CN112781047A - 一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，实现在可控氧浓度下的空煤气快速均混、高温烟气回流预热、蓄热体中高强度燃烧，达到高效，低氮无污染排放的问题。燃烧装置墙体是包含承压承重结构层与保温层的墙体，燃烧室内环墙是承压承重墙体结构，空气煤气混合装置的煤气进口管和空气进口管设置在燃烧装置墙体的外侧，分别连通煤气和空气分配环道，煤气分配环道内侧的煤气出口通道向内连通气流预混环槽，空气分配环道内侧的空气出口通道转折向上连通空气喷出口，空气喷出口向上连通气流预混环槽的底部，气流预混环槽收缩向上形成预混气流喷出环缝；本发明实现工业炉窑的控氧、控燃、控温，达到高效、节能、低氮、环保之目的。

Description

一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置

技术领域

本发明涉及气体燃料燃烧装置，特别是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、梭式窑等工业炉窑类热利用设备使用的一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置。

背景技术

工业炉窑是工业生产热利用必不可少的重要设备，目前，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，使得氮氧化物的排放符合相关规定。因此，对氮氧化物可控的气体燃料燃烧对燃烧装置、燃烧室结构、以及相互间的合理配置等提出了更高的技术要求。

纵观目前各种工业炉窑使用的气体燃烧器，由于结构上存在的问题，在使用中明显存在诸多技术问题，如，因倾向于煤（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，从而造成煤（燃）气与空气不能充分且均匀地混合与燃烧，燃烧过程的空气量（氧浓度）得不到有效控制和利用，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，对于长焰燃烧而言，在其混合燃烧的火焰锋面的空气侧，存在局部的高温与充裕的氧浓度，从而形成氮氧化物浓度生成的不可控状态。

此外，对于高炉热风炉类，以蓄热体为传热介质的周期性蓄热式热交换设备，通过部分煤气与空气在蓄热体中燃烧以提高蓄热体温度是获得高热风温度的主要技术措施。如果采用预混燃烧后进入蓄热体，就必然使得热风炉的热风温度难以提升。因此，必须采用部分煤气与空气的预混气流在蓄热完成体燃烧过程，还必须是带有烟气回流的燃烧过程，这样才有可能在获得高热风温度的同时，实现煤气与空气的预混控氧的低氮燃烧。基于上述情况，提出一种实现稳定高热风温度，或者使低热值煤气燃烧获得高烟气温度的新结构的燃烧装置，用以完成气体燃料燃烧中的助燃空气高速引射煤气，实现充分均匀预混并卷吸高温烟气预热的蓄热体辅助燃烧的燃烧过程，即一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体中燃烧的燃烧装置势在必行。

发明内容

针对上述情况，为克服热利用设备在燃烧技术上的缺陷，本发明之目的就是提出一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，可有效实现在可控氧浓度下的空煤气快速均混、高温烟气回流预热、蓄热体中高强度燃烧的燃烧过程，达到高燃烧温度（高蓄热体温度）与低氮氧化物生成的燃烧效果，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的问题。

本发明解决的技术方案是，一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，是由球顶筒状的燃烧装置墙体及其内的空煤气混合装置与直筒状燃烧室内环墙同心套接而成，燃烧装置内部空间的上部为燃烧室，依次向下充填有高温助燃蓄热体与气流调节蓄热体，气流调节蓄热体下部为连接热利用设备或装置的燃烧室出口，在燃烧装置墙体与燃烧室内环墙之间形成预混气流烟气预热燃烧环槽，在燃烧装置墙体直筒段内设置有空气煤气混合装置，空气煤气混合装置是由煤气进口管、煤气分配环道、煤气出口通道、气流预混环槽、预混气流喷出环缝、空气进气管、空气分配环道、空气出口通道及空气喷出口构成，燃烧装置墙体是由金属壳体内设置耐高温陶瓷材料砌筑而成的包含承压承重结构层与保温层的墙体；燃烧室内环墙是由耐高温陶瓷材料砌筑而成的承压承重墙体结构，墙体内的高温助燃蓄热体与气流调节蓄热体均为耐高温、抗热震与防粘附的多孔蜂窝体；空气煤气混合装置的煤气进口管和空气进口管分别上下设置在燃烧装置墙体的外侧，并分别连通与燃烧装置墙体同轴线的煤气分配环道和空气分配环道，煤气分配环道内侧沿周向均布多个煤气出口通道向内连通气流预混环槽，空气分配环道内侧沿周向均布多个空气出口通道，空气出口通道转折向上连通相同数量均布的空气喷出口，空气喷出口向上连通气流预混环槽的底部，气流预混环槽收缩向上形成预混气流喷出环缝；预混气流烟气预热燃烧环槽处在燃烧室部位的燃烧装置墙体与燃烧室内环墙之间，底部连通预混气流喷出环缝，预混气流烟气预热燃烧环槽内侧下部设置有连通燃烧室的周向均布的多个回流烟气通道；燃烧室竖向侧壁上水平设置有与燃烧室内连通的热气流出口管，顶部设置有调节气流进口管。

本发明能有效取代现有工业炉窑的燃烧装置，做到既能在燃烧装置中实现空气主导的空、煤气间的充分均匀且快速的射流引射混合，且能借助于烟气回流实现高强度的预混燃烧，还能利用燃烧室中的助燃蓄热体来实现燃烧装置的“超焓”燃烧，用以提高燃烧温度与蓄热体温度，同时还能在控制氧浓度前提下实现低氮燃烧，最终实现工业炉窑的控氧、控燃、控温，达到高效、节能、低氮、环保之目的。

本发明结构新颖独特，使用效果好，能充分均匀的预混燃气被烟气预热后快速进入助燃蓄热体中完成燃烧过程，而完成燃烧后的高温烟气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，这就实现在可控氧浓度下的空煤气快速均混、高温烟气回流预热、蓄热体中高强度燃烧的燃烧过程，达到高燃烧温度（高蓄热体温度）与低氮氧化物生成的燃烧效果，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。

附图说明

图1为本发明结构剖面主视图。

图2为本发明燃烧器结构的截面俯视图。

图3为本发明燃烧室结构的截面俯视图。

图4为本发明另一实施例结构剖面主视图。

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至图3所示，本发明一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，是由球顶筒状的燃烧装置墙体1及其内的空煤气混合装置与直筒状燃烧室内环墙3同心套接而成，燃烧装置内部空间的上部为燃烧室2，依次向下充填有高温助燃蓄热体4与气流调节蓄热体5，气流调节蓄热体5下部为连接热利用设备或装置的燃烧室出口6，在燃烧装置墙体1与燃烧室内环墙3之间形成预混气流烟气预热燃烧环槽10，在燃烧装置墙体1直筒段内设置有空气煤气混合装置，空气煤气混合装置是由煤气进口管7、煤气分配环道7a、煤气出口通道7、气流预混环槽9、预混气流喷出环缝9a、空气进气管8、空气分配环道8a、空气出口通道8及空气喷出口8c构成，燃烧装置墙体1是由金属壳体内设置耐高温陶瓷材料砌筑而成的包含承压承重结构层与保温层的墙体；燃烧室内环墙3是由耐高温陶瓷材料砌筑而成的承压承重墙体结构，墙体内的高温助燃蓄热体4与气流调节蓄热体5均为耐高温、抗热震与防粘附的多孔蜂窝体；空气煤气混合装置的煤气进口管7和空气进口管8分别上下设置在燃烧装置墙体1的外侧，并分别连通与燃烧装置墙体1同轴线的煤气分配环道7a和空气分配环道8a，煤气分配环道7a内侧沿周向均布多个煤气出口通道7b向内连通气流预混环槽9，空气分配环道8a内侧沿周向均布多个空气出口通道8b，空气出口通道转折向上连通相同数量均布的空气喷出口8c，空气喷出口8c向上连通气流预混环槽9的底部，气流预混环槽9收缩向上形成预混气流喷出环缝9a；预混气流烟气预热燃烧环槽10处在燃烧室部位的燃烧装置墙体1与燃烧室内环墙3之间，底部连通预混气流喷出环缝9a，预混气流烟气预热燃烧环槽10内侧下部设置有连通燃烧室的周向均布的多个回流烟气通道10a；燃烧室2竖向侧壁上水平设置有与燃烧室内连通的热气流出口管11，顶部设置有调节气流进口管12。

所述的煤气进口管7和空气进口管8是圆形截面管或矩形截面的金属管道，以水平倾斜的方式分别连通煤气分配环道7a和空气分配环道8a，倾斜的角度为0°～45°。

所述的煤气分配环道7a和空气分配环道8a的横截面为矩形，其横截面形状的改变以及环道的长短，以及是否是一个整环均由燃烧器的具体结构而定。

所述的煤气出口通道7b其横截面为矩形，水平倾斜布置在燃烧装置的墙体内，倾斜角度为0°～45°，水平倾斜连通气流预混环槽9的下部。

所述的空气出口通道8b为矩形截面孔口，转折向上连通相同数量空气喷出口8c，空气喷出口8c是与空气出口通道相同的矩形截面的孔口，为逐渐收缩的锥台状结构，向上连通气流预混环槽9的底部。

所述的气流预混环槽9收缩向上形成横截面为梯形结构的预混气流喷出环缝9a。

所述的燃烧室内环墙3与燃烧装置墙体1间形成预混气流烟气预热燃烧环槽10，预混气流烟气预热燃烧环槽10内侧在燃烧室内环墙3上的有均布的截面为矩形的回流烟气通道10a，预混气流烟气预热燃烧环槽10是上部开口的环槽，回流烟气通道10a是外小内大的变截面的通道，预混气流烟气预热燃烧环槽10的高低与回流烟气通道10a的开设位置均不设限。

所述的高温助燃蓄热体4，其外形与设置的相对高低是变化的，根据需要确定，见图1、图4所示。

图4给出本发明的另一实施例，在整体结构上与图1给出的结构是相同的，没有实质性区别，其区别仅在于高温助燃蓄热体4和气流调节蓄热体5的形状、高度不同，因此不再对图4所示的结构作重复表述。

本发明在具体使用时，代替现有工业炉窑的热利用设备的燃烧装置（设备），工作情况是，煤气通过煤气进口管7倾斜进入煤气分配环道7a，经周向分配进入煤气出口通道7b再流入气流预混环槽9；而助燃空气通过空气进口管8进入空气分配环槽8a，经周向分配后进入空气出口通道8b，经转折向上进入逐渐收缩的空气喷出口8c再以射流形式进入气流预混环槽9底部，在其引射作用下与从煤气出口通道7b出来的煤气在气流预混环槽9快速完成均匀的相互混合，形成的预混气流继续向上经预混气流喷出环缝9a进入预混气流烟气预热燃烧环道10，并与被其从回流烟气通道10a卷吸过来的高温热烟气混合，并被预热着火燃烧而进入燃烧室2，经燃烧室2拱顶折返且快速进入高温助燃蓄热体4及其下的均流调节蓄热体5，最后高温烟气从燃烧室出口6进入热利用设备，对于热风炉高温烟气将继续经过其下的蓄热体而释放热量。这样燃烧装置就能很好地完成以空气为主导的射流高速与快速预混合，预混气再经二次喷射卷吸高温烟气实现预热与快速燃烧，由于高温烟气来至高温助燃蓄热体，燃烧强度大为强化，且形成循环加强的态势，直至一个动态的高温平衡，因而这是一种第二只煤气实现高温燃烧的有效技术手段。这也是本燃烧装置的主要技术特征。

为了强化燃烧过程中蓄热体回流预热燃烧的技术效果，高温助燃蓄热体4的设置因煤气热值而变，注意图1和图4中高温助燃蓄热体4的结构与高度是不一样的，前者适用于煤气热值较低的燃烧，后者适用于煤气热值较高的燃烧。

此外，燃烧室顶部设置的调节气流进口管12，是用于点火、检测与燃烧过程调节。当作为燃烧过程调节时，将一部分煤气直接让其进入高温助燃蓄热体4，实现蓄热体中直接混合燃烧以获得更高的燃烧温度，同时达到对燃烧过程氧浓度的控制，从而降低燃烧过程中氮氧化物的含量。

本发明的燃烧装置，是在实现以助燃空气为主导的射流预混与快速高温预热燃烧和在利用高温助燃蓄热体来实现更加稳定而均匀高温燃烧的基础上，再通过调节气流作用，有效控制燃烧状态与燃烧气流的成分与气流分布，去实现高燃烧温度与高燃烧强度下的控氧与低氮的燃烧，就是其最为显著的技术特征。

将该燃烧装置用于燃气锅炉低氮燃烧的改造中，在提高锅炉热强度和热效率的同时其烟气的氮氧化物浓度减少到30mg/m³以下，当进一步提高锅炉的密封程度以及减少漏风，尤其是在高温区域（有效控氧功能区），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时，能在高强与高温燃烧的状态下，借助于氧浓度易于控制的特点，其烟气中氮氧化物浓度可以达到不被检测出来的状态，几乎为0。

显然，本发明燃烧装置在实现高强高温燃烧与高效传热的同时，做到烟气氮氧化物排放浓度值在30～80mg/m³之间，达到国家超净排放要求，有效实现节能减排与高效环保，其经济与社会效益兼顾。

Claims (7)

1.一种空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，是由球顶筒状的燃烧装置墙体（1）及其内的空煤气混合装置与直筒状燃烧室内环墙（3）同心套接而成，燃烧装置内部空间的上部为燃烧室（2），依次向下充填有高温助燃蓄热体（4）与气流调节蓄热体（5），气流调节蓄热体（5）下部为连接热利用设备或装置的燃烧室出口（6），在燃烧装置墙体（1）与燃烧室内环墙（3）之间形成预混气流烟气预热燃烧环槽（10），在燃烧装置墙体（1）直筒段内设置有空气煤气混合装置，空气煤气混合装置是由煤气进口管（7）、煤气分配环道（7a）、煤气出口通道（7）、气流预混环槽（9）、预混气流喷出环缝（9a）、空气进气管（8）、空气分配环道（8a）、空气出口通道（8）及空气喷出口（8c）构成，其特征在于：燃烧装置墙体（1）是由金属壳体内设置耐高温陶瓷材料砌筑而成的包含承压承重结构层与保温层的墙体；燃烧室内环墙（3）是由耐高温陶瓷材料砌筑而成的承压承重墙体结构，墙体内的高温助燃蓄热体（4）与气流调节蓄热体（5）均为耐高温、抗热震与防粘附的多孔蜂窝体；空气煤气混合装置的煤气进口管（7）和空气进口管（8）分别上下设置在燃烧装置墙体（1）的外侧，并分别连通与燃烧装置墙体（1）同轴线的煤气分配环道（7a）和空气分配环道（8a），煤气分配环道（7a）内侧沿周向均布多个煤气出口通道（7b）向内连通气流预混环槽（9），空气分配环道（8a）内侧沿周向均布多个空气出口通道（8b），空气出口通道转折向上连通相同数量均布的空气喷出口（8c），空气喷出口（8c）向上连通气流预混环槽（9）的底部，气流预混环槽（9）收缩向上形成预混气流喷出环缝（9a）；预混气流烟气预热燃烧环槽（10）处在燃烧室部位的燃烧装置墙体（1）与燃烧室内环墙（3）之间，底部连通预混气流喷出环缝（9a），预混气流烟气预热燃烧环槽（10）内侧下部设置有连通燃烧室的周向均布的多个回流烟气通道（10a）；燃烧室（2）竖向侧壁上水平设置有与燃烧室内连通的热气流出口管（11），顶部设置有调节气流进口管（12）。

2.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的煤气进口管（7）和空气进口管（8）是圆形截面管或矩形截面的金属管道，以水平倾斜的方式分别连通煤气分配环道（7a）和空气分配环道（8a），倾斜的角度为0°～45°。

3.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的煤气分配环道（7a）和空气分配环道（8a）的横截面为矩形。

4.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的煤气出口通道（7b）其横截面为矩形，水平倾斜布置在燃烧装置的墙体内，倾斜角度为0°～45°，水平倾斜连通气流预混环槽（9）的下部。

5.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的空气出口通道（8b）为矩形截面孔口，转折向上连通相同数量空气喷出口（8c），空气喷出口（8c）是与空气出口通道相同的矩形截面的孔口，为逐渐收缩的锥台状结构，向上连通气流预混环槽（9）的底部。

6.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的气流预混环槽（9）收缩向上形成横截面为梯形结构的预混气流喷出环缝（9a）。

7.根据权利要求1所述的空气引射煤气预混卷吸烟气预热蓄热体燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧室内环墙（3）与燃烧装置墙体（1）间形成预混气流烟气预热燃烧环槽（10），预混气流烟气预热燃烧环槽（10）内侧在燃烧室内环墙（3）上的有均布的截面为矩形的回流烟气通道（10a），预混气流烟气预热燃烧环槽（10）是上部开口的环槽，回流烟气通道（10a）是外小内大的变截面的通道。

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