CN111237758A - 一种预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置 - Google Patents

一种预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，有效解决工业炉窑控氧、控燃、控温的高效、节能、低氮的燃烧问题，燃烧器由外煤气气流通道管、中间空气气流通道管和中心调节气流进口管同心套装在一起构成，外煤气气流通道管的外端口与空气气流通道管的外壁间密封连接，构成煤气气流通道；外煤气气流通道管上装有煤气进口管，空气气流通道管的外端口与中心调节气流进口管的外壁间密封连接，构成空气气流通道；空气气流通道管上在空气气流通道封闭的外端的管壁上装有空气进口管，形成两个环形通道和一个中心管通道，两个环形通道一端封闭另一端开通，中心管两端为进口端和出口端。本发明结构简单，使用效果好，是燃烧装置上的创新。

Description

一种预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置
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预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置。
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，还要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，还要使氮氧化物的排放符合相关规定。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的气体燃烧器，都明显存在燃烧器设计上的诸多问题，如，因倾向于燃气与空气之间的边混合边燃烧的扩散燃烧方式或先部分预混的半预混燃烧方式，从而造成燃气与空气不能充分且均匀地混合与燃烧，这也使得燃烧过程的空气量（氧浓度）得不到恰当而有效的控制，这样不仅仅导致燃烧装置的燃烧强度和燃烧效率得不到提升，而且出现较低燃烧温度（平均温度）下烟气中氮氧化物含量超标。分析原因在于，燃烧过程中存在局部高温与烟气中氧含量过高，这对于长焰燃烧过程而言，在其混合燃烧的火焰锋面的空气侧，就存在局部的高温与充裕的氧浓度。基于上述分析，这里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烟气回流混合燃烧与保护性燃烧的综合燃烧过程，由于充分均匀的预混燃气被烟气预热后快速完成燃烧过程，完成燃烧后的高温烟气状态下就没有充裕的氧浓度与烟气中的氮气发生氧化反应而生成氮氧化物，这就实现了在可控氧浓度下的高燃烧强度、高燃烧效率、低氮氧化物含量的燃烧过程，使气体燃料燃烧不需要设置烟气脱氮（硝）装置就能实现低氮无污染排放成为可能，但至今未见有公开报导。
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预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，可有效解决对工业炉窑实现控氧、控燃、控温的高效、节能、低氮（环保）的燃烧问题。
本发明解决的技术方案是，一种预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，包括燃烧室和燃烧器，所述的燃烧器是由3个不同直径的外煤气气流通道管、中间空气气流通道管和中心调节气流进口管同心套装在一起构成，外煤气气流通道管的外端口（左端口）与空气气流通道管的外壁间密封在一起，构成煤气气流通道；外煤气气流通道管上装有与煤气气流通道相连通的煤气进口管，空气气流通道管的外端口（左端口）与中心调节气流进口管的外壁间密封在一起，构成空气气流通道；空气气流通道管上在空气气流通道封闭的外端的管壁上装有与空气气流通道相连通的空气进口管，形成两个环形通道和一个中心管通道，两个环形通道一端封闭另一端开通为出口端，中心管两端分别为进口端和出口端，在煤气气流通道的环形通道中设置煤气旋流导向片，且在出口处环形通道截面呈收缩状形成煤气气流喷出口；在空气气流通道的环形通道中设置空气旋流导向片，并在出口处因中心管出口处设置扩散锥面而使环形通道截面呈收缩状构成空气气流喷出口，中心管通道中设置有调节气流旋流导向片，中心管通道的调节气流出口处设置壁面开有均布多孔的气流扩散锥；
所述的燃烧室是由燃烧室墙体构成的一个端面封闭而另一对应端面的空腔体，空腔体内壁面全部设置燃烧室水冷却壁，空腔体外壁面为钢板构成的支撑外壳，空腔体的收缩后开口为燃烧室收缩出口，燃烧室封闭的端面腔体上中心对称装有两个结构相同的燃烧器，燃烧器的燃烧器引入端口与燃烧室内腔经通道、烟气回流引入口、燃烧气流喷出口与燃烧室空间相连通。
本发明结构简单，新颖独特，使用效果好，既能实现煤气与空气间的充分均匀且快速的旋流混合，又能在燃烧室形成对称的回流涡旋，在实现烟气回流预热与稳焰的同时强化燃烧过程与完成充分燃烧，中心调节气流的引入对于控制氧浓度实现低氮燃烧创造了更加有利的条件，也为另一种燃料（如煤粉或油雾）或氧化剂（富氧）的加入提供便捷的通道，使得燃烧器的应用范围得以扩展，是燃烧装置上的一大创新，有巨大的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明的剖面主视图。
图2为本发明图1中A-A向剖面视图。
图3为本发明结构的左视图。
图4为本发明图1中B-B向剖面视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体结构形式与实施方式作详细说明。
本发明的燃烧装置是由包括燃烧室1和燃烧器2，所述的燃烧器2是由3个不同直径的外煤气气流通道管6-1、中间空气气流通道管5-1和中心调节气流进口管7同心套装在一起构成，外煤气气流通道管6-1的外端口（左端口）与空气气流通道管5-1的外壁间密封在一起，构成煤气气流通道；外煤气气流通道管6-1上装有与煤气气流通道相连通的煤气进口管6，空气气流通道管5-1的外端口（左端口）与中心调节气流进口管7的外壁间密封在一起，构成空气气流通道；空气气流通道管5-1上在空气气流通道封闭的外端的管壁上装有与空气气流通道相连通的空气进口管5，形成两个环形通道和一个中心管通道，两个环形通道一端封闭另一端开通为出口端，中心管两端分别为进口端和出口端，在煤气气流通道的环形通道中设置煤气旋流导向片6-3，且在出口处环形通道截面呈收缩状形成煤气气流喷出口6-2；在空气气流通道的环形通道中设置空气旋流导向片5-3，并在出口处因中心管出口处设置扩散锥面而使环形通道截面呈收缩状构成空气气流喷出口5-2，中心管通道中设置有调节气流旋流导向片7-3，中心管通道的调节气流出口7-1处设置壁面开有均布多孔的气流扩散锥7-2；
所述的燃烧室1是由燃烧室墙体1-1构成的一个端面封闭而另一对应端面的空腔体，空腔体内壁面全部设置燃烧室水冷却壁1-3，空腔体外壁面为钢板构成的支撑外壳，空腔体的收缩后开口为燃烧室收缩出口4，燃烧室封闭的端面腔体上中心对称装有两个结构相同的燃烧器2，燃烧器2的燃烧器引入端口3与燃烧室内腔经通道2-1、烟气回流引入口3-2、燃烧气流喷出口3-3与燃烧室空间1-2相连通。
所述的燃烧器2的3个不同直径的外煤气气流通道管6-1、中间空气气流通道管5-1和中心调节气流进口管7均是由耐高温的钢管制成的圆形，前部接触高温区域且流速快的出口部位采用耐磨损抗热震的耐火材料浇筑而成，当是高热值煤气燃烧的燃烧器时，整体采用陶瓷材料制作。
所述的燃烧器引入端口3的口体是由耐高温抗热震的堇青石莫来石材质的耐火材料制成的圆形截面体，当要求更高燃烧温度时，采用碳化硅材质的耐火材料制作成的圆形截面体。
所述的燃烧室1是由燃烧室墙体1-1构成的一端封闭、另一端为开口的矩形箱体，或一端（边）封闭另一端（边）开口的圆筒体。
所述的燃烧室墙体1-1是由耐高温抗热震的红柱石高铝材质的定型砖砌筑在钢板制成的支撑外壳内面上，在外壳与燃烧室砌筑的墙体之间敷设耐高温且保温性能好的陶瓷纤维毡。
本发明在具体使用时，煤气与空气分别通过煤气进口管6和空气进口管5进入煤气气流通道6-1和空气气流通道5-1，再各自流经煤气旋流导向片6-3和空气旋流导向片5-3形成同向旋转气流分别从煤气气流喷出口6-2和空气气流喷出口5-2喷出，并在缩放形的混合燃烧段3-1中充分且快速混合，并高速流向燃烧气流喷出口3-3，同时受其高速流动形成的低压通过烟气回流引入口3-2将燃烧室高温烟气卷入进，受其预热而着火燃烧，形成充分高速预混烟气回流预热燃烧的燃烧状态，由于燃烧器呈现结构的对称性布置，在燃烧室中必然形成对称性的旋流气流流场，也就是既均匀又对称的回旋气流流场，实现回流自预热与自稳定的燃烧状态以及温度均匀分布的状态。燃烧室形成的对称性极好的高温烟气流最终通过燃烧室收缩出口4进入热利用装置。对于这样的快速预混与快速预热燃烧，并形成均匀温度分布与稳定的高温流场结构，再通过调节气流作用有效控制氧浓度的条件下，既能完成充分的热交换又能有效控制氮氧化物的生成，成为一种高燃烧强度与高燃烧效率的低氮燃烧的燃烧装置是其必然的结果。该装置之燃气锅炉低氮燃烧的改造中实现了提高锅炉热强度和热效率，并使氮氧化物浓度减少到30mg/m3以下，如果进一步提高锅炉的密封程度以减少漏风，尤其是在高温区域（有效控氧成功），其效果将会更加显著。同样结构的燃烧装置，在高炉热风炉上使用，引起氧浓度易于控制，其氮氧化物浓度可以达到检测不到的情况，大多数在10—30mg/m3之间，真正实现对工业锅炉控氧、控燃、控温的节约、低氮、环保，是燃烧设备上的一大创新，经济和社会效益巨大。

Claims (5)

1.一种预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，包括燃烧室（1）和燃烧器（2），其特征在于，所述的燃烧器（2）是由3个不同直径的外煤气气流通道管（6-1）、中间空气气流通道管（5-1）和中心调节气流进口管（7）同心套装在一起构成，外煤气气流通道管（6-1）的外端口与空气气流通道管（5-1）的外壁间密封在一起，构成煤气气流通道；外煤气气流通道管（6-1）上装有与煤气气流通道相连通的煤气进口管（6），空气气流通道管（5-1）的外端口与中心调节气流进口管（7）的外壁间密封在一起，构成空气气流通道；空气气流通道管（5-1）上在空气气流通道封闭的外端的管壁上装有与空气气流通道相连通的空气进口管（5），形成两个环形通道和一个中心管通道，两个环形通道一端封闭另一端开通为出口端，中心管两端分别为进口端和出口端，在煤气气流通道的环形通道中设置煤气旋流导向片（6-3），且在出口处环形通道截面呈收缩状形成煤气气流喷出口（6-2）；在空气气流通道的环形通道中设置空气旋流导向片（5-3），并在出口处因中心管出口处设置扩散锥面而使环形通道截面呈收缩状构成空气气流喷出口（5-2），中心管通道中设置有调节气流旋流导向片（7-3），中心管通道的调节气流出口（7-1）处设置壁面开有均布多孔的气流扩散锥（7-2）；
所述的燃烧室（1）是由燃烧室墙体（1-1）构成的一个端面封闭而另一对应端面的空腔体，空腔体内壁面全部设置燃烧室水冷却壁（1-3），空腔体外壁面为钢板构成的支撑外壳，空腔体的收缩后开口为燃烧室收缩出口（4），燃烧室封闭的端面腔体上中心对称装有两个结构相同的燃烧器（2），燃烧器（2）的燃烧器引入端口（3）与燃烧室内腔经通道（2-1）、烟气回流引入口（3-2）、燃烧气流喷出口（3-3）与燃烧室空间（1-2）相连通。
2.根据权利要求1所述的预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧器（2）的3个不同直径的外煤气气流通道管（6-1）、中间空气气流通道管（5-1）和中心调节气流进口管（7）均是由耐高温的钢管制成的圆形，前部接触高温区域且流速快的出口部位采用耐磨损抗热震的耐火材料浇筑而成，当是高热值煤气燃烧的燃烧器时，整体采用陶瓷材料制作。
3.根据权利要求1所述的预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧器引入端口（3）的口体是由耐高温抗热震的堇青石莫来石材质的耐火材料制成的圆形截面体，当要求更高燃烧温度时，采用碳化硅材质的耐火材料制作成的圆形截面体。
4.根据权利要求1所述的预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧室（1）是由燃烧室墙体（1-1）构成的一端封闭、另一端为开口的矩形箱体，或一端封闭另一端开口的圆筒体。
5.根据权利要求4所述的预混气流高速旋流喷射烟气回流低氮燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧室墙体（1-1）是由耐高温抗热震的红柱石高铝材质的定型砖砌筑在钢板制成的支撑外壳内面上，在外壳与燃烧室砌筑的墙体之间敷设耐高温且保温性能好的陶瓷纤维毡。
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