CN108548179A - 一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置 - Google Patents

一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，涉及加热装置领域。一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，所述加热装置包括自预热燃烧器和定向辐射管，所述预热燃烧器包括一个长管状主体；在长管状主体外侧套装长管状的助燃气管道；在所述助燃气管道外侧套装长管状烟气排出管道；在所述烟气排出管道外侧套装短管状烟气循环管道，所述烟气循环管道的出口端连通助燃气管道将定向辐射管的生成的部分烟气送回至助燃气管道中。本发明所述的烟气排出管道及烟气循环管道的结构形式可解决由水当量比所导致的换热效率低的问题，显著提高换热器的热效率。

Description

一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置
技术领域
本发明涉及一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，涉及加热装置领域。
背景技术
由自预热燃烧器和辐射管构成的间接加热系统，在工作过程中，辐射管内的烟气与被加热的物料并不接触，可有效避免氧化、脱碳等加热缺陷，因此，被广泛应用于金属热处理、钢坯加热等工艺环节。而对于该系统的研发也越来越受到企业和科研院校的重视。目前，自身预热式辐射管加热系统主要存在两方面问题，一是换热器热效率低，导致热损失多、能耗大；二是辐射管表面温度不均匀，导致加热质量差、辐射管热应力大、寿命短。针对以上两方面问题，研究者开展了大量的研究。在换热效率方面，大量的研究者试图通过改变自预热燃烧器上的换热器结构和材质来提高换热效率，如螺旋管式、多段管式、套管式等。这些研究的共同点是以间壁式对流换热形式为基础，通过改变换热行程或增加表面换热系数的方法强化传热。而由换热器热效率定义式可知，由于导管内空气水当量(流量与比热的乘积)比烟气水当量小很多，因此，即使是理想换热器，当空气出口预热温度达到烟气进口温度时，其热效率仍较小(极限值约等于两者的水当量比)。而对于实际换热器，受到自预热燃烧器自身结构和体积的限制，将导致换热效率更低。可见，对于间壁式换热方式，无论如何更改换热器结构形式都无法突破其极限值。为有效解决换热效率低的问题，必须打破原有的间壁式换热形式，突破水当量比的限制。在辐射管温度均匀性方面，经验表明，辐射管形状对管壁温度分布有较大的影响。为此，企业也研发了多种形式的辐射管，如W型、U型和P型等。但这些辐射管存在结构复杂、造价昂贵、寿命短、火焰传播受限制，及燃烧状况差等问题。
发明内容
针对现有技术上的不足，本发明提供一种富氧燃烧形式的自预热定向辐射加热系统，该系统采用烟气再循环结构形式，突破水当量比的限制，大幅提高换热器的换热效率，同时有效减少了NOx排放，而对辐射管表面结构形式的设计可有效改善辐射管表面温度均匀性，进而提高产品的加热质量，同时延长辐射管寿命。
一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，其特征在于：所述加热装置包括自预热燃烧器和定向辐射管，所述定向辐射管一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端，所述自预热燃烧器通过定向辐射管开口端伸入定向辐射管，并以与定向辐射管同轴的方式部分设于定向辐射管内部，
所述预热燃烧器包括一个长管状主体，所述长管状主体的前端为腔体燃烧室，长管状主体内设有与其平行设置的燃气管道和点火装置，所述燃气管道的出口端和点火装置的点火头位于所述燃烧室内；在长管状主体外侧套装长管状的助燃气管道，所述助燃气管道的出口端与燃烧室的出口端位置相同；在所述助燃气管道外侧套装长管状烟气排出管道，所述烟气排出管道的入口端的位置靠近燃烧室的出口端，且距离燃烧室的出口端为燃烧室水平长度的1/10～1/8，所述烟气排出管道的出口端连通外界或收集装置；在所述烟气排出管道外侧套装短管状烟气循环管道，所述烟气循环管道的入口端的水平位置远离燃烧室的出口端，且与烟气出口管道中心线的距离L5为燃烧器总长度L1的1/4～1/3；所述烟气循环管道的出口端连通助燃气管道将定向辐射管的生成的部分烟气送回至助燃气管道中，
所述长管状主体、助燃气管道、烟气排出管道、烟气循环管道同轴设置。
本发明所述自预热燃烧式定向辐射管加热装置，具有烟气再循环结构形式的自预热燃烧器及定向辐射管。其中，所述自预热燃烧器包括一个燃烧室，一个烟气排出管道，点火装置，燃气管道，助燃气体管道，氧气管道，一个烟气循环管道，循环风机及相应的控制阀门。所述烟气排出管道的入口端位于靠近燃烧室出口处，其位于助燃气体管道的外层；所述烟气循环管道的入口端靠近燃烧器根部，循环烟气管道内设有循环风机及相应的阀门，烟气循环管道的另一端与助燃气管道相连接。
本发明所述自预热燃烧式定向辐射管加热装置，包括一个定向辐射管和一个燃烧器，所述定向辐射管一端为封闭端，另一端为开口端，所述燃烧器由其开口端伸入定向辐射管内，燃烧室、助燃气管道的出口端、烟气排出管道入口端、烟气循环管道的入口端均位于定向辐射管内。
本发明所述定向辐射管可直接固定于炉墙上，也可贯穿炉墙并通过固定件固定在炉墙上，所述燃烧器的的燃烧室、助燃气管道的出口端、烟气排出管道入口端、烟气循环管道的入口端均位于炉墙内。
本发明所述燃烧器的主体为长管状主体，其前端为一腔体结构，腔体出口则为火焰出口；腔体结构内设有点火装置和燃气管道出口。本发明所述点火装置为用于辐射管燃烧器的点火装置，其可商业购得。
本发明所述助燃气管道套装在长管状主体上，其出口端与燃烧室的出口端位置相同；所述烟气排出管道的入口端靠近燃烧室的出口端，所述烟气循环管道的入口端靠近炉墙。
进一步地，所述烟气排出管道的出口端连通引射器，用于将烟气由烟气排出管道排出。
进一步地，所述烟气循环管道的出口端通过连通循环风机，所述循环风机出口端连通助燃气管道。
进一步地，所述助燃气管道套管表面至少部分为非光滑表面。本发明所述助燃气管道与所述烟气循环管道相重合的部分优选为非光滑表面。
本发明所述自预热燃烧式定向辐射管加热装置，所述定向辐射管至少部分表面为非光滑表面。
进一步地，所述非光滑表面占定向辐射管全部内表面的25％～50％；更进一步地，所述非光滑表面具体设置情况与燃料燃烧过程有关，如：火焰长度形状、燃料成分、压力等)。更进一步地，所述定向辐射管为I型、P型、双a型。
本发明所述定向辐射管，所述定向辐射管至少部分表面为非光滑表面，其结构可为凸凹形式、螺纹形式等。定向表面位置可根据火焰温度分布确定。对于I型直管，燃烧析热场的表达式如下式所示：
式中，q0为在火焰开始端燃料不完全燃烧的热量占燃料化学热的百分数；qx为距开始端x处燃料不完全燃烧热量的百分数；L0为火焰长度(即燃烧带长度)；P代表燃烧速度的特性，对于燃油烧嘴，P＝1；对于燃气烧嘴P＝3。由此可确定，定向辐射管位置s在小于1/3L0及大于L0处时，可采用非光滑表面结构形式，而在其他位置处采用光滑管形式。本发明所述的定向辐射管是基于I型定向辐射管，但不仅限于此，也可基于P型定向辐射管，双a型定向辐射管。由燃烧析热场可知，P型和双a型定向辐射管非光滑表面可取为：在内弯管处，以内外管转弯处起，长度为内弯管直管长度的1/4～1/3；在外弯管处，取外弯管中间部分，长度为外弯管直管长度的1/2～2/3。
利用上述自预热燃烧式定向辐射管加热装置进行加热的方法，具体包括如下步骤：
使燃气由燃气管道进入燃烧室，助燃气通过助燃气管道进入，并于烟气循环管道口位置，在循环风机压力作用下，与循环烟气掺混，掺混后的气体作为助燃气体流入燃烧室；在燃烧室内，燃气与助燃气体发生燃烧化学反应，燃烧产生的烟气由燃烧室出口进入定向辐射管内。烟气与定向辐射管进行热交换，在凸凹不平的表面处，表面吸收率较大，因而相对于平滑表面，该位置将获得更多的辐射热流量，从而显著改善了定向辐射管整体的温度均匀性。定向辐射管内的烟气经由两个烟气管道流出。即一部分烟气由靠近燃烧室出口位置的烟气管道入口流入时，烟气与助燃气体进行热交换后，在引射风作用下排出燃烧器，由于这部分烟气与助燃气体具有接近的水当量，因此，换热器的极限热效率可接近100％。另一部分烟气由靠近燃烧器根部法兰处的烟气管道流入时，烟气在循环风机的作用下，与氧气进行掺混，并作为助燃气体流回燃烧室，这部分烟气由于直接回兑到燃烧室内，因此可认为其热能被完全回收。两部分烟气的比例是通过循环风机和引射风的压力来调节。
本发明的有益效果为：
相对于原有的结构形式，本发明所述的烟气排出管道及烟气循环管道的结构形式可解决由水当量比所导致的换热效率低的问题，显著提高换热器的热效率。采用纯氧与循环烟气掺混作为助燃气体，可减少因N2的参与所生成的NOx。同时，烟气生成量也相应减少，理论燃烧温度也将显著提高。定向辐射管表面结构的设计是利用改变不同位置的表面辐射特性，进而改变辐射热流量的分布，有效改善定向辐射管表面温度的均匀性，提高产品的加热质量，延长定向辐射管的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的在应用实例中的结构示意图；
图2是本发明的自预热燃烧器结构示意图；
图3是本发明A-A处的剖面结构示意图；
图4(a)～(c)分别是本发明的定向辐射管三种实例的结构示意图，(a)I型定向辐射管；(b)P型定向辐射管；(c)双a型定向辐射管
1-定向辐射管；2-燃烧室；3-氧气入口；4-助燃气管道；5-助燃气管道的出口端；6-烟气排出管道；7-烟气排出管道的入口端；8-烟气排出管道的出口端；9-烟气循环管道；10-烟气循环管道的入口端；11-燃气管道的入口端；12-燃气管道；13-燃气管道的出口端；14-阀门；15-循环风机；16-炉墙；17-引射器；18-点火装置；19-I型定向辐射管；20-P型定向辐射管；21-双a型定向辐射管；22-长管状主体。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
如图1所示，一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，所述加热装置包括自预热燃烧器和定向辐射管1，所述定向辐射管1一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为固定于炉墙上的开口端，所述自预热燃烧器通过定向辐射管1开口端伸入定向辐射管1，并以与定向辐射管1同轴的方式设于定向辐射管1内部，其中，燃烧器中燃烧室2、助燃气管道4的出口端、烟气排出管道6入口端、烟气循环管道10的入口端均位于定向辐射管1内。
所述烟气排出管道6的出口端位于炉墙16外，其连通引射器17，利用引射器17将烟气由烟气排出管道6排出至外界；所述烟气循环管道10的出口端位于炉墙外，其连通循环风机15，所述循环风机15的另一端连通助燃气管道4；同时助燃气管道4连通氧气源，氧气由氧气入口3进入助燃气管道4并于来自烟气循环管道的烟气汇合后进入燃烧室2；所述助燃气管道4套管与循环烟气进行换热的表面为非光滑表面。
图2为自预热燃烧器的示意图，所述自预热燃烧器包括一个长管状主体22，所述长管状主体的前端为腔体燃烧室2，长管状主体22内设有与其平行设置的燃气管道12和点火装置18，所述燃气管道的出口端13和点火装置18的点火头位于所述燃烧室2内；在长管状主体22外侧套装长管状的助燃气管道4，所述助燃气管道的出口端5与燃烧室2的出口端位置相同；在所述助燃气管道4外侧套装长管状烟气排出管道6，所述烟气排出管道的入口端7的位置靠近燃烧室2的出口端，且距离燃烧室2的出口端为燃烧室水平长度的1/10～1/8，所述烟气排出管道的出口端连通外界或收集装置；在所述烟气排出管道6外侧套装短管状烟气循环管道9，所述烟气循环管道的入口端10的水平位置远离燃烧室2的出口端，且与烟气出口管道8中心线的距离L5为燃烧器总长度L1的1/4～1/3；所述烟气循环管道9的出口端连通助燃气管道4将定向辐射管1的生成的部分烟气送回至助燃气管道4中，
如图3所示，所述长管状主体、助燃气管道4、烟气排出管道6、烟气循环管道9同轴设置。
如图4所示，所述定向辐射管1部分表面为非光滑表面，所述非光滑表面占定向辐射管2全部内表面的25％～50％。
实施例1
本实施例采用I型定向辐射管；燃烧器长度L1如附图2所示为840mm，氧气入口3直径为40mm，燃气管道的入口端11的直径为30mm，烟气排出管道的出口端8的直径为50mm，烟气排出管道6的内径L3为160mm，烟气循环管道的9内径L4为180mm，循环风机出口端管道中心线与燃气管道12的中心线的垂直距离L2如附图2所示为150mm。燃气采用天然气，流量为3.05m3/h，氧气流量为1.85m3/h，定向辐射管采用I型定向辐射管，管长为1500mm，管内径为190mm，定向辐射管材质为1Cr18Ni9Ti。由上述燃烧析热场的表达式可确定，定向辐射管采用非光滑表面的位置为距离炉墙200mm～400mm处，以及距离炉墙1100mm～1320mm处，非光滑表面总长度为420mm。如附图4a所示
对比燃烧实验如下：实验采用功率为30kW的普通自预热燃烧器及本发明燃烧器。实验结果表明，本发明燃烧器换热效率可达90％以上，与普通自预热燃烧器相比，可节能30％以上。同时，采用非光滑表面定向辐射管，定向辐射管表面温度均匀性有所提高，管长方向最大温差约为8℃。
实施例2
同上，对于P型定向辐射管，管长为1500mm，管内径为190mm，管宽度L6为400mm，非光滑表面位置为：在内弯管处，从内弯管位置起375mm长，在外弯管处，取外弯管中间位置750mm长如附图4b所示。实验结果表明，定向辐射管表面温度均匀性有所提高，与普通光滑管相比，最大温差可减小20％～30％。
实施例3
同上，对于双a型定向辐射管，管长为1500mm，管内径为190mm，管宽度L7为800mm，非光滑表面位置与P型辐射管相同，在内弯管处，从内弯管位置起375mm长，在外弯管处，取外弯管中间位置750mm长如附图4c所示。实验结果表明，定向辐射管表面温度均匀性有所提高，与普通光滑管相比，最大温差可减小25％～35％。

Claims (9)

1.一种自预热燃烧式定向辐射管加热装置，其特征在于：所述加热装置包括自预热燃烧器和定向辐射管(1)，所述定向辐射管(1)一端为置于炉墙内的封闭末端，另一端为穿透炉墙或固定于炉墙上的开口端，所述自预热燃烧器通过定向辐射管(1)开口端伸入定向辐射管(1)，并以与定向辐射管(1)同轴的方式部分设于定向辐射管(1)内部，
所述预热燃烧器包括一个长管状主体(22)，所述长管状主体(22)的前端为腔体燃烧室(2)，长管状主体(22)内设有与其平行设置的燃气管道(12)和点火装置(18)，所述燃气管道的出口端(13)和点火装置(18)的点火头位于所述燃烧室(2)内；在长管状主体(22)外侧套装长管状的助燃气管道(4)，所述助燃气管道的出口端(5)与燃烧室(2)的出口端位置相同；在所述助燃气管道(4)外侧套装长管状烟气排出管道(6)，所述烟气排出管道(6)的入口端的位置靠近燃烧室(2)的出口端，且距离燃烧室(2)的出口端为燃烧室(2)水平长度的1/10～1/8，所述烟气排出管道(6)的出口端连通外界或收集装置；在所述烟气排出管道(6)外侧套装短管状烟气循环管道(9)，所述烟气循环管道的入口端(10)的水平位置远离燃烧室(2)的出口端，且与烟气出口管道(8)中心线的距离L5为燃烧器总长度L1的1/4～1/3；所述烟气循环管道(9)的出口端连通助燃气管道(4)将定向辐射管(1)的生成的部分烟气送回至助燃气管道(4)中，
所述长管状主体、助燃气管道(4)、烟气排出管道(6)、烟气循环管道(9)同轴设置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述定向辐射管(1)至少部分表面为非光滑表面。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述非光滑表面占定向辐射管(2)全部内表面的25％～50％。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述非光滑表面结构为凹凸表面，或螺纹表面。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述烟气排出管道(6)的出口端连通引射器，用于将烟气由烟气排出管道(6)排出。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述烟气循环管道(9)的出口端通过连通循环风机(15)，所述循环风机(15)出口端连通助燃气管道(4)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述助燃气管道(4)套管表面至少部分为非光滑表面。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述定向辐射管为I型、P型、双a型。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：
当定向辐射管为I型直管时，所述非光滑表面的位置位于辐射管小于1/3L0及大于L0处；
当定向辐射管为P型或双a型定时，所述非光滑表面的位置如下：在内弯管处，以内外管转弯处起，长度为内弯管直管长度的1/4～1/3；在外弯管处，取外弯管中间部分，长度为外弯管直管长度的1/2～2/3。
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