CN1099543C - 低NOx燃烧器 - Google Patents
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Abstract
一种流化床反应器系统，它包括反应室(112)和鼓泡(慢速)流化床(116)，反应室包括循环(快速)床，其中有导入流化气体的第一分布板(114)，鼓泡床内有导入流化气体的第二分布板(120)。第二分布板安装在第一分布板的下方。在循环床和鼓泡床之间设有第一连结通道(122)和第二连结通道(132)。颗粒从循环床通过第一连结通道流入鼓泡床，在第二连结通道处则流动方向相反。两连结通道的相互位置布置成使两床内部的压力和密度条件成为提供推动力的唯一机制，以控制颗粒从循环床流向鼓泡床。可在鼓泡床内设置间接式热交换器(128)，用以冷却颗粒，同时可用各种结构的隔板(130)来分隔鼓泡床并界定两连结通道。
Description
发明所属技术领域
本发明涉及一种低NOx燃烧器，更具体地说，本发明涉及这样一种低NOx燃烧器，该燃烧器在利用高温预热空气进行蓄热燃烧时，不仅可以有效地降低在其高温区域中的NOx含量，而且也可有效地降低在其中温区域中的NOx含量，所述高温预热空气由通过蓄热室的燃烧排出的气体和燃烧用空气之间的热交换得到。
技术背景
以往，为了降低燃烧器中的NOx含量，有采用如图5所示的燃料的二段燃烧等方法。该燃料二段燃烧法是针对流于燃烧器喷孔101内的燃烧用空气A，将燃料分二段供给一次喷嘴102和二次喷嘴103，在由一次燃料和全部的燃烧用空气形成一次火焰的同时，使二次燃料和一次火焰产生的高温燃烧气体反应，由此形成二次火焰。在二次燃料喷嘴附近，由于氧浓度较低，一次火焰中的NOx含量即可因该还原反应而降低。发明目的
然而，在使用该燃料二段燃烧法的燃烧器中，其形成主要火焰的二次燃料的喷射方向几乎与燃烧用空气的流向平行，从而，低温时的二次火焰的稳定性差，必须将燃烧用空气预先加热至约1000℃以上的高温，则火焰才能稳定。因此，为了提高低温时二次火焰的稳定性而将燃料的喷射方向接近与燃烧用空气流向垂直的方向时，则火焰虽得以稳定，但是，发生局部的燃烧，局部的温度升高导致NOx含量增大。这样，提高火焰的稳定性和降低NOx含量这二者难以两全其美。
因此，通常是，采用作为铝溶解炉，例如，威尔式反射型溶解保持炉的热源，以稳定进行在700～800℃左右的温度较低的中温区域操作时，或是在点火的低温时，火焰的稳定性变差，难以实施以往的燃料二段燃烧法。
另外，还有的问题是，由于将一次燃料和二次燃料分成二个阶段喷射所需的管道复杂等原因，则除了设备复杂、施工麻烦之外，设备的成本将提高，对场地的要求也增加。
本发明的目的将在于，提供一种小型、高效的低NOx燃烧器。
本发明的目的又在于，提供这样一种低NOx燃烧器，该燃烧器在利用高温预热空气进行蓄热燃烧时，不仅可以有效地降低其在高温区域中的NOx含量，而且也可有效地降低其在中温区域中的NOx含量，且火焰的稳定性良好。发明的技术方案
为达到上述目的，本发明在使用了高温的燃烧空气作燃烧的蓄热燃烧型的燃烧器系统中，将其喷速远大于燃料的高速喷射燃烧用空气的喷嘴与喷射燃料的喷嘴平行设置，且以耐火材料围绕于上述喷嘴的外围的同时，在形成燃料喷嘴的喷射口的端面和形成空气喷嘴的喷射口的端面之间形成阶差，使燃料喷嘴一侧的端面突出于空气喷嘴一侧的端面。这里，燃料喷嘴最好是兼有辅助燃烧器的功能。
因此，在本发明的权利要求1中所述的低NOx燃烧器中，沿着在燃料喷嘴的喷射口的端面和空气喷嘴的喷射口的端面之间所形成的阶差部分的面上流动的部分燃烧用空气，在紧靠燃料喷出一侧端面的阶差附近，稳定地形成与燃烧用空气流逆流的漩涡，将部分燃烧气体吸入成为火种的火焰。又，在阶差部分产生负压，引起强烈的排出气体的再循环，在燃烧空气与燃料气体混合之前，吸入排出的气体，降低氧浓度。而且，在喷射燃料的端面的下侧，燃料被吸入燃烧用的空气流中，随时混合其中。
这里，由于被预热至700～800℃或在其以上精细加工的高温燃烧用空气，其体积膨胀比常温时更大，因此，可由精细加工空气喷嘴，或由采用细小的喷嘴，以使在低温时的流速适当。由此，可使上述被预热至高温的燃烧用空气能比常温的燃料和空气以更高的高速喷出。
例如，如燃料以20～30m/s的流速喷出，则高温预热空气可以100m/s以上的极大的流速喷出。为此，燃烧排出的气体被高速的燃烧空气流强烈地卷带入，使氧浓度(分压)降低，同时，燃料被带入燃烧用空气流中，不停地作强烈混合。然而，燃烧用空气比起燃料的流动来其速度更高，且在到达燃料的端面之前大量卷带入排出的气体，燃烧反应并不急剧地发生，仅在燃烧用空气和燃料接触的表面层发生缓慢的起燃。不过，即使燃烧用空气的流速很高，也不会因为在燃料喷气流和空气喷气流之间发生的空气漩涡产生种火和一次火焰，而导致熄火，从而，可以保持稳定的火焰。特别是在权利要求2的本发明中，稳定的一次火焰沿着燃料喷出流而形成，与燃料一起被吸入空气喷气流一侧，可以形成更稳定的火焰。再有，在燃烧反应中，燃烧用空气流动速度快，边带入大量的排出气体，边继续进行燃烧，因此，可以促进更缓慢的燃烧。从而，以高速喷出的高温的燃烧用空气和被其吸入的较低速的燃料气体在互相接触的表面层上混合，进行缓慢的燃烧，同时，形成定向强的火焰及燃烧气体流。
又，在如点火时那样，燃烧用空气为低温的场合，虽然，燃烧用空气的流速变慢，排出气体的吸入量减少，但因燃烧用空气的温度低，所发生的NOx含量本来就少。相反，由于氧浓度提高，在燃料喷嘴的喷射口附近的燃料喷射流和燃烧用空气流之间可形成不被吹灭的种火，火焰稳定。
由此，可形成在高温时NOx含量低，同时，低温时具有优异的火焰稳定性的燃烧器。
另外，本发明的低NOx燃烧器，其靠近燃料喷嘴的喷射口的空气喷嘴附近的部分形成为曲面或斜面的扩展部，使喷射燃料的一部分流出于空气喷嘴一侧。此时，燃料容易流于空气一侧，伴随空气流的燃料气体的量，以及对于发生在近阶差部分的燃料喷射口附近的种火的燃料补充量增加。
又，在本发明的低NOx燃烧器中，燃料喷嘴的喷射口所形成的耐火材料的端面和空气喷嘴的喷射口所形成的耐火材料的端面之间的阶差面，相对于空气喷嘴的喷射口作外接或交叉。此时，由于沿燃烧用空气的喷射口的四周或其喷射口形成了阶差部分，该阶差部分即对燃烧用空气的喷射方向起强制的导向作用，可形成定向性大的燃烧用空气流。所以，伴随着燃料传带至更远，形成定向性强的火焰及燃烧气流。而且，在阶差部分由于产生了负压，可使炉内的排出气体的再循环更加强烈。发明的效果
在权利要求1所述的低NOx燃烧器中，沿着在燃料喷嘴的喷射口的端面和空气喷嘴的喷射口的端面之间所形成的阶差部分的面上流动的部分燃烧用空气，在紧靠燃料喷出一侧端面的阶差附近，稳定地形成与燃烧用空气流逆流的漩涡，将部分燃烧气体吸入成为火种的火焰。另一方面，在阶差部分，产生负压，引起强烈的废气再循环，在燃烧空气与燃料气体混合之前，吸入排出的废气，降低氧浓度。而且，在喷射燃料的端面的下游侧，燃料被吸入燃烧用空气流并伴随混合其中，因此，在发生稳定缓慢的燃烧的同时，形成定向性强的火焰及燃烧气流。为此，在使用高温的燃烧用空气时，火焰的稳定性很高这一点自不用说，且可在抑制NOx发生的同时，形成定向性强的火焰和燃烧气流，从而，可在宽广的空间以均匀的热流进行燃烧。而且，在如点火时那样，燃烧用空气为低温的场合，虽然，燃烧用空气的流速变慢，排出气体的吸入量减少，但因燃烧用空气的温度低，所发生的NOx本来就少。相反，由于氧浓度提高，在(燃料喷嘴的喷射口附近的)燃料喷射流和燃烧用空气流之间可形成不被吹灭的种火，火焰稳定。
再有，在本发明的权利要求4的场合，将燃料喷嘴兼用作辅助燃烧器时，即可由简单的结构形成稳定的一次火焰，并使该火焰和燃料一起被附带地吸入燃烧用空气流一侧，从而，即使将燃烧用空气流和燃料分开喷射，也可形成稳定的火焰，增加燃烧排出气体的吸入量，实行低NOx化。
上述方法对在较高的高温下，例如1000℃以上的高温下操作的铁系加热炉等的升温过程中的低NOx化是有效的。然而，对于在以往来说难以实行的、在较低温度下操作的非铁金属溶解炉等的低NOx化和火焰的稳定来说，上述方法特别有效。
又，在本发明的权利要求2的场合，燃料容易流于空气一侧，伴随空气流的燃料气体的量以及，对于发生在近阶差部分的燃料喷射口附近的种火的燃料补充量增加。因此，在可促进更完全的燃烧，防止CO和HC等的游离的未燃成分发生的同时，可使在阶差部分形成的种火稳定，更加提高火焰的稳定性。
另外，在本发明的权利要求3的场合，由于沿燃烧用空气的喷射口的四周或其喷射口形成了阶差部分，该阶差部分即对燃烧用空气的喷射方向起强制的导向作用，可形成定向性大的燃烧用空气流。同时，在阶差部分由于产生了负压，引起使炉内排出气体的再循环。所以，可将燃料传带至更远地，形成定向性强的火焰及燃烧气体流。而且，由于阶差部分产生的负压，使炉内排出气体的再循环更为强力。所述阶差面对于空气喷嘴的喷射口作外接时，因排出气体吸入的面积大，可具有优异的降低燃烧用空气中的氧浓度的功能，又，在所述阶差面交叉形成几乎包覆空气喷嘴的喷射口的场合，由于所述空气喷嘴使用的耐火材料管件，其直至火焰前端面的喷嘴部分受抑制较多，可使定向性强的空气喷射流从火焰端面喷出，燃烧气体具有优异的随伴混合能力。
附图说明
图1为说明本发明的低NOx燃烧器的大致结构和燃烧状况的原理图，(A)为纵向剖视图，(B)为底视图。图2为显示本发明的低NOx燃烧器的其它实施例的底视图。图3为使用本发明的低NOx燃烧器的一个实施例的示意图。图4为表示测定本发明的低NOx燃烧器中的燃烧用空气的流速和NOx含量的关系的图表。图5表示已有的低NOx燃烧器的、一般的燃料二段燃烧器的原理图。
发明的最佳实施状态以下，根据附图所示的实施例，详细说明本发明的结构。
图1显示了本发明的低NOx燃烧器的一个实施例。该低NOx燃烧器系利用蓄热室和燃烧排出气体，将燃料气体与预热至高温的燃烧用空气流作平行喷出的燃烧器，使空气喷嘴1以远大于燃料(气体)喷嘴2的燃料喷速的高速，喷出预热至高温的燃烧用空气，且喷嘴1和2贯穿耐火材料管件3，在耐火材料管件3的形成阶差的二个端面4、5上，分别贯穿有喷嘴的喷射口6、7。这里，在燃料喷嘴2的四周埋设有形成供给一次空气的输送管道8，在燃料喷嘴2的四周，流有约占二次空气的10％的一次空气。在燃料喷嘴2的前端部分开设有除了主喷嘴7之外的喷射口9，该喷射口9向着四周的一次空气流路喷射一部分燃料，且，上述燃料喷嘴2的前端部分的设计可使燃料的一部分作为辅助燃料，在管道8的四周管壁上发生碰撞后，扩散于一次空气的流路内，得到一良好的混合状态。在燃料喷嘴的前端部，设有图中未示的点火器，使在燃烧中可形成稳定的一次火焰12。管道系统仅由流经用作二次空气的大部分燃烧用空气的主管道空气喷嘴1，和流经燃料及一次空气的燃料管道(一次空气管道8和燃料喷嘴2)构成，为一非常紧凑的系统。
又有，燃料喷射口7和空气喷射口6并不形成在一个平面上，而是设于形成阶差的不同的平面上，且，所述燃料喷射口7设于空气喷射口6的下侧。即，燃料喷射口7设于突出于端面4的端面(以下简称为火焰面)5上，所述面4为设置了耐火材料部件的端面(以下简称为基准面)。由该火焰维持面5的燃料喷出口7喷出稳定的一次火焰12及燃料F。燃烧用空气从耐火材料部件3的中央处以高速喷出。此时，在近火焰维持面5的阶差部分近旁，针对燃烧用空气流，可稳定地形成逆流的漩涡11，与一部分的燃料、气体急速混合，形成维持火焰区域。因此，高温时自不用说，低温时，也可形成不被吹灭的稳定的种火。空气喷嘴1和燃料喷嘴2平行设置而保持的耐火材料部件3，在本实施例的场合，为以作整体成形的单一的块件结构，根据使用场所的不同，也可分别成形保持空气喷嘴1的部分和保持燃料喷嘴2的部分，然后组合使用。有，在本实施例中，空气喷嘴1并不由管道组成，而是由开设于耐火材料管件3上的孔以及内置有耐火材料管件的燃烧器主体构成。当然，所述空气喷嘴1也可由管道构成。
在采用上述的结构时，考虑到耐火材料管件3上尚有强度上的问题，在空气喷嘴1和燃料喷嘴2之间有必要保持一定的距离。因此，燃料在刚喷射之后的区域内，具有难以被高速的空气流所吸引的倾向。所以，最好将燃料喷射口7上的空气喷嘴1近旁的部分13制成如图1所示的，向着空气喷嘴1一侧的曲面形状。由此，可使燃料易于流出至燃烧用空气流一侧，可以更加提高燃料的随拌混合能力，防止CO或HC等的游离的未燃成分的发生。另外，对于燃烧用空气的逆流的漩涡11的燃料供应也良好，可形成更加稳定的种火。有关上述空气喷嘴近侧部分的形状，也可不限于曲面，只要是能满足所述功能的形状即可，例如，可以是斜面。
空气喷嘴1设置于火焰保持面5和基准面4的边界的阶差部分上。而且，使所述近火焰保持面5的部分具有随拌混合燃料的功能；使近基准面4具有再循环排出气体的功能。即，如图1(B)所示，火焰保持面5和基准面4的阶差部分的面10作横截喷射口4的中心设置，使其将空气喷嘴1的喷射口6分成两半，此时，随伴混合功能和再循环功能互为对立。另一方面，如图2(A)所示，阶差部分的面10作外接于空气喷嘴1的喷射口4上设置，此时，比起图1(B)所示的场合来，吸入排出气体的面积增大，即可具有优异的降低燃烧用空气的氧浓度的作用。又，如图2(B)所示，当阶差部分的面10作几乎完全包覆喷射口4状的交叉设置时，喷射的空气中被耐火材料部件3所包覆遮拦至火焰维持面5的部分较多，使定向性更强的燃烧用空气流从火焰维持面5处喷出，具有优异的燃烧气体的随伴混合能力。此外，图2中显示了两个例子，但是，并不限于这些。
再有，燃烧用空气可利用燃烧排出气体，例如，可喷射预热至700～800℃或在这之上高温预热的空气。例如，使燃烧排出气体和燃烧用空气交互地通过蓄热室，直接进行热交换，可以由此预热至几近燃烧排出气体的温度。这里，虽未在图中表示出蓄热室体，但可由内装于燃烧器主体或与其连接的管道中，或由管道连接。
根据如此结构所示的图1中的低NOx燃烧器，当燃烧用空气以高温、高速喷出时，从火焰保持面5喷出的高速、具有定向性的燃烧用空气可以较早地强烈吸引以较低速作平行喷射的燃料，卷带、混合该燃料，作远程喷射。然而，燃烧用空气流速远大于燃料流速，例如，其速度可高达非常高的100m/s，在其到达火焰保持面之前，大量地卷带进排出气体，因此，燃烧反应不是急剧的发生，而是缓慢地进行。再由，空气流速快，则由于在燃烧反应中可大量的卷带进排出气体的同时进行燃烧反应，所以，可以促进更为缓慢的燃烧。这一点，从如图4所示的燃烧用空气的流速和NOx的发生量的关系所求得的实验结果而显见：燃烧用空气流的喷射速度越大，则NOx的量越低；且，燃烧量越大(高温场合下尤其如此)，则其效果越显著。从而，根据本发明实施例的燃烧器，可以形成较为均匀、长程的加热流，且可实现低NOx化。此外，对于火焰保持面5的阶差部分的近旁区域发生的燃烧用空气逆流，一部分燃料被吸引后，作扩散、混合，成为种火，形成稳定的火焰，因此，高温时不用说，从低温开始也可形成稳定的火焰。
具有如上所述的本发明的低NOx燃烧器，可以利用作为非铁金属溶浆炉的热源，例如，用作反射炉的热源。
本实施例中的低Nox燃烧器，以交替燃烧的二个燃烧器21、22为一组组成一个蓄热燃烧型的燃烧器系统20。蓄热燃烧型的燃烧器系统20设有炉壁，以使向着反射炉加热室的熔融铝的液面上的空间部分形成火焰和燃烧气体。另外，在本发明中是设置了一个蓄热燃烧型的燃烧器系统20，但是，也可设置二组以上的所述系统。
蓄热燃烧型的燃烧器系统20的结构及其燃烧方式并无什么特别限制，在本实施例中，其结构设置如图3所示，在燃烧器本体14中内置蓄热室23，分别将燃烧器21、22与蓄热室23制成一体后，将该二组组合成一个系统，使其交替燃烧，同时，使燃烧的排出气体通过在交替燃烧过程中处于熄火状态的燃烧器以及蓄热室排出。对二个燃烧器21、22所作的设计是，通过一个四通阀26，使该二个燃烧器与供给燃烧用空气流的供气系统24和排出燃烧气体的排气系统25可以有选择的连接。对其中之一的燃烧器21(或22)通过蓄热23供应燃烧用空气，同时，对另一个燃烧器22(或21)通过蓄热室，使之排出燃烧气体。燃烧用空气可用例如压气风扇(图中未示)等来供给，燃烧排出气体可用例如，吸气风扇(图中未示)等的排气方法将该气体从炉中抽出至大气中。另外，一部分燃烧用空气不经过蓄热室23，而作为一次空气与燃料一起从管道8、2喷出。又，附图中虽然未表示出燃料供给系统，但可例如通过三通阀，可有选择的使其交替地与燃烧器21、22中的任一个连接，供给燃料。
这里，蓄热室23、23最好使用由压力损失较小、但热容量较大，耐用性较高的材料，例如，由堇青石、莫来石等的陶瓷形成的、具有许多蜂窝状网孔的筒体结构。此时，从燃烧排出气体中回收热能时，排出气体即使低于酸的露点温度以下，也可在陶瓷中收集到燃料中的含硫成分和其化学变化物质，由此，不致对后道的排气系统中的管道等造成低温腐蚀。当然，本发明的蓄热室并不限于这些，也可以使用如陶瓷球或矿块材料等的其它的蓄热室。
根据如上所述的结构的威尔式反射型溶浆炉，在700～800℃左右的中温区域内操作时，在阶差面10附近的火焰保持面5上，作为起因于燃烧用空气的逆流的种火，形成了稳定的火焰，同时，排出气体被燃烧用空气流的高速流动而吸入，由此，使氧浓度降低，并使被燃烧用空气流吸入的燃料徐徐混合于燃烧用空气中作缓慢的燃烧。这样，火焰稳定，NOx含量不增加。
另一方面，燃烧排出气体从熄火中的燃烧器中通过空气喷嘴1及蓄热室23，经由排气系统25排出。即，一组燃烧器21、22通过四通阀26的切换，交替地连接于排气系统25和供气系统24，熄火时，即可用作燃烧排出气体的排出通道。铝的溶浆由火焰及燃烧气体的辐射热而被加热。这里，由于供给至燃烧器21、22的燃烧用空气是经由与蓄热室23的短时间的直接接触预热后，再予以供给的，因此，处于接近排出气体温度的高温下。从而，少量的燃料也可作稳定的燃烧，得到高温气体。而且，因可随着燃烧量的增减，燃烧用空气的温度也可随时跟着发生变化，溶浆的温度调节的响应性良好。
再有，燃烧与排气的切换可以有例如10秒～2分钟的间隔，较好的是以1分以内的间隔，最好是以10～40秒左右的极短的间隔进行。另外，也可在排出的经由蓄热室23排出的燃烧气体达到设定的温度时，例如达到约200℃左右时进行上述的切换。此时，由于火焰的燃烧位置频频移动，燃烧室内的热量分布更加均匀，减少加热不匀及保温不匀。从该燃烧器的效果及不固定火焰的效果，可以方便的达到炉内温度的均匀化。据此，又可提高炉内的设定温度，大幅度提高辐射传热量，从而，提高热效率，降低燃料费用。
根据本实施例的燃烧器，蓄热室23、23，耐火材料部件3和燃烧器本体组装成为一个整体，且其中管道少，比起以往的燃烧器来，本实施例的燃烧器，其结构更紧凑，可提高其应用的自由度，在制造施工上也具有成本低的优点。因此，大规模新置的加热设备不用说，就是在以往投资回收较为困难的小规模加热设备的节能改造上，也可解决投资回收的问题。
又，上述实施例虽是本发明的一个较好的实施例，但是，本发明并不限于此例，只要不脱离本发明的要点，在此范围内，可以有各种变化。例如，在本实施例中，主要是就将本发明的低NOx燃烧器用于反射炉的场合下的说明，但是，不限于此，不论直接加热或间接加热，本发明的低NOx燃烧器可用于所有的加热设备。另外，在本实施例中，就利用连接或内置于燃烧器中的蓄热室将高温的燃烧用空气交替燃烧的场合作了主要的说明，但是，也并不限制于此。也可以使蓄热室对着燃烧用空气的供给系统和排气系统作相对的旋转，或由使用管路切换装置，切换流体的对于蓄热室的流向，等等，即可由此利用高温的燃烧排出气体的排出热量，将预热至高温的燃烧用空气连续地供应至单一的的燃烧器，维持连续的燃烧。又，在本实施例中，是在燃料喷嘴2的四周设置用于流动一次空气的管道8，以在喷射口附近形成辅助燃烧器，但并不限制于此，依场合的不同，也可将辅助燃烧器置于与燃料喷嘴不同的该喷嘴的近旁。还有，在本实施例中，就使用了气体燃料的场合作主要的说明，但是，并不特别限制于此，也可使用如油等的液体燃料。
Claims (4)
1.一种低NOx燃烧器，其特征在于，在使用了高温的燃烧空气作燃烧的蓄热燃烧型的燃烧器系统中，将其喷速远大于上述燃料的高速喷射燃烧用空气的喷嘴与喷射燃料的喷嘴平行设置，且在以耐火材料围置于上述喷嘴的外围的同时，在燃料喷嘴的喷射口的形成端面和空气喷嘴的喷射口的形成端面之间形成阶差，使所述燃料喷嘴一侧的端面突出于空气喷嘴一侧的端面，所述高温燃烧用空气系由使燃烧排出气体和燃烧用空气交替地通过蓄热室而得到。
2.如权利要求1所述的低NOx燃烧器，其特徵在于，在所述燃料喷嘴的喷射口靠近空气喷嘴的部分有曲面或斜面形成的扩展部形成，喷射燃料的一部分流出至空气喷嘴一侧。
3.如权利要求1或2所述的低NOx燃烧器，其特徵在于，所述燃料喷嘴的喷射口所形成的耐火材料的端面和空气喷嘴的喷射口所形成的耐火材料的端面之间的阶差面外接或交叉于所述空气喷嘴的喷射口。
4.如权利要求1所述的低NOx燃烧器，其特徵在于，所述燃料喷嘴可兼用作辅助燃烧器。
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