CN108774657A - 一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，有效解决热风炉连续、稳定高温燃烧与传热，提高使用寿命，减少事故的问题，在空心金属外壳内砌筑耐火材料墙体的封闭耐压的矩形筒体结构，矩形筒体结构由从上到下连为一体拱形结构的炉顶、矩形等截面的炉墙和水平矩形平面的炉底封闭而成，构成燃烧室、换热室和烟气汇集室；燃烧室垂直的前后对应墙体上装第一燃烧器和第二燃烧器，两燃烧器前后相互错位安装，预混气流阵列喷嘴前后与上下错位安装，烟气汇流室内有十字状承托隔墙，承托隔墙顶部有换热体的承托环形密封体，换热室的换热体上层顶部有上环形密封体和十字状条形密封体，上环形密封体和条形密封体为迷宫式滑移的动态密封。

Description

一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉

技术领域

本发明涉及热风炉，特别是需要高温而稳定的工艺气体（如空气、煤气、压缩空气等）的一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉。

背景技术

在热能、化工及冶金工程领域，热风炉（或加热炉）是一种不可或缺的采用燃料燃烧而获得较高温度工艺气体的重要热工设备。在工艺温度要求较低的应用中，金属制作的间壁式换热的热风炉是主流装置，而对于要获得高温工艺气体的热风装置就不能直接用金属制作的间壁式热风炉，而是采用蓄热式的陶瓷热交换的间歇式工作的热风炉。采用蓄热式热交换的热风炉实际上是一种无奈的选择，其原因在于耐高温的金属材料的缺乏，或者是金属材料的高温性能欠佳。即使是蓄热式热风炉从投资费用到运行费用都远高于间壁式热风炉，因为需要多台热风炉交替运行，才能实现高温工艺气体的连续供给。随着非金属陶瓷材料的发展与性能的改善，以及高温陶瓷制作工艺的改进，以及应用范围的逐步扩大，其制作成本将逐步下降。使用耐高温的间壁式陶瓷换热的热风炉就成为了可能。就目前情况看，相对于采用高温蓄热式换热的热风炉，高温陶瓷换热器的制作成本已经相差不大，考虑其操作使用过程要远比蓄热式换热器简单，用高温陶瓷换热的热风炉取代蓄热式换热的热风炉时代已经来临。但是，随着陶瓷换热器设备的制作与应用的逐步推广，其使用上的问题也越来越显得突出，其陶瓷制品的耐高温性、耐温度变化性、耐较高压差性能气流间的密封结构，其燃烧器结构与燃烧性能以及整体结构的紧凑性和稳定性（寿命与事故率），均成为需要要重点解决的关键问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，可有效解决热风炉连续、稳定高温燃烧与传热，提高使用寿命，减少事故的问题。

本发明解决的技术方案是，一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，是在空心金属外壳内砌筑坚固耐火材料墙体的封闭耐压的矩形筒体结构，矩形筒体结构是由从上到下连为一体拱形结构的炉顶、矩形等截面的炉墙和水平矩形平面的炉底三个部位封闭而成，从上到下构成燃烧室、换热室和烟气汇集室；在燃烧室垂直的前后对应墙体上分别水平装有第一燃烧器和第二燃烧器，第一燃烧器和第二燃烧器均为三圆筒嵌套的套筒式结构，最外两层圆筒两端封闭，且一端的封闭延伸到内圆筒外壁，套筒外侧连通空气进气管，内侧沿周向开有多排均布的空气喷口，内圆筒为煤气进口管，其一端成收缩喷口状且部分插入套筒内，并在收缩喷口沿周向开设多个出流孔，套筒内为气流预混合通道，气流预混合通道连通燃烧室垂直墙体内的预混气集散通道的外侧，预混气集散通道的内侧设置按上下与前后排列的预混气流阵列喷嘴连通燃烧室，第一燃烧器和第二燃烧器前后相互错位安装，预混气流阵列喷嘴前后与上下错位安装，燃烧室炉拱顶上开有气流检修排气口；换热室内从下到上放置多层由多片陶瓷多孔板和多根矩形截面管构成的换热体，整体形成上下垂直的多孔烟气流通道和多层水平的前后方向的多孔冷热气流通道，两种气流通道间相互垂直，但被通道壁相隔；在换热室前后墙体两侧对应侧有导流通道，使上下层的多孔冷热流体通道形成转折的流动路径；换热室的前后墙体一侧下部装有冷气流进口管，以连通墙体内的冷气流集散通道，并通过导向格栅与换热体上的多孔冷热气流通道相连通；装有冷气流进口管的换热室墙体一侧的上部装有热气流出口管，并连通墙体内的热气流集聚通道，通过导向格栅与换热体上层的多孔冷热气流通道相连通；在烟气汇流室的墙体内侧沿四周均布有烟气汇集口，以及与烟气汇集口连通的墙体内的烟气汇集环道，在烟气汇集环道外侧墙上有烟气流出口，烟气汇流室内有十字状承托隔墙，十字状承托隔墙上有气流连通孔；承托隔墙顶部有换热体的承托环形密封体，换热室的换热体上层顶部有上环形密封体和十字状条形密封体，换热体与换热室内壁间有相间开的多层条形密封体，承托环形密封体和十字状条形密封体为静态密封，上环形密封体和条形密封体为迷宫式滑移的动态密封。

本发明结构新颖独特，使用效果好，寿命长，有效避免事故，可保证稳定的连续高温和稳定的工艺气体（如空气、煤气、压缩空气等），提高生产效率，经济和社会效益巨大。

附图说明

图1为本发明剖面结构主视图。

图2为本发明剖面结构侧视图。

图3为本发明图2中A-A剖面俯视图。

图4为本发明图1中B-B剖面俯视图。

图5为本发明换热体3a的结构图。

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5所示，本发明一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，是在空心金属外壳内砌筑坚固耐火材料墙体的封闭耐压的矩形筒体结构，矩形筒体结构是由从上到下连为一体拱形结构的炉顶1a、矩形等截面的炉墙1b和水平矩形平面的炉底1c三个部位封闭而成，从上到下构成燃烧室2、换热室3和烟气汇集室4；在燃烧室2垂直的前后对应墙体上分别水平装有第一燃烧器2-1和第二燃烧器2-2，第一燃烧器2-1和第二燃烧器2-2均为三圆筒嵌套的套筒式结构，最外两层圆筒两端封闭，且一端的封闭延伸到内圆筒外壁，套筒外侧连通空气进气管2b，内侧沿周向开有多排均布的空气喷口2c，内圆筒为煤气进口管2a，其一端成收缩喷口状且部分插入套筒内，并在收缩喷口沿周向开设多个出流孔2a-1，套筒内为气流预混合通道2d，气流预混合通道2d连通燃烧室垂直墙体内的预混气集散通道2e的外侧，预混气集散通道2e的内侧设置按上下与前后排列的预混气流阵列喷嘴2f连通燃烧室2，第一燃烧器2-1和第二燃烧器2-2前后相互错位安装，预混气流阵列喷嘴2f前后与上下错位安装，燃烧室炉拱顶上开有气流检修排气口1d；换热室3内从下到上放置多层由多片陶瓷多孔板3a-1和多根矩形截面管3a-2构成的换热体3a，整体形成上下垂直的多孔烟气流通道3a-4和多层水平的前后方向的多孔冷热气流通道3a-3，两种气流通道间相互垂直，但被通道壁相隔；在换热室前后墙体两侧对应侧有导流通道3e，使上下层的多孔冷热流体通道3a-3形成转折的流动路径；换热室3的前后墙体一侧下部装有冷气流进口管3b，以连通墙体内的冷气流集散通道3c，并通过导向格栅3d与换热体3a上的多孔冷热气流通道3a-3相连通；装有冷气流进口管3b的换热室墙体一侧的上部装有热气流出口管3h，并连通墙体内的热气流集聚通道3g，通过导向格栅3f与换热体3a上层的多孔冷热气流通道3a-3相连通；在烟气汇流室4的墙体内侧沿四周均布有烟气汇集口4a，以及与烟气汇集口4a连通的墙体内的烟气汇集环道4b，在烟气汇集环道4b外侧墙上有烟气流出口4c，烟气汇流室4内有十字状承托隔墙4d，十字状承托隔墙上有气流连通孔4e；承托隔墙4d顶部有换热体3a的承托环形密封体5b，换热室3的换热体3a上层顶部有上环形密封体5a和十字状条形密封体5c，换热体3a与换热室3内壁间有相间开的多层条形密封体5d，承托环形密封体5b和十字状条形密封体5c为静态密封，上环形密封体5a和条形密封体5d为迷宫式滑移的动态密封。

所述的矩形筒体结构1为金属壳体内壁上使用工作温度1300℃以上的耐火材料砌筑而成，内层为重质量承重材料而外层为轻质保温材料，其截面形状为矩形，换热体3a为导热性能好、抗热震性、防粘附的耐火材料（如碳化硅或氮化硅结合碳化硅）制成。

所述的燃烧室2垂直墙体内的预混气集散通道2e，为矩形截面通道，一侧连通气流预混合通道2d，另一侧连通预混气流阵列喷嘴2f，使预混气流阵列喷嘴2f与燃烧室2相通，预混气流阵列喷嘴2f截面为矩形或圆形，两个对应布置的燃烧器的预混气流阵列喷嘴2f相对燃烧器而言一个在前下部，另一个在后上部。

所述的换热室3内的换热体3a，其每一层均是由四个单体组件构成，每个单体组件均由多个多片陶瓷多孔板3a-1和多根矩形截面管3a-2烧结而成，单体组件间相互间留有间隙，且通过高温粘接剂连成一体，单体组件的排列要保证单体间水平的多孔冷热气流通道3a-3畅通，换热体3a两层之间通过高温粘接剂连接在一起，且垂直对正，以保证垂直的多孔烟气流通道3a-4畅通，换热体3a的水平多孔冷热气流通道3a-3和多孔烟气流通道3a-4，均为矩形截面的气流通道。

所述的烟气汇流室4的墙体内侧沿四周布置烟气汇集口4a，其截面为矩形，呈多排的阵列结构，沿烟气汇流室墙体上下均布，并连通墙体内矩形截面的烟气汇集环道4b，烟气汇集环道4b外侧墙上至少有一个圆形截面的烟气流出口4c，烟气汇流室4内有十字状承托隔墙4d，承托隔墙上至少有一个气流连通孔4e。

由上述可以看出，本发明热风炉是由金属外壳内砌筑坚固耐火材料墙体的封闭耐压的矩形筒体结构1，从上到下由拱形结构的炉顶1a、垂直矩形等截面筒体状的炉墙1b和水平矩形平面的炉底1c三个部位封闭而成，从上到下构成燃烧室2、换热室3和烟气汇集室4；在燃烧室2垂直的左右对应墙体上分别水平设置燃烧器2-1和2-2，燃烧器为三圆筒嵌套的套筒式结构，最外两层圆筒两端封闭，且一端的封闭延伸到内圆筒的外壁，套筒外侧连通空气进气管2b，内侧沿周向开有多排均布的空气喷口2c，内圆筒为煤气进口管2a，其一端成收缩喷口状且部分插入套筒内，并在收缩喷口沿周向开设多个出流孔2a-1，套筒内为气流预混合通道2d，它连通燃烧室垂直墙体内的预混气集散通道2e的外侧，预混气集散通道2e的内侧设置按上下与前后排列的预混气流阵列喷嘴2f连通燃烧室2，燃烧器2-1和2-2位置是前后相互错位的，其预混气流阵列喷嘴2f的放置则是前后与上下错位的，燃烧室炉拱顶上设置有气流检修排气口1d；换热室2内从下到上放置多层由多片陶瓷多孔板3a-1和多根矩形截面管3a-2组合成的换热体3a，整体形成上下垂直的多孔烟气流通道3a-4和多层水平的前后方向的多孔冷热气流通道3a-3，两种气流通道间相互垂直但被通道壁相隔；在换热室前后墙体两侧对应侧设置导流通道3e，使得上下层的多孔冷热流体通道3a-3能形成转折的流动路径；换热室3的前后墙体一侧下部设置冷气流进口管3b以连通墙体内的冷气流集散通道3c，并通过导向格栅3d与换热体3a上的多孔冷热气流通道3a-3相连通；换热室的前后墙体一侧上部设置热气流出口管3h以连通墙体内的热气流集聚通道3g，并通过导向格栅3f与换热体3a上层的多孔冷热气流通道3a-3相连通；在烟气汇流室4的墙体内侧沿四周布置烟气汇集口4a，以及与之连通的墙体内的烟气汇集环道4b，在烟气汇集环道4b外侧墙上有烟气流出口4c，烟气汇流室4有十字状承托隔墙4d以及承托隔墙上的气流连通孔4e；在承托隔墙4d顶部为换热体3a的承托环形密封体5b，在换热室2的换热体3a上层顶部有上环形密封体5a和十字状条形密封体5c，以及换热体3a层间的条形密封体5d，除承托环形密封体5b和十字状条形密封体5c为静态密封外，其余为迷宫式可滑移的动态密封。

本发明是对炼铁高炉的高温热风炉（蓄热式热交换设备）结构上的改进和创新，针对性地提出一种高温陶瓷换热的结构紧凑的热风炉，用以取代现行的高炉用的蓄热室换热的热风炉，实验和实践证明，本发明完全能够通过燃烧器与燃烧室结合完成煤气与空气的高强度高流速的混合燃烧，以致产生的高温烟气通过换热体的赏析垂直多孔通道向下流动，最后经烟气汇流室的收集而从烟气流出口流出，而冷风也能从冷气进口管进入经冷风气流集散通道进入下层的多孔冷热气流通道，再经导流通道转折进入上一层多孔冷热气流通，最后经过热气流集聚通道再从热气流出口管流出，同时在紧凑结构的换热体中实现了高温烟气与冷风之间的热交换，使得冷风被加热为高温的工艺气体（如空气、煤气、压缩空气等）。

由于这种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉采用多孔换热板组合的换热体结构，不仅热风炉整体结构更加紧凑，使燃烧与传热过程得以强化而促进其性能提高，而且换热体组合式的结构以及静态密封与动态密封相结合的连接方式，使设计更加便捷与灵活，只要合理选择材质与陶瓷多孔板的特征尺寸，就有利于控制制作成本与把握运行费用。同时，相对于使用蓄热式换热器而言，材料的用量极大地减少，操作运行系统得到了极大的简化，而且克服了蓄热式热风炉工艺流体温度波动的弊病，使得热风炉可以在稳定不变流体温度下长期稳定运行。

本发明实施时，煤气与空气分别通过燃烧器的煤气进口管2a空气进气管2b进入燃烧器，在气流预混合通道2d中相互间充分预混合后进入预混气集散通道2e，再经过预混气流阵列喷嘴2f而进入燃烧室2，由于预混气流阵列喷嘴2f是前后与上下错位，于是在燃烧室形成均均分布的气流分布，随后向下进入多孔烟气流通道3a-4，形成向下的均匀分布高温烟气流，再进入烟气汇流室4，通过烟气汇集口4a再到烟气汇集环道4，最后经烟气流出口4c离开热风炉本体；与此同时，换热室3的前后墙体一侧下部设置的冷气流进口管3b有待加热的冷气流进入，经冷气流集散通道3c再经导向格栅3d而进入下层的多孔冷热气流通道3a-3，之后导流通道3e经转折向上进入上一层的多孔冷热气流通道3a-3，几经转折之后气流进入最上层多孔冷热气流通道3a-3，之后经导向格栅3f进入热气流集聚通道3g，再进入热气流出口管3h；在此过程中高温烟气与冷气流之间，通过多孔板组成的一个个换热体3a的单体的壁面实现了热量的迅速传递，使冷气流变成了热气流，该热风炉就以连续的流动传热方式实现了自己的功能。当然，换热体两种气流间的密封是该技术成败的关键，本发明采用静态密封与动态密封和相结合的做法是实现这一目标的有效方法，也是常规密封技术的发展与改进。

由于采用了紧凑是的换热体结构强化了流动燃烧过程与实现了高强度的连续传热过程，经实验和实际应用，节省初投资（紧凑结构）30-40%和减少运行管理费用（可连续运行）35%以上，同时因减少了中间的蓄热介质，减少了传热温差而使得热风温度得以显著提高；而且高风温连续而稳定，节能环保，是任何工艺气体一直期待与追寻的目标，通过本发明都成为现实，其效果之好是未预料到的，是热风炉上的创新，经济和社会效益巨大。

Claims (5)

1.一种多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，其特征在于，是在空心金属外壳内砌筑坚固耐火材料墙体的封闭耐压的矩形筒体结构，矩形筒体结构是由从上到下连为一体拱形结构的炉顶（1a）、矩形等截面的炉墙（1b）和水平矩形平面的炉底（1c）三个部位封闭而成，从上到下构成燃烧室（2）、换热室（3）和烟气汇集室（4）；在燃烧室（2）垂直的前后对应墙体上分别水平装有第一燃烧器（2-1）和第二燃烧器（2-2），第一燃烧器（2-1）和第二燃烧器（2-2）均为三圆筒嵌套的套筒式结构，最外两层圆筒两端封闭，且一端的封闭延伸到内圆筒外壁，套筒外侧连通空气进气管（2b），内侧沿周向开有多排均布的空气喷口（2c），内圆筒为煤气进口管（2a），其一端成收缩喷口状且部分插入套筒内，并在收缩喷口沿周向开设多个出流孔（2a-1），套筒内为气流预混合通道（2d），气流预混合通道（2d）连通燃烧室垂直墙体内的预混气集散通道（2e）的外侧，预混气集散通道（2e）的内侧设置按上下与前后排列的预混气流阵列喷嘴（2f）连通燃烧室（2），第一燃烧器（2-1）和第二燃烧器（2-2）前后相互错位安装，预混气流阵列喷嘴（2f）前后与上下错位安装，燃烧室炉拱顶上开有气流检修排气口（1d）；换热室（3）内从下到上放置多层由多片陶瓷多孔板（3a-1）和多根矩形截面管（3a-2）构成的换热体（3a），整体形成上下垂直的多孔烟气流通道（3a-4）和多层水平的前后方向的多孔冷热气流通道（3a-3），两种气流通道间相互垂直，但被通道壁相隔；在换热室前后墙体两侧对应侧有导流通道（3e），使上下层的多孔冷热流体通道（3a-3）形成转折的流动路径；换热室（3）的前后墙体一侧下部装有冷气流进口管（3b），以连通墙体内的冷气流集散通道（3c），并通过导向格栅（3d）与换热体（3a）上的多孔冷热气流通道（3a-3）相连通；装有冷气流进口管（3b）的换热室墙体一侧的上部装有热气流出口管（3h），并连通墙体内的热气流集聚通道（3g），通过导向格栅（3f）与换热体（3a）上层的多孔冷热气流通道（3a-3）相连通；在烟气汇流室（4）的墙体内侧沿四周均布有烟气汇集口（4a），以及与烟气汇集口（4a）连通的墙体内的烟气汇集环道（4b），在烟气汇集环道（4b）外侧墙上有烟气流出口（4c），烟气汇流室（4）内有十字状承托隔墙（4d），十字状承托隔墙上有气流连通孔（4e）；承托隔墙（4d）顶部有换热体（3a）的承托环形密封体（5b），换热室（3）的换热体（3a）上层顶部有上环形密封体（5a）和十字状条形密封体（5c），换热体（3a）与换热室（3）内壁间有相间开的多层条形密封体（5d），承托环形密封体（5b）和十字状条形密封体（5c）为静态密封，上环形密封体（5a）和条形密封体（5d）为迷宫式滑移的动态密封。

2.根据权利要求1所述的多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，其特征在于，所述的矩形筒体结构（1）为金属壳体内壁上使用工作温度1300℃以上的耐火材料砌筑而成，内层为重质量承重材料而外层为轻质保温材料，其截面形状为矩形，换热体3a为导热性能好、抗热震性、防粘附的耐火材料制成。

3.根据权利要求1所述的多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，其特征在于，所述的燃烧室（2）垂直墙体内的预混气集散通道（2e），为矩形截面通道，一侧连通气流预混合通道（2d），另一侧连通预混气流阵列喷嘴（2f），使预混气流阵列喷嘴（2f）与燃烧室（2）相通，预混气流阵列喷嘴（2f）截面为矩形或圆形，两个对应布置的燃烧器的预混气流阵列喷嘴（2f）相对燃烧器而言一个在前下部，另一个在后上部。

4.根据权利要求1所述的多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，其特征在于，所述的换热室（3）内的换热体（3a），其每一层均是由四个单体组件构成，每个单体组件均由多个多片陶瓷多孔板（3a-1）和多根矩形截面管（3a-2）烧结而成，单体组件间相互间留有间隙，且通过高温粘接剂连成一体，单体组件的排列要保证单体间水平的多孔冷热气流通道（3a-3）畅通，换热体（3a）两层之间通过高温粘接剂连接在一起，且垂直对正，以保证垂直的多孔烟气流通道（3a-4）畅通，换热体（3a）的水平多孔冷热气流通道（3a-3）和多孔烟气流通道（3a-4），均为矩形截面的气流通道。

5.根据权利要求1所述的多喷嘴强混燃烧与板式紧凑换热结合的连续高温热风炉，其特征在于，所述的烟气汇流室（4）的墙体内侧沿四周布置烟气汇集口（4a），其截面为矩形，呈多排的阵列结构，沿烟气汇流室墙体上下均布，并连通墙体内矩形截面的烟气汇集环道（4b），烟气汇集环道（4b）外侧墙上至少有一个圆形截面的烟气流出口（4c），烟气汇流室（4）内有十字状承托隔墙（4d），承托隔墙上至少有一个气流连通孔（4e）。