如图3所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例2相比所不同的是：所述旋流装置为旋流片6，所述旋流片6与所述中心管1的外壁固定连接，且所述旋流片6相对于所述燃气套管2的中心轴线朝同一方向倾斜，旋流片6改变了旋流燃气通道内燃气的流动状态，增强了该部分燃气的旋流强度，进而促进燃气与助燃气的混合。
实施例4
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例1相比所不同的是：所述燃气套管2的出口相对于所述中心管1的出口向外延伸以限定出整流区5，整流区5用于中心直流燃气和旋流燃气的预混整合，使得预混整合后的燃气流同时具有较强的穿透力和扩散能力。
实施例5
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例1相比所不同的是：所述的旋流燃气通道7沿着燃气流动方向逐渐收缩，旋流燃气通过逐渐收缩的旋流燃气通道7时速度逐渐增加，从而强化了旋流燃气与助燃气间的扰动，进而促进燃气与助燃气的混合。所述中心管1的出口沿着燃气流动方向逐渐收缩，中心直流燃气通过逐渐收缩的中心直流燃气通道4时将部分势能转化为动能，速度逐渐增加，以使燃气获得较大的穿透力，从而增强了燃气射流刚度，进而保证燃气能够深入到助燃气主流中心，与助燃气充分混合。
实施例6
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例4相比所不同的是：所述中心管1的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，所述燃气套管2的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，且所述燃气套管2的扩张角度与所述中心管1的扩张角度相同，因而所述整流区5为喇叭型结构，喇叭形状的设计与燃气流的扩散方向一致，从而减小了对旋流的破坏，有利于燃气穿透能力和扩散能力的保持。
实施例7
如图1和图2所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其结构与实施例1相比所不同的是：还包括保护气套管3，所述保护气套管3套设在所述的燃气套管2的外部，所述保护气套管3的内壁和所述燃气套管2的外壁之间限定出保护气通道8，所述保护气通道8的出口靠近所述燃气套管2出口处，所述保护气通道8内通有保护气，保护气通过保护气通道8将烧嘴头部与外界固体颗粒隔离，避免烧嘴长时间在高温高粉尘的工作环境下，固体颗粒对烧嘴头部造成磨损，实际应用时，所述的保护气可以是氮气、二氧化碳或烟气，本实施例中采用烟气。
实施例8
如图1、图2和图3所示，一种悬浮焙烧炉用烧嘴，包括中心管1和燃气套管2，所述的燃气套管2套设在所述的中心管1的外部，所述中心管1内具有中心直流燃气通道4，所述中心管1外壁和所述燃气套管2内壁之间限定出旋流燃气通道7，所述旋流燃气通道7包括与所述中心管1的中心轴线平行的平直段和相对于所述中心管1的中心轴线向内侧倾斜的倾斜段，所述旋流燃气通道7内沿径向设置有旋流装置，燃气流经旋流燃气通道7，获得一定的旋流强度，使燃气具有相当的扩散能力，能够更好的与助燃气混合。
所述旋流装置位于所述旋流燃气通道7的倾斜段内。
所述燃气套管2的出口相对于所述中心管1的出口向外延伸以限定出整流区5，用于直流和旋流的预混整合。
所述旋流装置为旋流片6，所述旋流片6与所述中心管1的外壁固定连接，且所述旋流片6相对于所述燃气套管2的中心轴线朝同一方向倾斜，烧嘴出口处旋流片6的表面与整流区5内壁贴合。
所述中心管1的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，从而使得流过中心燃气通道4的燃气将部分势能转化为动能，以使燃气获得较大的穿透性，能够深入到助燃气主流中心，所述燃气套管2的出口沿着燃气流动方向先收缩后扩张，且所述燃气套管2的扩张角度与所述中心管1的扩张角度相同，所述整流区5为喇叭型，所述整流区5沿燃气流动方向截面积逐渐增大，设置整流区5的目的在于，使得流经中心直流燃气通道4和旋流燃气通道7的燃气有一段预混端，混合后的流体同时具有相当的穿透性和扩散性，整流区喇叭形状的设计与气流的扩散方向一致，减小对旋流的破坏，有利于燃气穿透能力和扩散能力的保持。
还包括保护气套管3，所述保护气套管3套设在所述的燃气套管2的外部，所述保护气套管3的内壁和所述燃气套管2的外壁之间限定出保护气通道8，所述保护气套管3上设置有保护气入口9，所述保护气通道8的出口设置在靠近所述燃气套管2出口的一侧。
通过保护气入口9向所述保护气通道8内通入保护气，所述的保护气是氮气、二氧化碳或烟气，其作用在烧嘴头部和外界环境之间形成一层保护膜，将烧嘴头部与外界固体颗粒隔离，防止长时间工作颗粒对烧嘴头部造成磨损，从而延长烧嘴的使用寿命。
实施例9
一种悬浮焙烧炉用烧嘴的应用，将实施例8中所述的悬浮焙烧炉用烧嘴设置在悬浮焙烧炉燃烧系统上，所述悬浮焙烧炉燃烧系统包括主焙烧炉PO4、主燃烧管和助燃气管，所述主焙烧炉PO4、所述主燃烧管、所述助燃气管依次连通，所述烧嘴与所述主燃烧管底部连通，所述烧嘴的中心管1的中心轴线与所述主燃烧管的中心轴线重合。
本实施例中，烧嘴喷出的燃气同时具有较强的穿透能力和扩散能力，因而燃气射流进入主燃烧管以后能够与主燃烧管内的助燃气均匀混合，充分燃烧，产生的高温烟气随气流进入主焙烧炉内与物料发生焙烧反应，在这个过程中燃气与助燃气之间的均匀混合、充分燃烧促进了主焙烧炉内温度的均匀分布，从而解决了悬浮焙烧过程中燃气燃烧不充分导致燃气利用率低的问题，以及燃气与助燃气混合不均匀造成燃烧的能量过于集中进而导致局部高温、氮氧化物生成量高的问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；将官参照前述各实施例对本发明进行详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：包括中心管(1)和燃气套管(2)，所述的燃气套管(2)套设在所述的中心管(1)的外部，所述中心管(1)内具有中心直流燃气通道(4)，所述中心管(1)外壁和所述燃气套管(2)内壁之间限定出旋流燃气通道(7)，所述旋流燃气通道(7)包括沿燃气流动方向依次设置的平直段和倾斜段，所述的平直段与所述中心管(1)的中心轴线平行，所述的倾斜段相对于所述中心管(1)的中心轴线向内侧倾斜，所述旋流燃气通道(7)内设置有旋流装置；所述燃气套管(2)的出口相对于所述中心管(1)的出口向外延伸以限定出整流区(5)，所述中心管(1)的出口和所述燃气套管(2)的出口均沿着燃气流动方向先收缩后扩张。
2.根据权利要求1所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述旋流装置位于所述旋流燃气通道(7)的倾斜段内。
3.根据权利要求1或2所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述旋流装置为旋流片(6)，所述旋流片(6)与所述中心管(1)的外壁固定连接，且所述旋流片(6)相对于所述燃气套管(2)的中心轴线朝同一方向倾斜。
4.根据权利要求1所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述的旋流燃气通道(7)沿着燃气流动方向逐渐收缩。
5.根据权利要求1所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述中心管(1)的出口沿着燃气流动方向逐渐收缩。
6.根据权利要求1所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述燃气套管(2)的扩张角度与所述中心管(1)的扩张角度相同。
7.根据权利要求1、2、4至6中任意一项所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：还包括保护气套管(3)，所述保护气套管(3)套设在所述的燃气套管(2)的外部，所述保护气套管(3)的内壁和所述燃气套管(2)的外壁之间限定出保护气通道(8)，所述保护气通道(8)的出口靠近所述燃气套管(2)出口处。
8.根据权利要求7所述的悬浮焙烧炉用烧嘴，其特征在于：所述保护气通道(8)内通有保护气，所述的保护气是氮气、二氧化碳或烟气。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种悬浮焙烧炉用烧嘴的应用，其特征在于：将权利要求1-8中任一项所述的悬浮焙烧炉用烧嘴设置在悬浮焙烧炉燃烧系统上，所述悬浮焙烧炉燃烧系统包括主焙烧炉PO4、主燃烧管和助燃气管，所述主焙烧炉PO4、所述主燃烧管、所述助燃气管依次连通，所述烧嘴与所述主燃烧管底部连通，所述烧嘴的中心管(1)的中心轴线与所述主燃烧管的中心轴线重合。
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