CN109297326B - 一种烟气空气热交换器以及运用该交换器的二次预热烧嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气空气热交换器以及运用该交换器的二次预热烧嘴，热交换器包括外壳、烟气流通通道、空气流通通道，烟气流通通道形成于一烟气管中，烟气管为螺旋扁管，外壳内设置有空气管，烟气管设置于空气管内，烟气管与空气管之间预留间隙以形成空气流通通道，外壳为圆柱状中空管，一烟气管与一空气管形成一换热管组，换热管组设置多条，多条换热管组绕烟气空气热交换器横截面的中心均布，多条烟气流通通道对烟气分流、多条空气流通通道对空气分流，利用烟气的余热同时对多条空气管内的空气进行预热，提高燃气的燃烧效率，充分利用烟气余热，节能环保，烟气在螺旋扁管中流动，换热效果好，压力损失小，烟气的排放效率高。

Description

一种烟气空气热交换器以及运用该交换器的二次预热烧嘴

技术领域

本发明涉及窑炉燃烧技术领域，具体涉及一种烟气空气热交换器以及运用该交换器的二次预热烧嘴。

背景技术

热交换器是运用于高温流体(气体或液体)向低温流体传递热量交换的装置，根据作用不同，其可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，换热方式有：混合式、间壁式以及蓄热式，其中，间壁式还包括沉浸式、喷淋式、套管式、板式、管壳式、双管板等。

烟气空气热交换器是运用于工业燃烧炉中利用燃烧废气对助燃空气进行预热的装置。

现有技术中，公告号为CN101655239A的中国发明专利公开了一种陶瓷高效空气自身预热式燃烧器，包括陶瓷空气导管和安装在其内的燃气管、点火电极、陶瓷燃烧腔室，所述陶瓷燃烧腔室置于陶瓷空气导管前端开口处，燃气管和点火电极前端伸入至陶瓷燃烧腔室内，所述陶瓷空气导管后端外部套装有带空气进气口的进空气壳体，位于陶瓷空气导管外套装有陶瓷换热器，该陶瓷换热器外表面设有多个凹凸状小球面或多组凹凸状翅片，其内壁与陶瓷空气导管外壁之间的间隙同空气壳体相通，位于陶瓷换热器外还套装有陶瓷烟气导管，所述陶瓷烟气导管后端开有烟气出口。

该发明虽然能利用烟气通过陶瓷换热器外表面的多个凹凸状小球面或多组凹凸状翅片对空气进行预热，从而提高燃料的燃烧效率，但因凹凸状小球面或凹凸状翅片会对烟气的排放造成一定的阻碍，从而在使用过程中会出现烟气排放不畅通的现象，并且因热量的传递是通过陶瓷换热器外表面的烟气传递至陶瓷换热器内表面的空气，因此，与陶瓷换热器表面接触的空气、烟气的换热效果较好，而远离陶瓷换热器外表面的烟气的换热效果不佳、远离陶瓷换热器内表面的加热效果不佳，因此，将导致部分排出的烟气仍会携带残余热量排走，造成资源浪费，而远离陶瓷换热器内表面的空气仅能通过已加热的空气进行热传递，导致整体加热后的空气温度分布不够均匀，因此，烧嘴中的烟气空气换热部分仍具有改进的空间。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的在于提供一种烟气空气热交换器，其包括外壳、烟气管、空气管，该烟气空气热交换器能充分利用烟气的预热对空气进行预热且减少对烟气排放效率的影响，具有换热效果好、烟气排放阻力小的优点，节能环保。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种烟气空气热交换器，包括外壳，所述外壳内设置有烟气流通通道以及空气流通通道，所述烟气流通通道形成于一烟气管中，所述烟气管为螺旋扁管，所述外壳内设置有空气管，所述烟气管设置于所述空气管内，所述烟气管与所述空气管之间预留间隙以形成所述空气流通通道，所述外壳为圆柱状中空管，所述烟气管以及所述空气管的中心线均与所述外壳的旋转轴线平行，所述外壳两端的端部分别设置有烟气进气口、烟气出气口，所述外壳上的外表面上设置有空气进气口以及空气出气口，所述空气进气口、烟气出气口分别靠近所述外壳两端的端部设置，一所述烟气管与一空气管形成一换热管组，所述换热管组设置多条，多条所述换热管组绕烟气空气热交换器横截面的中心均布，多条所述换热管组中，所有的所述烟气管的一端均与所述烟气进气口连通，另一端均与所述烟气出气口连通，所有的所述空气管的一端均与所述空气进气口连通，另一端均与所述烟气出气口连通。

通过这样设置，携带余热的烟气由烟气进气口进入烟气空气热交换管中，烟气通过多条烟气管分流，在多条不同的烟气管中同时流动，空气通过空气进气口进入烟气空气热交换管中，并通过多条空气管进行分流，进入多条不同的空气流通通道中，因烟气管在空气管内，且烟气管为螺旋扁管，从而空气流通通道内的空气将烟气管包裹，烟气在烟气管排出时呈螺旋状的气流，从而有利于烟气将余热充分地通过烟气管壁传递至空气流通通道内的空气，对空气进行预热，使得烟气与空气的换热效果更好，减少排放的烟气存留余热而造成资源浪费；此外，烟气在螺旋扁管中流动压力损失小，排放较快；通过多条烟气管的分流作用，对流进的空气分流同时加热，有利于提高空气的预热效率；采用圆柱状中空管状的外壳，有利于缩短空气的进程，便于与窑炉烧嘴配合使用，及时为烧嘴补充空气。

作为优选，所述空气进气口位于所述烟气出气口的一侧，所述空气出气口位于所述烟气进气口的一侧。

通过这样设置，空气通过空气进气口进入烟气空气热交换管后向空气出气口流动，烟气通过烟气进气口进入烟气空气热交换管内后向烟气出气口流动，从而烟气管内的烟气与空气流通通道内空气的流动方向相反，烟气、空气呈逆向流动，有利于烟气与空气的充分换热。

作为优选，所述烟气管的横截面为椭圆，所述空气管的横截面为圆形，同一截面上，所述烟气管的烟气流通面积A₁与所述空气管的空气流通面积A₂的面积之比满足：A₁：A₂＝1：(0.7～1)。

通过这样设置，烟气管的烟气流通面积A₁与空气管的空气流通面积A₂之比为1：(0.7～1)，从而同一时间段内，通过烟气管的烟气体积大于或等于空气管通过的空气体积，即烟气的流量大于或等于空气的流量，有利于烟气的余热向空气传递，对进入烟气空气热交换器的空气进行预热。

作为优选，所述螺旋扁管的导程St为100mm～200mm，所述螺旋扁管横截面的短轴b与长轴a之比为0.6～0.75。

通过这样设置，有利于延长烟气的流通路径，使得烟气在烟气管流动过程的紊乱程度较佳。

作为优选，所述空气管与与外壳保留间隙，所述外壳的内壁上设置有隔热填充物。

通过这样设置，通过隔热填充物对空气通道与烟气空气交换管的外壁进行隔离，从而对第一次预热后的空气进行保温，减少热量的散失。

作为优选，所述隔热填充物为陶瓷纤维隔热棉。

通过这样设置，通过陶瓷纤维隔热棉达到保温的目的。

作为优选，烟气空气热交换器位于所述烟气进气口处设置有第一连接口，烟气空气热交换器位于所述烟气出气口处设置有第二连接口，所述第一连接口与所述第二连接口适配，烟气热交换器位于所述空气出气口处设置有连接管。

通过这样设置，当烟气温度较高时，根据需要可增加烟气空气热交换器的数量，延长烟气空气的交换的路程，尽可能多地利用烟气对空气进行预热，减少余热的浪费，拼接时，两烟气空气热交换器通过第一连接口与第二连接口插接，将两烟气空气热交换器的烟气流通通道连通，再通过连接管将两烟气空气热交换器的空气出气口与空气进气口连通，将两烟气空气热交换器的空气流通通道连通，拼接方便。

基于同一发明构思，本发明的第二目的在于提供一种二次预热烧嘴，包括上述的烟气空气热交换器。

通过这样设置，采用上述的烟气空气热交换器，二次预热烧嘴能充分利用燃气燃烧后的预热对助燃的空气进行预热，从而提高烧嘴内燃气的燃烧效率，节能环保。

相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：

1、通过设置多条烟气流通通道对烟气进行分流，设置多条空气流通通道对空气进行分流，从而可利用进入烟气空气热交换器中的烟气的余热同时对多条不同空气管内的空气进行预热，加热后的空气有助于提高后续燃气的燃烧效率，从而对烟气的余热充分利用，减少烟气余热资源的浪费，节能环保，并且烟气在螺旋扁管中流动，换热效果好，并且压力损失小，烟气的排放效率高。

2、通过合理设置烟气管与空气管的截面比例、以及螺旋扁管的参数，增加烟气在烟气管中的流动长度，延长对空气的加热时间，提高烟气与空气的换热效果。

3、通过在通气通道与烟气空气热交换器之间的空隙之间设置隔热填充物，对预热后的空气进行保温，减少热量的散失。

4、通过设置烟气空气热交换器为可拼接，从而可根据需要增加烟气空气热交换器的使用数量，便于使用。

5、将烟气空气热交换器运用于二次预热烧嘴中，提高烧嘴中燃气的燃烧效率，充分利用烟气余热，节能环保。

附图说明

图1是本发明实施例一的内部结构平面示意图；

图2是图1中A-A面的剖视图；

图3是本发明实施例一的内部结构立体示意图；

图4是本发明实施例一中两个烟气空气热交换器拼接后的结构示意图。

图5是本发明实施例三的结构示意图；

图6是图5中A部的放大示意图；

其中，各附图标记所指代的技术特征如下：

1、燃气管；101、空气中心流道；102、燃气出气口；2、烧嘴内管；201、空气主流道；202、空气流通孔；203、火焰出口；3、烧嘴外管；301、空气出口；302、换热凸起；4、烧嘴头；401、燃空气混合室；5、烟气壳体；501、烟气流道；502、进烟口；503、出烟口；6、烟气空气热交换器；600、外壳；601、空气流通通道；6011、空气进气口；6012、空气出气口；602、烟气流通通道；6021、烟气进气口；6022、烟气出气口；603、第一连接口；604、第二连接口；7、烟气管；701、烟气管中心线；8、空气管；800、换热管组；9、空气供气管；10、隔热填充物；11、窑炉炉壁；12、烟气；13、连接管；14、隔热保温层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。

实施例一

参考图1，本实施例公开了一种烟气空气热交换器，烟气空气热交换器6包括外壳600，外壳600内设置有空气流通通道601、烟气流通通道602，空气流通通道601与烟气流通通道602分隔设置而不相互连通，外壳600为圆柱状中空管，外壳600上设置有空气进气口6011、空气出气口6012、烟气进气口6021以及烟气出气口6022，烟气进气口6021、烟气出气口6022分别设置于外壳600两端的端部，烟气流通通道602一端与烟气进气口6021连通，另一端与烟气出气口6022连通，空气进气口6011、空气出气口6012位于外壳600的外壁上且分别靠近外壳600两端的端部，空气流通通道601一端与空气进气口6011连通，另一端与空气出气口6012连通，本实施例中，空气进气口6011靠近烟气出气口6022所在一侧的端部设置，空气出气口6012靠近烟气进气口6021所在的一侧的端部，从而烟气流通通道602内烟气12的流动方向与空气流通通道601中空气的流动方向相反。

参考图1、图2以及图3，本实施例中，烟气流通通道602形成于一烟气管7内，烟气管7为螺旋扁管且两端开口，烟气管7绕一烟气管中心线701螺旋扭曲，烟气空气热交换器6内设置有空气管8，空气管8为圆柱形中空管件且两端开口，烟气管7与空气管8的中心线先均与外壳600的旋转轴线平行，烟气管7设置于空气管8内，烟气管7与空气管8之间保留间隙形成空气流通通道601，一烟气管7与一空气管8形成一换热管组800，换热管组800设置多个，多个换热管组800绕烟气空气热交换器6横截面的中心均布，多个换热管组800中，所有的烟气管7的一端均与外壳600的其中一端部固定并与烟气进气口6021连通，另一端均与外壳600的另一端部固定并与烟气出气口6022连通，所有的空气管8的一端均与外壳600内壁固定并与空气进气口6011连通，另一端均与外壳600内壁固定并与空气出气口6012连通。

参考图1与图2，烟气管7的横截面为椭圆，空气管8的横截面为圆形，同一截面上，烟气管7的流通面积A₁与空气管8的空气流通面积A₂的面积之比满足：A₁：A₂＝1：(0.7～1)，本实施中，A₁：A₂＝1：0.86，螺旋扁管的导程St为100mm～200mm，螺旋扁管横截面的短轴b与长轴a长度之比为0.6～0.75，本实施例中，St＝100mm，a＝15mm，b＝23mm。

参考图3，烟气管7与外壳600之间保留间隙，烟气壳体5与外壳600的内壁均设置有隔热填充物10，本实施例中，隔热填充物10为陶瓷纤维隔热棉，在其他实施例中，隔热填充物10还可以是聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料等。

参考图3与图4，烟气空气热交换器6可以串联使用，串联使用时，将第一个烟气空气热交换器6的烟气出口与第二个烟气空气热交换器6的烟气进口连接；第二个烟气空气热交换器6的空气出口与第一个烟气空气热交换器6的空气进口连接，具体地，烟气空气热交换器6位于烟气进气口6021处设置有第一连接口603，第一连接口603与烟气壳体5螺纹连接，烟气空气热交换器6位于烟气出气口6022处设置有第二连接口604，第二连接口604与第一连接口603适配，单个烟气空气热交换器6的换热效果不佳时，可适当增加烟气空气热交换器6的使用数量，将多个烟气空气热交换器6进行拼接，多个烟气空气热交换器6两两通过端部拼接。

参考图4，相邻的两个烟气空气热交换器6连接时，其中一烟气空气热交换器6的第一连接口603插接于另一烟气空气热交换器6的第二连接口604，从而将相邻的两个烟气空气热交换器6的烟气流通通道602连通，烟气空气热交换器6位于空气出气口6012处设置有连接管13，相邻的两个烟气空气热交换器6的空气流通通道601通过连接管13进行连接，本实施例中，连接管13为波纹管，在其他实施例中，连接管13还可以为钢管。

实施例二

基于实施例一，本实施例与实施例一的区别的地方在于，空气管8与烟气空气热交换器6一体形成(附图未示意)，使得烟气空气热交换器6的结构更加紧凑。

实施例三

参考图5，基于实施例一或实施例二，本实施例公开了一种二次预热烧嘴，包括燃气管1、烧嘴内管2烧嘴外管3以及实施例一或实施例二中的烟气空气热交换器6，燃气管1插设于烧嘴内管2中，燃气管1与烧嘴内管2之间保持间隙形成空气中心流道101，烧嘴外管3套于烧嘴内管2外，烧嘴外管3与烧嘴内管2之间预留间隙形成空气主流道201，烧嘴内管2上贯穿开设有连通空气主流道201与燃空气混合室401的空气流通孔202，空气流通孔202绕烧嘴内管2的圆周方向均布多个，燃气管1的前端设置有燃气出气口102，烧嘴内管2位于燃气出气口102处设置有烧嘴头4。

本实施例中，烧嘴内管2以及烧嘴外管3均采用碳化硅陶瓷，因碳化硅陶瓷具有以下特性：高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料，抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的，在其他实施例中，烧嘴内管2以及烧嘴外管3还可以采用金属材料。

参考图5与图6，烧嘴头4为两端开口的锥形中空壳体，烧嘴头4的小端与燃气出气口102对接，由燃气管1流出的燃气经过烧嘴后压力急剧下降，从而有利于燃气与空气的混合，有利于后续的点火，烧嘴内管2的前端设置有火焰出口203，烧嘴内管2前端逐渐向火焰出口203处收缩，从而将火焰进行集中，有利于提高火焰的温度，烧嘴的大端与火焰出口203之间形成燃空气混合室401，烧嘴的大端外圆周面与烧嘴内管2之间的内部保留通气间隙，从而空气中心流道101中的空气经此通气间隙进入燃空气混合室401中与经燃气管1燃气出口喷出的燃气进行混合。

参考图4，烧嘴外管3前端的形状与烧嘴内管2的形状相适应，烧嘴外管3的前端设置有空气出口301，烧嘴外管3设置有多个间隔均布设置的换热凸起302。

参考图5，烧嘴还包括套设于烧嘴外管3外的烟气壳体5，烟气空气热交换器6与烟气壳体5可拆卸固定连接，本实施例中，烟气空气热交换器6与烟气壳体5通过螺纹连接，烟气壳体5内开设有烟气流道501，烟气壳体5上开设有进烟口502以及出烟口503，进烟口502、出烟口503均与烟气流道501连通，进烟口502、出烟口503分别位于烟气流道501的两端，进烟口502朝火焰喷头的方向设置。

参考图5，烟气空气热交换器6与烟气壳体5之间连接有空气供气管9，空气供气管9的一端与空气出气口6012连通，另一端与通过空气主流道201连通，本实施例中，空气供气管9为波纹管，在其他实施例中，空气供气管9还可以为钢管。

参考图5，陶瓷内管2的外表面上还涂覆有隔热保温涂料，形成隔热保温层14，本实施例中，隔热保温涂料采用高温反射隔热纳米复合陶瓷涂料，烧嘴内管的内、外表面设置隔热保温层，一方面，提高烧嘴内管的耐热性，延长烧嘴内管的寿命，因第一次燃烧于烧嘴内管内进行，温度很高，容易烧坏烧嘴内管；另一方面，减少空气主流道与空气中心流道的空气热交换，第一次燃烧时，因少量的空气与燃气混合造成燃气燃烧不充分，而燃气燃烧不充分时产生的热量小，通过涂料层的保温作用，减少烧嘴内管中燃气的热量损失，最终达到使得从烧嘴内管内燃气火焰具有足够温度以满足第一次燃烧所需的助燃空气的温度要求。

本发明实施例的使用过程：

参考图5，运用于窑炉加热时，将烧嘴的烧嘴外管3完全插接于窑炉中，使烧嘴的烟气壳体5与窑炉炉壁11抵接、进烟口502与窑炉的内部连通，烧嘴喷出的烟气12沿烧嘴外管3的外壁、通过进烟口502并经烟气壳体5进入烟气空气热交换器中，烟气空气热交换器6中的烟气12通过余热对进入烟气空气热交换器6的新空气进行第一次预热，经过第一次预热的空气一小部分通过空气流通孔202进入空气中心流道101中，空气中心流道101中的空气向前传输进入燃空气混合室401中与燃气混合，燃气在燃空气混合室401进行第一次燃烧，经过第一次预热的空气其余部分进入空气主流道201中，流经烧嘴外管3外表面的烟气12通过余热对空气主流道201中的空气进行第二次预热，从而使得从空气出口301喷出的空气更接近于燃气的燃点，更加有利于燃气的充分燃烧，经过两次预热，空气的温度可分成两次进行预热，预热的效果更好，充分利用烟气12的余热，节能环保，减少烟气12余热的浪费。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种烟气空气热交换器，包括外壳，所述外壳内设置有烟气流通通道以及空气流通通道，其特征在于，所述烟气流通通道形成于一烟气管中，所述烟气管为螺旋扁管，所述外壳内设置有空气管，所述烟气管设置于所述空气管内，所述烟气管与所述空气管之间预留间隙以形成所述空气流通通道，所述外壳为圆柱状中空管，所述烟气管以及所述空气管的中心线均与所述外壳的旋转轴线平行，所述外壳两端的端部分别设置有烟气进气口、烟气出气口，所述外壳上的外表面上设置有空气进气口以及空气出气口，所述空气进气口、烟气出气口分别靠近所述外壳两端的端部设置，一所述烟气管与一空气管形成一换热管组，所述换热管组设置多条，多条所述换热管组绕烟气空气热交换器横截面的中心均布，多条所述换热管组中，所有的所述烟气管的一端均与所述烟气进气口连通，另一端均与所述烟气出气口连通，所有的所述空气管的一端均与所述空气进气口连通，另一端均与所述烟气出气口连通；

烟气空气热交换器串联使用时，将第一个烟气空气热交换器的烟气出口与第二个烟气空气热交换器的烟气进口连接；第二个烟气空气热交换器的空气出口与第一个烟气空气热交换器的空气进口连接。

2.一种根据权利要求1所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述空气进气口位于所述烟气出气口的一侧，所述空气出气口位于所述烟气进气口的一侧。

3.一种根据权利要求1或2所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述烟气管的横截面为椭圆，所述空气管的横截面为圆形，同一截面上，所述烟气管的烟气流通面积A₁与所述空气管的空气流通面积A₂的面积之比满足：A₁：A₂＝1：(0.7～1)。

4.一种根据权利要求3所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述烟气管的导程St为100mm～200mm，所述螺旋扁管横截面的短轴b与长轴a之比为0.6～0.75。

5.一种根据权利要求1、2或4任一项所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述空气管与外壳保留间隙，所述外壳的内壁上设置有隔热填充物。

6.一种根据权利要求5所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述隔热填充物为陶瓷纤维隔热棉。

7.一种根据权利要求1、2、4或6任一项所述的烟气空气热交换器，其特征在于，烟气空气热交换器位于所述烟气进气口处设置有第一连接口，烟气空气热交换器位于所述烟气出气口处设置有第二连接口，所述第一连接口与所述第二连接口适配，烟气热交换器位于所述空气出气口处设置有连接管。

8.一种根据权利要求7所述的烟气空气热交换器，其特征在于，所述连接管为波纹管或钢管。

9.一种二次预热烧嘴，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的烟气空气热交换器。