CN107906516B - 一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,包括贯穿炉墙内外的一次燃气管路、二次燃气管路、空气通道和烟气通道;在所述的一次燃气管路上设有燃气/低温烟气换热器,在所述的空气通道和烟气通道上设有空气/高温烟气换热器;所述的二次燃气管路、空气通道和烟气通道均围绕一次燃气管路设置,且在径向位置上相互隔开,一次燃气管路的燃气喷口、二次燃气管路的二次燃气喷口、空气通道的空气喷口和烟气通道的烟气入口在轴向位置上相互隔开。该无焰燃烧器,结构紧凑,燃气可连续供给,火焰稳定可靠,能够实现空气/燃气双预热,以及分级燃烧,且NOx排放量低,避免烧嘴堵塞、断火、爆鸣以及炉压波动等问题。

Description

一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器
技术领域
本发明属于无焰燃烧器技术领域,具体涉及一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器。
背景技术
20世纪末,日本工业界提出高温空气燃烧的概念(High Temperature AirCombustion)。它打破了传统的燃烧概念,即在蓄热室中把空气预热到高温,把炉膛中O2含量降低到很低的状态(≤15%),实行高温低氧状态下的燃烧,这种工艺不但能够实现良好的余热回收效果,提高热效率,而且能够降低NOx的生成量,同时实现了节能和环保的效果。
目前冶金工业炉广泛采用基于高温空气燃烧技术的切换式蓄热燃烧系统,至少包括两组燃烧器及蓄热器,一个换向阀。当一侧燃烧器利用蓄热体里的热能预热助燃空气进行燃烧时,另一侧燃烧器利用抽烟风机抽出炉内烟气并通过相连蓄热体储存热能,热量蓄足后,换向阀工作,两个烧嘴的功能进行互换,完成一个周期的热循环。
该型蓄热式燃烧器体积庞大,要求有较大的布置空间;在工作过程中换向周期为20~300s,频繁切换易造成炉温、炉压的波动,换向瞬间会造成燃烧不连续,影响炉温均匀性,从而导致加热质量降低;同时,该型燃烧器在实际应用时换向阀启动频繁,容易损坏;烟气和预热空气或燃气共用一个通道,容易造成“脱火”(燃气供应不畅使火焰断续甚至熄灭)及“回火”(火焰回流后在通道内燃烧)问题。
受此影响,采用该型蓄热式燃烧器的加热炉在实际生产过程中,未收到应有的节能效果,且对加热工艺制度要求比较严格的产品,综合经济效益跟常规加热炉相比,优势不明显。
另外,针对上述切换式高温空气燃烧器的不足,业内开发出了自蓄热式燃烧器,通过合理的气流组织与控制方式实现单台燃烧器的连续燃烧,又能达到蓄热节能目的的燃烧装置。
在[自蓄热式高温空气燃烧技术的开发,张建军,邹得球,肖睿,高日新,冯自平,《工业炉》,2009,31 (4) :1-4]一文中,分析了切换式蓄热燃烧系统的优点与不足,并开发了可连续燃烧的自蓄热高温空气燃烧器。其燃烧器采用陶瓷-金属蜂窝蓄热体以及蓄热燃烧专用高温切换阀技术,可以实现高温烟气余热的“极限稳定回收”以及高温贫氧空气的“连续燃烧”。但受结构限制,仍不可避免的使用多处换向机构,管线布置复杂,对控制系统和日常维护都提出较高要求,不利于工业化应用。
发明内容:
发明目的:针对现有技术中存在的不足,本发明的目的是提供一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,具有结构设计更合理,NOx排放量低,能够实现空气/燃气双预热等特点。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案如下:
一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,包括贯穿炉墙内外的一次燃气管路、二次燃气管路、空气通道和烟气通道;在所述的一次燃气管路上设有燃气/低温烟气换热器,在所述的空气通道和烟气通道上设有空气/高温烟气换热器;所述的二次燃气管路、空气通道和烟气通道均围绕一次燃气管路设置,且在径向位置上相互隔开,一次燃气管路的燃气喷口、二次燃气管路的二次燃气喷口、空气通道的空气喷口和烟气通道的烟气入口在轴向位置上相互隔开。
所述的一次燃气管路:常温燃气由一次燃气入口进入,通过燃气/低温烟气换热器,被末段烟气预热至设计温度;预热后的燃气通过燃气喷口高速喷出,与空气通道喷出的预热空气混合后燃烧。
所述的二次燃气管路:常温燃气由二次燃气入口进入,分流至燃烧器两侧,通过二次燃气喷口高速喷出,与一次燃气形成分级燃烧。
所述的空气通道:常温空气由空气入口进入,通过空气集管分流至多组空气/高温烟气换热器,被初段烟气预热至设计温度;预热后的空气通过空气喷口高速喷出,与燃气通道喷出的预热燃气混合后燃烧。
所述的烟气通道:高温烟气通过烟气入口进入空气/高温烟气换热器,与空气换热后进入烟气集管,然后汇合后进入燃气/低温烟气换热器,与燃气换热后进入烟气出口。
所述的烟气入口为陶瓷喷管入口,设置有若干进气孔,高温烟气通过陶瓷喷管入口进入空气/高温烟气换热器,陶瓷喷管入口与燃气、空气出口保持一定距离,燃气、空气出口向炉墙内伸入,而烟气入口则向炉墙缩进,可以防止吸入未燃烧的煤气发生短路现象。
所述的二次燃气管路和空气/高温烟气换热器均围绕一次燃气管路设置,通过烧嘴砖相互固定。
所述的燃气喷口、二次燃气喷口、空气喷口均采用陶瓷燃气/空气喷口,均设置为多个。
在所述的位于炉墙外侧的烟气集管、燃气/低温烟气换热器的外周设置保温棉。
所述的燃气/低温烟气换热器和空气/高温烟气换热器均为内外翅片式换热器,换热器外部翅片在外圆周面上呈放射状分布,内翅片在内圆周面上呈放射状分布,内外翅片交错布置;换热器长度方向上翅片设置若干组,各组之间交错布置,使通过的气流被打散,增加换热效率。
所述的内外翅片式换热器,每过2组翅片,设置外折流板、内折流板各1件,折流板为扇形,使通过的气流形成交错的折流通道,增加换热效率。
所述的空气喷口和烟气入口集成为一体,采用陶瓷制作,插入烧嘴砖内,内部设置凹槽,将空气/高温烟气换热器嵌入其中,阻断烟气/空气。
所述的内外翅片式换热器,采用陶瓷蓄热材料、金属陶瓷蓄热材料、或高温合金制作。
取消所述的空气喷口靠近燃气喷口或二次燃气喷口侧的进气孔,只保留远离侧的进气孔,防止燃气“短路”现象的发生。
所述的空气喷口、燃气喷口、二次燃气喷口的出口形状为圆型、缝隙型,射出方式为平流或旋流。
有益效果:与现有的技术相比,本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,可以单独使用,无需像切换式蓄热燃烧器那样成对布置,结构更加紧凑,且燃气可连续供给,火焰稳定可靠,不会出现频繁切换过程中造成的炉温、炉压倒波动,加热质量高。能够实现空气/燃气双预热,以及分级燃烧,且NOx排放量低。同现有连续式蓄热燃烧器相比,彻底取消了换向阀,避免烧嘴堵塞、断火、爆鸣等问题。气体流向不会发生大幅变化,燃烧更加稳定,避免现有蓄热式燃烧器产生的炉压波动。
附图说明
图1是空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器的结构示意图;
图2是图1的A-A向剖视图;
图3是图1的B-B向剖视图;
图4是空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器的侧视图;
图5是燃气/低温烟气换热器中的气体流向示意图;
图6是燃气/低温烟气换热器的局部结构示意图;
图7是燃气/低温烟气换热器的局部放大图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明做进一步的说明。
如图1-图4所示,本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,主要结构部件包括一次燃气入口11、燃气/低温烟气换热器12、燃气喷口13、二次燃气入口21、二次燃气喷口22、空气入口31、空气集管32、空气/高温烟气换热器33、空气喷口34、烟气入口41、烟气集管42、烟气出口43、烟气壳体保温棉44、烧嘴砖45以及炉墙51;其中,一次燃气入口11与燃气/低温烟气换热器12相连,燃气/低温烟气换热器12与一次燃气管路的燃气喷口13相连;二次燃气入口21通过二次燃气管路与二次燃气喷口22相连;空气入口31连通空气集管32,空气集管32与空气/高温烟气换热器33相连,空气/高温烟气换热器33与空气喷口34相连,烟气入口41通过空气/高温烟气换热器33与烟气集管42相连,烟气集管42与燃气/低温烟气换热器12相连,燃气/低温烟气换热器12与烟气出口43相连。一次燃气管路、二次燃气管路、空气/高温烟气换热器33均贯穿炉墙51内外;其中,燃气喷口13、二次燃气喷口22、空气喷口34、烟气入口41均位于炉墙51内,一次燃气入口11、燃气/低温烟气换热器12、二次燃气入口21、空气入口31、空气集管32、烟气集管42、烟气出口43均位于炉墙51外,在燃气/低温烟气换热器12、空气集管32、烟气集管42以及部分烧嘴砖45(位于炉墙51外的部分)的外周均设有烟气壳体保温棉44。
空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,共有4个管路(通道),具体如下:
一次燃气管路:常温燃气由一次燃气入口11进入,通过由蓄热材料制成的燃气/低温烟气换热器12,被末段烟气预热至设计温度(由于末段烟气温度稍低,理论上预热温度一般不超过300℃,可通过调节换热器长度控制预热温度以适应不同工况的要求);预热后的燃气通过燃气喷口13高速喷出,与空气通道喷出的预热空气混合后燃烧。
二次燃气管路:常温燃气由二次燃气入口21进入,分流至燃烧器两侧,通过二次燃气喷口22高速喷出,与一次燃气形成分级燃烧。
空气通道:常温空气由空气入口31进入,通过空气集管32分流至多组空气/高温烟气换热器33(可为4、6、8组),被初段烟气预热至设计温度(理论上可达500℃以上,可通过调节换热器长度控制预热温度以适应不同工况的要求);预热后的空气通过空气喷口34高速喷出(根据工况设计特定角度,喷口也可为圆型、缝隙型),与燃气通道喷出的预热燃气混合后燃烧。
烟气通道:高温烟气通过烟气入口41进入空气/高温烟气换热器33,与空气换热后进入烟气集管42,然后汇合后进入燃气/低温烟气换热器12,与燃气换热后进入烟气出口43(理论上排烟温度可低至100℃以下)。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,烟气入口41为陶瓷喷管入口,设置有若干进气孔,高温烟气通过陶瓷喷管入口进入空气/高温烟气换热器33,陶瓷喷管入口与燃气、空气出口保持一定距离,燃气、空气出口向炉墙51内伸入,而烟气入口41则向炉墙51缩进,可以防止吸入未燃烧的煤气发生短路现象。
二次燃气管路和空气/高温烟气换热器33均围绕一次燃气管路设置,通过烧嘴砖45相互固定;这样可以确保一次燃气、空气、烟气、二次燃气通道从中间向外相互分离,不会出现传统蓄热烧嘴的“回火”问题。同时,一次燃气、二次燃气与预热空气混合后实现分级燃烧,使燃烧反应更加彻底,最终NOx排放量会大大降低。
燃气喷口13、二次燃气喷口22、空气喷口34均采用陶瓷燃气/空气喷口,插入式设计,易于更换,维护方便。同时设置多个燃气、空气喷口,使火焰更加弥散,从而实现无焰燃烧,最终NOx排放量会大大降低。
在烟气集管、燃气换热器外侧设置保温棉44,可以进一步防止烟气热量损耗,提高热效率。
燃气/低温烟气换热器12和空气/高温烟气换热器33,均为内外翅片式换热器,如图5-7所示,换热器外翅片63在外圆周面上呈放射状分布,内翅片64在内圆周面上呈放射状分布,内外翅片交错布置。换热器长度方向上翅片设置若干组,各组之间交错布置,使通过的气流被打散,增加换热效率。每过2组翅片,设置外折流板61、内折流板62各1件(即设置在外部翅片63之间设外折流板61,在内翅片64之间设置内折流板62),折流板为扇形,使通过的气流形成交错的折流通道,增加换热效率。该换热器可采用陶瓷蓄热材料、金属陶瓷蓄热材料、或高温合金制作。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,可将烟气喷管入口和空气喷管出口集成为一体,采用陶瓷制作,插入烧嘴砖(耐火材料制作)内,内部设置凹槽,将空气/烟气换热器嵌入其中,阻断烟气/空气。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,可以取消空气喷管靠近燃气喷管侧的进气孔,只保留远离侧的进气孔,进一步防止燃气“短路”现象的发生。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,空气/燃气喷管出口形状还可为圆型、缝隙型等,射出方式除图示的平流外,还可为旋流。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,针对现有技术中蓄热式燃烧器的缺点设计,结构更合理,NOx排放量低,能够实现空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器。可以单独使用,无需像切换式蓄热燃烧器那样成对布置,结构更加紧凑,且燃气可联系供给,火焰稳定可靠,不会出现频繁切换过程中造成的炉温、炉压倒波动,加热质量高。高温烟气通过陶瓷喷管入口(设置若干进气孔,入口与煤气、空气出口保持一定距离,防止吸入未燃烧的煤气发生短路现象)燃气、空气、烟气通道相互分离,不会出现传统蓄热烧嘴的“回火”问题。采用陶瓷燃气/空气喷口,插入式设计,易于更换,维护方便,一次燃气、二次燃气与预热空气混合后实现分级燃烧,使燃烧反应更加彻底,最终NOx排放量会大大降低。具备多个燃气、空气喷口,使火焰更加弥散,从而实现无焰燃烧,最终NOx排放量会大大降低。实现对燃气、空气的双预热,具有更高的热效率。同现有连续式蓄热燃烧器相比,彻底取消了换向阀,避免烧嘴堵塞、断火、爆鸣等问题。气体流向不会发生大幅变化,燃烧更加稳定,避免现有蓄热式燃烧器产生的炉压波动。
本申请的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,无焰燃烧由于提高了燃烧速度和燃烧温度,降低了烟气[O]浓度,燃烧热量可以弥散到更大的范围内,能够在提高炉膛温度均匀性的同时降低NOx等污染物排放,较低的[O]浓度还进一步降低了被加热钢坯的氧化烧损,延长炉内设备和耐火材料的使用寿命,分级燃烧是利用空气/燃气的分级供给,使燃烧更加充分,比不分级燃烧相比减少20%~30%的NOx排放量。

Claims (6)

1.一种空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,包括贯穿炉墙(51)内外的一次燃气管路、二次燃气管路、空气通道和烟气通道;在所述的一次燃气管路上设有燃气/低温烟气换热器(12),在所述的空气通道和烟气通道上设有空气/高温烟气换热器(33);所述的二次燃气管路、空气通道和烟气通道均围绕一次燃气管路设置,且在径向位置上相互隔开,一次燃气管路的燃气喷口(13)、二次燃气管路的二次燃气喷口(22)、空气通道的空气喷口(34)和烟气通道的烟气入口(41)在轴向位置上相互隔开;
所述的一次燃气管路:常温燃气由一次燃气入口(11)进入,通过燃气/低温烟气换热器(12),被末段烟气预热至设计温度;预热后的燃气通过燃气喷口(13)高速喷出,与空气通道喷出的预热空气混合后燃烧;
所述的二次燃气管路:常温燃气由二次燃气入口(21)进入,分流至燃烧器两侧,通过二次燃气喷口(22)高速喷出,与一次燃气形成分级燃烧;
所述的空气通道:常温空气由空气入口(31)进入,通过空气集管(32)分流至多组空气/高温烟气换热器(33),被初段烟气预热至设计温度;预热后的空气通过空气喷口(34)高速喷出,与燃气通道喷出的预热燃气混合后燃烧;
所述的烟气通道:高温烟气通过烟气入口(41)进入空气/高温烟气换热器(33),与空气换热后进入烟气集管(42),然后汇合后进入燃气/低温烟气换热器(12),与燃气换热后进入烟气出口(43)。
2.根据权利要求1所述的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,所述的烟气入口(41)为陶瓷喷管入口,设置有若干进气孔,高温烟气通过陶瓷喷管入口进入空气/高温烟气换热器(33),陶瓷喷管入口与燃气、空气出口保持一定距离,燃气、空气出口向炉墙(51)内伸入,而烟气入口(41)则向炉墙(51)缩进,可以防止吸入未燃烧的煤气发生短路现象。
3.根据权利要求1所述的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,所述的二次燃气管路和空气/高温烟气换热器(33)均围绕一次燃气管路设置,通过烧嘴砖(45)相互固定。
4.根据权利要求1所述的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,所述的燃气喷口(13)、二次燃气喷口(12)、空气喷口(34)均采用陶瓷燃气/空气喷口,均设置为多个。
5.根据权利要求1所述的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,在位于炉墙(51)外侧的烟气集管、燃气/低温烟气换热器(12)的外周设置保温棉(44)。
6.根据权利要求1所述的空气/燃气双预热的连续式自身蓄热无焰燃烧器,其特征在于,所述的空气喷口(34)和烟气入口(41)集成为一体,采用陶瓷制作,插入烧嘴砖内,内部设置凹槽,将空气/高温烟气换热器(33)嵌入其中,阻断烟气/空气。
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