CN109579006A - 一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，有效解决燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低的问题。煤气进口管和空气进口管与煤气空气预混合环道的外壁连通，煤气空气预混合环道内侧装有预混气旋流喷嘴，预混气流喷出通道底部装有中心装有向上的蒸汽喷吹管的燃烧器排渣漏斗，煤气空气预混合环道底部有预混环道排渣管；预混气流燃烧通道装在燃烧装置炉底上面，连接预混气流喷出通道，回流稳焰罩同心罩在预混气流燃烧通道上口部，底部固定在燃烧装置炉底，回流稳焰罩下部中心周向有燃烧气流喷出口，连通二次燃烧环形通道；空气进口管与二次气流分配环管相连，二次气流分配环道上部有二次空气喷出管，并向上连通二次燃烧环形通道。

Description

一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置

技术领域

本发明涉及工业炉窑类的热利用设备的燃烧装置，特别适合于低热值煤气获取高温烟气的热风炉、锅炉、加热炉、熔炼炉、回转窑、隧道窑、梭式窑等工业炉窑使用的一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置。

背景技术

在工业炉窑的应用领域，针对燃烧不同燃气的条件下，既能获得高效可控的完全燃烧又能有效降低燃烧过程中氮氧化物（NOx）的生成量，已经成为燃烧装置实现高效、节能、环保与安全使用的主要技术方向。为此，在工业炉窑燃烧器的结构设计上除了必须实现快速均匀混合与高强度稳定燃烧外，还能针对不同的燃气品种实现燃烧过程的调节与可控，最终在获取高温热能的同时使得氮氧化物的含量符合相关规定。显见，氮氧化物可控的燃气燃烧对燃烧装置、燃烧室结构、以及相互间的合理配置等提出了较高的技术要求。

纵观目前各种工业炉窑使用的常规燃烧器，明显存在因设计理念问题而引起的结构上的各种问题，如燃气与空气之间混合不均匀、不恰当的空燃比、与燃烧不完全等。尤其是在燃气与空气的不均匀混合，常常导致在在较低的燃烧温度下出现燃烧烟气中氮氧化物含量超标，这就是燃烧过程中存在局部高温且氧含量过高或者过低的燃烧状态。前者可以采用分级燃烧与氧浓度控制技术来抑制氮氧化物的生成，而后者氮氧化物超标是因局部高温导致燃气裂解而出现后续的炭微粒燃烧所致，亦采用喷吹水蒸气与分级可控燃烧予以调整，达到在降低燃烧温度的同时也抑制氮氧化物生成。基于上述分析，提出一种新结构燃烧装置，用以完成气体燃料燃烧程中的强旋混合与强制回流混合燃烧，且两级燃烧过程都应该是预混燃烧过程，也就是完成高温欠氧（低空燃比）预混燃烧与未燃尽燃气与二次空气充分混合的高温低氧（空燃比适当）的预混燃烧，实现合理氧浓度下的燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低的燃烧过程，为气体燃料燃烧不需要设置烟气脱氮（硝）装置的问题，实现低氮无污染排放的燃烧装置是十分必要的。

发明内容

出于对工业炉窑实现控温、控氧、控燃的高效、节能、低氮（环保）的燃烧技术的追求，有针对性地提出一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，可有效解决燃烧强度高、燃烧效率高、氮氧化物含量低、气体燃料不需设置烟气脱氮（硝）的问题。

本发明解决的技术方案是，一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，包括由预混气流喷出通道、预混气旋流喷嘴、煤气空气预混合环道、煤气进口管、一次空气进口管、燃烧器排渣漏斗、预混环道排渣管构成燃烧器功能组件；由预混气流燃烧通道、回流稳焰罩、燃烧装置炉底及燃烧气流喷出口构成燃烧及燃烧烟气回流功能组件；以及由二次空气进口管、二次气流分配环管、二次空气喷出管、燃烧装置筒状墙体、燃烧装置炉底构成二次燃烧与喷出功能组件；煤气进口管和一次空气进口管呈水平倾斜对称与煤气空气预混合环道的外壁连通，煤气空气预混合环道内侧装有沿周向均布的多个水平倾斜的预混气旋流喷嘴，用以连通预混气流喷出通道，预混气流喷出通道底部装有燃烧器排渣漏斗，燃烧器排渣漏斗中心装有向上的蒸汽喷吹管，煤气空气预混合环道的底部装有预混环道排渣管；预混气流燃烧通道按装在燃烧装置炉底上面中心，并与下部的预混气流喷出通道连通，回流稳焰罩同心罩在预混气流燃烧通道上口部外面，底部固定在燃烧装置炉底上，形成燃烧烟气回流环形通道，回流稳焰罩下部围绕中心周向均匀布有燃烧气流喷出口，用以连通回流稳焰罩与燃烧装置筒状墙体之间的二次燃烧环形通道；二次空气进口管以水平倾斜对称连通二次气流分配环管，二次气流分配环道上部有沿周向均布的固定在燃烧装置炉底上的多个二次空气喷出管，并向上连通二次燃烧环形通道。

本发明结构新颖独特，高效节能，低氮环保，可有效用于热风炉、锅炉、加热炉、熔炼炉、回转窑、隧道窑、梭式窑等工业炉窑使用，有巨大的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明结构的剖面主视图。

图2为本发明结构图1的A-A俯视截面图。

图3为本发明结构图1的B-B俯视截面图。

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2及图3所示，本发明一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，包括由预混气流喷出通道3、预混气旋流喷嘴13、煤气空气预混合环道9、煤气进口管10、一次空气进口管11、燃烧器排渣漏斗14、预混环道排渣管15构成燃烧器功能组件；由预混气流燃烧通道4、回流稳焰罩5、燃烧装置炉底2及燃烧气流喷出口6构成燃烧及燃烧烟气回流功能组件；以及由二次空气进口管12、二次气流分配环管8、二次空气喷出管7、燃烧装置筒状墙体1、燃烧装置炉底2构成二次燃烧与喷出功能组件；煤气进口管10和一次空气进口管11呈水平倾斜对称与煤气空气预混合环道9的外壁连通，煤气空气预混合环道9内侧装有沿周向均布的多个水平倾斜的预混气旋流喷嘴13，用以连通预混气流喷出通道3，预混气流喷出通道3底部装有燃烧器排渣漏斗14，燃烧器排渣漏斗14中心装有向上的蒸汽喷吹管16，煤气空气预混合环道9的底部装有预混环道排渣管15；预混气流燃烧通道4装在燃烧装置炉底2上面中心，并与下部的预混气流喷出通道3连通，回流稳焰罩5同心罩在预混气流燃烧通道4上口部外面，底部固定在燃烧装置炉底2上，形成燃烧烟气回流环形通道，回流稳焰罩5下部围绕中心周向均匀布有燃烧气流喷出口6，用以连通回流稳焰罩5与燃烧装置筒状墙体1之间的二次燃烧环形通道5-1；二次空气进口管12以水平倾斜对称连通二次气流分配环管8，二次气流分配环管8上部有沿周向均布的固定在燃烧装置炉底2上的多个二次空气喷出管7，并向上连通二次燃烧环形通道5-1。

所述的燃烧装置筒状墙体1和燃烧装置炉底2为由金属制成的下端封闭筒状结构，其内砌筑耐高温且具有保温性能的耐火材料。

所述的预混气流燃烧通道4为耐高温且抗热震性能强的耐火材料制成的空心圆筒体，回流稳焰罩5为耐高温且抗热震性能强的耐火材料制成的半球形（椭球壳）顶部的筒体，与预混气流燃烧通道4同心组合在一起。

所述的煤气进口管10和一次空气进口管11呈水平倾斜对称与煤气空气预混合环道9外侧连通，煤气空气预混合环道9外侧至少设置一对煤气进口管10和一次空气进口管11。

所述的煤气空气预混合环道9内侧设置沿周向均布的多个沿周向水平倾斜的预混气旋流喷嘴13，用以连通预混气流喷出通道3，水平与径向倾斜角度为20°～45°，与煤气进口管10或一次空气进口管11的倾斜方向一致。

所述的二次空气进口管12至少有两个，且以中心轴为对称连通二次气流分配环管8，其水平径向的倾斜角度均为0°～90°，也就是说，以中心轴为对称连通二次气流分配环管8，其水平径向的倾斜角度相同，在0°～90°之间调整。

所述的多个二次空气喷出管7沿燃烧装置炉底2周向均匀分布，并与燃烧装置底部连通，上口朝向回流稳焰罩5与燃烧装置筒状墙体1间的二次燃烧环形通道5-1，二次空气喷出管7 的个数与燃烧气流喷出口6一致。

具体实施时，煤气与一次空气分别进入煤气进口管10和一次空气进口管11，在煤气空气预混合环道9中旋流混合与均匀分布，然后通过煤气空气预混合环道9内测的预混气旋流喷嘴13进入混气流喷出通道3，此时煤气与空气已经实现了良好的混合，并以旋流形式向上进入预混气流燃烧通道4，在此被该通道高温壁面预热而着火燃烧，燃烧烟气向上遇到回流稳焰罩5而进入预混气流燃烧通道4与回流稳焰罩5之间的燃烧烟气回流环形通道4-5向下流动，并从周向均布的燃烧气流喷出口6流出进入二次燃烧环形通道5-1（因一次空气不足以将煤气完全烧尽）；在此，二次空气经由二次空气进口管12进入二次气流分配环管8形成均匀分布气流，并从沿周向均匀布置的二次空气喷出管7向上喷出进入二次环形燃烧通道5-1；由于二次空气与燃烧气流在此处的充分混合，使得没有完全燃烧的煤气得到充分燃烧，燃烧完成后的高温烟气沿环道向上进入各种炉窑的热利用空间。

要必须说明的是，本发明给出的仅是实施例，是用于说明本发明的具体实施方式，不是用于限制本发明请求保护的技术范围，本发明实施例中仅给出的是垂直放置的燃烧器，实际上燃烧器的放置可以是任意性的。但不论以何种方式放置都不影响其技术特征及使用性能，仅是各部位的固定与支撑形式不同，并无本质上的区别，因此，凡采用等同、等效替换手段所作出的在本质上与本发明技术方案相同的技术方案，均属于本发明的保护范围。

本发明燃烧装置在使用中，煤气与一次助燃空气在预混气流喷出通道中实现充分预混合而在预混气流燃烧通道中快速燃烧，因氧含量不够而形成欠氧燃烧状态，而经回流罩强制回流后通过燃烧气流喷出口与二次空气喷出管喷出的二次助燃空气进行充分混合而在二次环形燃烧通道实现二次燃烧，从而实现了充分的两次预混燃烧过程，这也是该燃烧装置最大的性能特征，不同于其它燃烧器，即使一次燃烧过程是预混燃烧过程，而二次燃烧过程往往不易实现充分的预混燃烧。实现这种分级的充分的预混燃烧的结构在于一次预混燃烧后的含煤气烟气通过回流烟气罩的强制性回流，以及在二次环形燃烧通道中的二次预混燃烧。由于两次预混燃烧的充分与彻底，不易出现局部高温过氧的状态，实现热高温下的欠氧燃烧与低氧浓度燃烧的有机结合，因而能有效控制氮氧化物的生成，为气体燃料低氮（低NOx）燃烧提供了有效的技术手段。此外，为了克服高温欠氧燃烧导致的炭黑析出，以及炭黑再次燃烧出现的非均相燃烧导致的氮氧化物生成，在燃烧器排渣漏斗14中心设置向上的蒸汽喷吹管16，除了降低燃烧温度之外，水蒸气的分解阻止了炭黑析出与氮氧化物生成，使得燃烧温度以及氮氧化物的生成量得到有效可控与调节，保证了燃烧过程中氮氧化物的生成量的有效较少。显见，工业炉窑为达到确定的环保要求，采用这种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧相结合的分级燃烧装置是一种创新，因为该燃烧装置采用使得燃烧气体燃料的工业窑炉，在实现其高效节能燃烧的同时不需要设置脱硝（NOx）设备就能符合环保要求而直接排放。经实验和测试，燃烧效率提高10—20%，氮气排放量减少90%以上，真正实现了高效、节能、低氮、环保，经济和社会效益巨大。

Claims (7)

1.一种欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，包括由预混气流喷出通道（3）、预混气旋流喷嘴（13）、煤气空气预混合环道（9）、煤气进口管（10）、一次空气进口管（11）、燃烧器排渣漏斗（14）、预混环道排渣管（15）构成燃烧器功能组件；由预混气流燃烧通道（4）、回流稳焰罩（5）、燃烧装置炉底（2）及燃烧气流喷出口（6）构成燃烧及燃烧烟气回流功能组件；以及由二次空气进口管（12）、二次气流分配环管（8）、二次空气喷出管（7）、燃烧装置筒状墙体（1）、燃烧装置炉底（2）构成二次燃烧与喷出功能组件；其特征在于，煤气进口管（10）和一次空气进口管（11）呈水平倾斜对称与煤气空气预混合环道（9）的外壁连通，煤气空气预混合环道（9）内侧装有沿周向均布的多个水平倾斜的预混气旋流喷嘴（13），用以连通预混气流喷出通道（3），预混气流喷出通道（3）底部装有燃烧器排渣漏斗（14），燃烧器排渣漏斗（14）中心装有向上的蒸汽喷吹管（16），煤气空气预混合环道（9）的底部装有预混环道排渣管（15）；预混气流燃烧通道（4）装在燃烧装置炉底（2）上面中心，并与下部的预混气流喷出通道（3）连通，回流稳焰罩（5）同心罩在预混气流燃烧通道（4）上口部外面，底部固定在燃烧装置炉底（2）上，形成燃烧烟气回流环形通道，回流稳焰罩（5）下部围绕中心周向均匀布有燃烧气流喷出口（6），用以连通回流稳焰罩（5）与燃烧装置筒状墙体（1）之间的二次燃烧环形通道（5-1）；二次空气进口管（12）以水平倾斜对称连通二次气流分配环管（8），二次气流分配环管（8）上部沿周向均布有固定在燃烧装置炉底（2）上的多个二次空气喷出管（7），并向上连通二次燃烧环形通道（5-1）。

2.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧装置筒状墙体（1）和燃烧装置炉底（2）为由金属制成的下端封闭筒状结构，其内砌筑耐高温，且具有保温性能的耐火材料。

3.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的预混气流燃烧通道（4）为耐高温且抗热震性能强的耐火材料制成的空心圆筒状，回流稳焰罩（5）为耐高温且抗热震性能强的耐火材料制成的半球形筒体，与预混气流燃烧通道（4）同心组合在一起。

4.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的煤气进口管（10）和一次空气进口管（11）呈水平倾斜对称与煤气空气预混合环道（9）外侧连通，煤气空气预混合环道（9）外侧至少设置一对煤气进口管（10）和一次空气进口管（11）。

5.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的煤气空气预混合环道（9）的内侧沿周向均匀布置多个水平倾斜的预混气旋流喷嘴（13），用以连通预混气流喷出通道（3），水平与径向倾斜角度为20°～45°，与煤气进口管（10）或一次空气进口管（11）的倾斜方向一致。

6.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的二次空气进口管（12）至少有两个，且以中心轴为对称连通二次气流分配环管（8），其水平径向的倾斜角度均为0°～90°。

7.根据权利要求1所述的欠氧预混燃烧与回流低氧预混燃烧的分级燃烧装置，其特征在于，所述的多个二次空气喷出管（7）沿燃烧装置炉底（2）周向均匀分布，并与燃烧装置底部连通，上口朝向回流稳焰罩（5）与燃烧装置筒状墙体（1）间的二次燃烧环形通道（5-1），二次空气喷出管（7） 的个数与燃烧气流喷出口（6）一致。