CN111981502B - 一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器 - Google Patents

一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，涉及一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，包括设置在壳体上的冷空气入口、预热混合助燃气体出口和排烟出口以及设置在壳体内的空气分配室、空气管束、空气集气室和空烟混合中心管，空气分配室与冷空气入口相连，空气管束两端分别与空气集气室和空气分配室相连，空烟混合中心管一端与预热混合助燃气体出口相连、另一端被空气集气室的空气高速喷管伸入连通并与之外壁形成有环缝状的烟气回流入口，空烟混合中心管外设有隔热套管，隔热套管一端被空气分配室封堵、另一端与空气高速喷管外壁之间留有环缝状并与空烟混合中心管同侧端部形成有沿烟气流动方向呈渐缩圆锥面的喇叭口。本发明具有质量轻，工艺简单，制造成本低的优点。

Description

一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器
技术领域
本发明属于空气预热装置技术领域，涉及一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，尤其是配合W/U型辐射管烧嘴使用的空气预热装置。
背景技术
工业设备的节能效果以及降低NOX等污染物排放的效果成为工业生产企业关注的重要指标。而在金属热处理行业中，为使金属产品表面不直接接触化学成分复杂的烟气，通常采用辐射管间接加热的方式，W型和U型辐射管是较为常用的两种辐射管，其辐射管管壁温度均匀性是影响热处理效果的重要因素之一。
常用的配合W/U型辐射管烧嘴使用的空气预热装置为提高传热系数，通常采用一根翅片管或一根波纹管的方式，其传热系数提升有限；同时其翅片管、波纹管通常采用浇铸方式加工，加工工艺复杂、成品率低，且管壁较厚，导致预热装置整体较重，因此设备的制造成本较高。此外，常用的配合W/U型辐射管烧嘴使用的空气预热装置一般带有烟气循环装置，将一部分烟气混入空气，以降低助燃气体氧气浓度，同时降低燃烧区域的局部高温，并起到抑制NOx生成的作用。带烟气循环的空气预热装置可分为在预热装置出口实现烟气回流（后置烟气回流）和在预热装置入口实现烟气回流（前置烟气回流）两种。采用后置烟气回流方式，存在以下问题：因为在预热装置出口实现烟气回流，烟气循环倍率越高，通过预热装置的烟气量就越大，在空气量不变的情况下，排烟温度越高，热效率越低；由于通过预热装置的高温烟气量更多，导致预热装置寿命更短。采用前置烟气回流方式，通过特制的烟气回流件实现在预热装置前烟气回流，但该烟气回流件结构非常复杂，并需要采用高牌号耐热钢或者其他耐热材料铸造，其成品率很低，成本也较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，通过优化前置烟气回流循环结构及翅片换热结构，解决在预热器前置烟气回流方式中的结构复杂、成本高的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，包括设置在壳体上的冷空气入口、预热混合助燃气体出口和排烟出口以及设置在壳体内的空气分配室、空气管束、空气集气室和空烟混合中心管，空气分配室与冷空气入口相连，空气管束两端分别与空气集气室和空气分配室相连，空烟混合中心管一端与预热混合助燃气体出口相连、另一端被空气集气室的空气高速喷管伸入连通并与之外壁形成有环缝状的烟气回流入口，空烟混合中心管外设有隔热套管，隔热套管一端被空气分配室封堵、另一端与空气高速喷管外壁之间留有环缝状并与空烟混合中心管同侧端部形成有沿烟气流动方向呈渐缩圆锥面的喇叭口。
进一步，空气分配室的内腔空间形状拓扑等价于环形，其设有一个入口与冷空气入口相连、多个出口与空气管束相连；所述空气集气室的内腔空间形状拓扑等价于柱形，其设有多个入口与空气管束相连、一个以上出口与空气高速喷嘴相连；相应的空气高速喷管的数量为一个以上。
进一步，空气分配室和空气集气室通过一圈以上的空气管束连通，所述空气管束的管道结构为包括但不限定于直管束或螺旋管束。
进一步，空气管束的管道内部设有强化换热的插入件，所述插入件的截面包括但不限于一字形、十字形或一字螺旋形。
进一步，空气集气室面对烟气来向的对应端面设有减小烟气流动阻力的凸面，所述凸面包括但不限于球面或椭球面；所述空气集气室的出口端面设有减小气室内空气流动阻力的导流面，所述导流面包括但不限于圆锥面。
进一步，隔热套管的管壁与空烟混合中心管的管壁之间形成空气隔热夹层，且隔热套管外径与空烟混合中心管内径之比的范围在1.5~3。
进一步，喇叭口的进出口端面间距与空烟混合中心管的内径之比范围在0.8~1.2。
进一步，空气高速喷管的出口端伸入喇叭口内，且空气高速喷管出口端面与喇叭口入口端面之间的间距同空烟混合中心管内径之比范围在0.5~1.4。
进一步，烟气回流入口的位置介于空气高速喷管出口端面与空气集气室出口端面之间，且烟气回流入口的流通面积不小于空烟混合中心管的流通截面积。
进一步，空气管束以及隔热套管上均设置带有缺口并以该缺口呈平行交替间隔分布的烟气扰流挡板，且空气管束和隔热套管贯穿于烟气扰流挡板。
本发明的优点在于：
1.本发明通过优化前置烟气循环结构，并改进翅片换热器结构，使设备整体具有加工工艺简单，而引射处结构重量减轻约40%，设备整体减轻约30%以上，有利于降低了设备成本。
2.本发明实现预热器前置烟气回流中可以降低助燃气体O2浓度，当管内温度达到一定条件时，配合特定燃烧器使用即可实现稳定无焰燃烧，大幅降低NOX排放。
3.本发明相比于一根翅片管或波纹管的换热器结构，在占用相同空间的条件下大幅提高换热面积，可使助燃气体预热温度更高；而相比于在预热器出口实现烟气回流的结构，在预热器入口处实现烟气回流，其流经预热器与空烟混合气换热的烟气量更少，在空气量一定、预热温度一定的情况下，排烟温度更低，预热温度更高，有利于烟气余热回收，相比于传统结构可以节能约10%。
4. 本发明在预热器入口实现烟气回流，使其在相同的空气入口压力下可以实现更高的烟气循环倍率。如在相同烟气回流量（30%）、相同助燃气体（空气、引射烟气混合气体）预热温度（507℃）情况下，空气入口所需的压力减小约35%以上。
5. 本发明由于实现了更高的预热温度，从而能够在更低的辐射管内温度条件下达到稳定无焰燃烧状态。
6.本发明在实现稳定无焰燃烧时，辐射管壁温更均匀，可以提高热处理产品质量。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明实施例的内部结构剖视示意图。
图2为图1中局部I的放大示意图。
图3为预热器内部气体流向示意图，a为立体图，b为侧视图，c为A-A剖视图，d为B-B剖视图。
图4为预热器在辐射管上配合烧嘴使用的系统示意图；a为W型辐射管，b为U型辐射管。
图5为烟气扰流挡板外轮廓示意图。
图6为空气管束的直管束排布方式示意图；a为四根式，b为六根式。
图7为空气管束的螺旋管束排布方式示意图。
图8为空气管束中插入件截面形状示意图；a为一字形，b为十字形，c为一字螺旋形。
附图标记：壳体1、冷空气入口2、预热混合助燃气体出口3、排烟出口4、空气分配室5、空气管束6、空气集气室7、空烟混合中心管8、空气高速喷管9、隔热套管10、喇叭口11、烟气回流入口12、烟气扰流挡板13；插入件61；缺口131。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1、2所示，本发明提供的一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，包括壳体1，壳体1上开有冷空气入口2、预热混合助燃气体出口3以及排烟出口4，位于壳体上的空气、烟气、空烟混合气接口方向可以根据布管情况相应调整，壳体1内包含空气分配室5，空气分配室5的入口通过钢管连接冷空气入口2，空气分配室5的出口连接一组空气管束6的入口端，空气管束6的出口连接空气集气室7的入口，空气集气室7出口连接伸入空烟混合中心管8的空气高速喷管9，空烟混合中心管8作为空气、烟气混合用，空烟混合中心管8入口端面与空气集气室7的出口端面之间不封闭留有环缝，空烟混合中心管8外有隔热套管10，隔热套管10靠近空烟混合中心管8入口的一端与空气集气室7的出口端面之间不封闭留有环缝，隔热套管10靠近空烟混合中心管8入口的一端与空烟混合中心管8入口端通过沿烟气流动方向渐缩的圆锥形钢板或变径钢管连接，形成烟气引射入口的喇叭口11，喇叭口11与空气集气室7的出口端面之间的空隙形成烟气回流入口12，烟气回流入口12位于集气室7出口端面与空气高速喷管9出口端面之间，空烟混合中心管8出口端与预热混合助燃气体出口3通过钢管连通。另外，考虑到钢管的热膨胀，需要在空气管束6的每根管、空烟混合中心管8以及隔热套管10上焊接管膨胀节（未画出），避免管道热胀。采用上述方案，本发明相比于常用的翅片管式预热器，质量轻，工艺简单，制造成本低；且换热效率增加，提高了空气预热温度。
在本实施例中的隔热套管10管壁与空烟混合中心管8管壁之间形成空气隔热夹层，以防止当引射烟气达到一定量时，空烟混合中心管8内气体温度高于其外烟气温度，导致空烟混合中心管8内混合气体向其外烟气大量放热，降低预热器效率；隔热套管10外径与空烟混合中心管8内径之比范围控制在1.5~3之间，可选为1.8、2、2.3、2.5、2.7等。
在本实施例中的喇叭口11进出口端面间距与空烟混合中心管8内径之比范围控制在0.8~1.2之间，可选为0.9、1、1.1等。
在本实施例中的空气高速喷管9可以为一个喷管或一组喷管；空气高速喷管9出口端伸入喇叭口内，并且空气高速喷管9出口端面与喇叭口11入口端面间距与空烟混合中心管8内径之比范围控制在0.5~1.4之间，优选为0.6、0.8、1、1.2等。
在本实施例中的烟气回流入口12流通面积不小于空烟混合中心管8流通截面积；烟气回流入口12位置介于空气高速喷管9出口端面与空气集气室7出口端面之间，以防止空气从烟气回流入口12流出混入混合管8之外烟气中。
在本实施例中的空气集气室7与烟气接触端面为可以有效减小烟气流动阻力损失的形状（不限于椭球面），空气集气室7的出口端面为可以有效减小其内空气流动阻力损失的形状（不限于圆锥面）。
结合图5，在本实施例中的空气管束6以及隔热套管10上在烟气流动方向上设置有一组烟气扰流挡板13，烟气扰流挡板固定在隔热套管10上，根据其上设置的缺口方向交替间隔分布，如若增加换热效率，还可以减少烟气扰流挡板间距、增加烟气扰流挡板数量，从而增加烟气流动长度，烟气扰流挡板13以其上的缺口131呈平行交替间隔分布，空气管束6和隔热套管10贯穿烟气扰流挡板13。
参照图6（不限于图5中排布方式），为进一步增加换热面积，可以增加空气管束6数量，烟气扰流挡板13上的开孔也根据空气管束6排布方式相应调整。
参照图7，在相同空气管束6数量情况下，为进一步增加换热面积，可以采用可以布满环形空间的螺旋管束或其他异形管束替代直管束。
参照图8，为强化空气管束6内换热，可以添加不同截面形状的插入件，其截面形状不限于一字形、十字形、一字螺旋形。
本实施例的工作原理如下：
冷空气由空气入口2进入空气分配室5，由空气分配室5流入到空气管束6中并开始与空气管束6周围流动的烟气进行叉流换热，经过预热后的空气由空气管束6汇入空气集气室7，然后流经空气集气室7出口处的空气高速喷管9喷入空烟混合中心管8，由于空气流高速喷出，高速气流周围形成负压区域，将从烟气回流入口12卷吸入一定比例的高温烟气，在空烟混合中心管8内，预热后的空气与高温烟气热质交换，在经过一段距离的流动混合后，混合较为充分的空气、烟气混合气体由预热混合助燃气体出口3流出本预热器，作为助燃气体流入配套烧嘴。由于烟气混入，助燃气体氧浓度降低，在更低辐射管内温度条件下，烧嘴可在辐射管内实现无焰燃烧，大幅降低NOX排放的同时提高辐射管壁面温度均匀性。辐射管内的一部分高温烟气在进入预热器前由于负压卷吸作用进入空烟混合中心管8进行循环；另一部分高温烟气在烟气扰流挡板13作用下，以叉流方向掠过空气管束6换热，最后由排烟出口4排出本预热器。通过预热器参与空气预热的烟气量低于在预热器出口位置进行烟气回流的装置，在空气量不变的情况下，在预热器入口处引射高温烟气，可以实现在空气预热温度提高的同时具有更低排烟温度，从而提高余热回收量，节能约10%；由于在进入预热器之前进行引射，被引射的烟气没有经过预热器的流动总阻力，所以引射烟气所需的空气负压相比在预热器出口引射减少，所以空气入口所需压力降低，换言之在相同的空气入口压力下可以实现更高的烟气循环倍率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，包括设置在壳体上的冷空气入口、预热混合助燃气体出口和排烟出口，其特征在于，还包括设置在壳体内的空气分配室、空气管束、空气集气室和空烟混合中心管，空气分配室与冷空气入口相连，空气管束两端分别与空气集气室和空气分配室相连，空烟混合中心管一端与预热混合助燃气体出口相连、另一端被空气集气室的空气高速喷管伸入连通并与之外壁形成有环缝状的烟气回流入口，空烟混合中心管外设有隔热套管，隔热套管一端被空气分配室封堵、另一端与空气高速喷管外壁之间留有环缝状并与空烟混合中心管同侧端部形成有沿烟气流动方向呈渐缩圆锥面的喇叭口；
所述空气分配室的内腔空间形状拓扑等价于环形，其设有一个入口与冷空气入口相连、多个出口与空气管束相连；所述空气集气室的内腔空间形状拓扑等价于柱形，其设有多个入口与空气管束相连、一个以上出口与空气高速喷嘴相连；相应的空气高速喷管的数量为一个以上；
所述空气集气室面对烟气来向的对应端面设有减小烟气流动阻力的凸面，所述凸面包括但不限于球面或椭球面；所述空气集气室的出口端面设有减小气室内空气流动阻力的导流面，所述导流面包括但不限于圆锥面；
所述烟气回流入口的位置介于空气高速喷管出口端面与空气集气室出口端面之间，且烟气回流入口的流通面积不小于空烟混合中心管的流通截面积；
所述空气管束以及隔热套管上均设置带有缺口并以该缺口呈平行交替间隔分布的烟气扰流挡板，且空气管束和隔热套管贯穿于烟气扰流挡板。
2.根据权利要求1所述的配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，其特征在于，所述空气分配室和空气集气室通过一圈以上的空气管束连通，所述空气管束的管道结构为包括但不限定于直管束或螺旋管束。
3.根据权利要求2所述的配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，其特征在于，所述空气管束的管道内部设有强化换热的插入件，所述插入件的截面包括但不限于一字形、十字形或一字螺旋形。
4.根据权利要求1所述的配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，其特征在于，所述隔热套管的管壁与空烟混合中心管的管壁之间形成空气隔热夹层，且隔热套管外径与空烟混合中心管内径之比的范围在1.5~3。
5.根据权利要求1所述的配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，其特征在于，所述喇叭口的进出口端面间距与空烟混合中心管的内径之比范围在0.8~1.2。
6.根据权利要求1所述的配合辐射管烧嘴使用的高效预热器，其特征在于，所述空气高速喷管的出口端伸入喇叭口内，且空气高速喷管出口端面与喇叭口入口端面之间的间距同空烟混合中心管内径之比范围在0.5~1.4。
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