CN113154381B - 一种低蓄热式低氮直焰烧嘴 - Google Patents

Abstract

一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，包括第一烧嘴、第二烧嘴和炉膛，所述第一烧嘴和第二烧嘴上部布置有烟气蓄热室和空气蓄热室，下部布置有分级燃烧喷射部和燃烧室，所述分级燃烧喷射部包括多级管道，其截面自芯部向外，依次为高压燃气管道、高压烟气管道、第一低压燃气管道和支路风管，所述燃烧室与分级燃烧喷射部前部接触位置设有环状的高压空气管道，所述高压空气管道与空气蓄热室相连；所述燃烧压缩口与炉膛接触位置设有凹型的炉膛烟气回流区，所述炉膛烟气回流区侧壁上引出有中压燃气管道。本烧嘴，燃烧火力分级、分层、分压力燃烧，有效抑制集中加热而造成的火焰局部高温，并在燃烧源头解决了低氮燃烧。

Description

一种低蓄热式低氮直焰烧嘴

技术领域

本发明涉及工业用加热炉烧嘴技术领域，具体涉及一种低蓄热式低氮直焰烧嘴。

背景技术

我国工业炉是耗能大户也是空气污染大户，约占全国总能耗的25％，加热炉的能耗占工业炉总能耗的90％以上，可见加热炉在我国制造领域中占据着举足轻重的地位。我国的工业炉能源利用率较低，其热效率平均约为25％，其中锻造加热炉为5％～20％，热处理炉为8％～25％，连续加热炉的热效率稍高一些，也只有30％～40％。而世界上发达国家燃料炉的热效率平均为50％左右。我国工业炉节能、减排还存在很大潜力，而燃烧控制系统尤其是烧嘴系统更是加热炉的核心问题。

目前国内使用的蓄热式天然气烧嘴普遍为助燃空气单蓄热式节能烧嘴。蓄热式天然气烧嘴按节能和减排可分为单蓄热式节能烧嘴、双蓄热式节能烧嘴、单蓄热式节能低氮烧嘴、双蓄热式节能低氮烧嘴。

蓄热式天然气烧嘴采用的是蓄热式燃烧节能技术、低氮燃烧减排技术的有机结合体。主要由高温蓄热室、浓淡分层多喷火口结构、以及燃料、供风和排烟系统及自动控制系统构成。由于单蓄热式节能烧嘴仅对助燃空气进行预蓄热节能燃烧，未采用低氮减排燃烧、天然气预蓄热节能燃烧，造成了占较大比例的高温烟气的显热得不到有效回收利用，NOx排放较高；在热工自动控制技术方面，普遍存在火力调节单一，只能靠燃气的通断来实现保温阶段的温度调节，由于火力较大又不能调节火力变小，造成燃气的较大浪费。加热炉尤其是间歇式加热炉在停炉时，空气通过助燃空气鼓风机管道进入高温炉膛，然后通过排烟引风机管道排出，这样通过空气载体把一部分高温炉膛的显热带出炉外进入大气，造成大量的物理热损失。

发明内容

本发明是针对上述现有技术中的不足，提供一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，燃烧火力分级、分层、分压力燃烧，有效抑制集中加热而造成的火焰局部高温，并在燃烧源头解决了低氮燃烧。

本发明的技术方案如下：

一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，包括第一烧嘴、第二烧嘴和炉膛，所述第一烧嘴和第二烧嘴分别位于炉膛两侧，每个烧嘴内包括有双蓄热室、分级燃烧喷射部和燃烧室。两个烧嘴交替变换燃烧和排烟。

其中，双蓄热室分为空气蓄热室和烟气蓄热室，均位于烧嘴箱体内部，烧嘴箱体分别成对布置于炉膛A区和炉膛B区，且分别与炉膛A区和炉膛B区相连通。空气蓄热室布置于靠近炉膛侧，烟气蓄热室布置于空气蓄热室的后侧，起到给箱体保温隔热的作用。

在空气蓄热室和烟气蓄热室内设置有蓄热体，蓄热体底部设置有蓄热体挡板砖。

进一步的，所述分级燃烧喷射部包括多级管道，其截面自芯部向外，依次为高压燃气管道、高压烟气管道、第一低压燃气管道和支路风管，所述高压烟气管道与烟气蓄热室相连，所述支路风管与空气蓄热室连接。

进一步的，所述支路风管和第一低压燃气管道之间布置有点火枪管道，所述点火枪管道内通有第二低压燃气管道。

进一步的，所述燃烧室位于分级燃烧喷射部前部，与炉膛之间通过燃烧压缩口连通，所述燃烧压缩口直径不大于燃烧室最小截面，所述燃烧室与分级燃烧喷射部前部接触位置设有环状的高压空气管道，所述高压空气管道与空气蓄热室相连。

进一步的，所述燃烧室为圆心朝内的弧形结构，靠近分级燃烧喷射部一侧截面尺寸大于靠近燃烧压缩口一侧截面尺寸。且所述高压燃气管道轴线与燃烧压缩口轴线对齐。

进一步的，所述燃烧压缩口与炉膛接触位置设有凹型的炉膛烟气回流区，所述炉膛烟气回流区底面直径大于燃烧压缩口直径。当高压火焰冲入炉膛内燃烧时，炉膛内空气及烟气冲撞到炉膛烟气回流区后，会反弹加入到燃烧的火焰中，降低火焰燃烧温度。

进一步的，所述炉膛烟气回流区侧壁上引出有中压燃气管道，向炉膛内补入燃气，让燃烧室内的火焰冲入炉膛内之后能够继续燃烧。

进一步的，所述高压燃气管道、中压燃气管道和低压燃气管道均与燃气主管道连通，并分别通过减压阀控制管道压力。

一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：点火枪管道内供风和通入低压燃气，将所述第一烧嘴的点火烧嘴点燃形成火焰；

步骤二：第一低压燃气管道内通入低压燃气，同时，支路风管开始供风，两者在燃烧室内混合燃烧形成第一级燃烧区；

步骤三：中压燃气管道内通入中压燃气，中压燃气进入炉膛内参与燃烧形成第三级燃烧区；

步骤四：高压燃气管道内通入高压燃气，高压烟气管道内通入高压烟气，共同进入燃烧室内，燃烧室内的火焰在超高压的作用下，经过燃烧压缩口提高火焰压力后，进入炉膛内，并与第二烧嘴炉膛烟气回流区反弹的烟气混合，使火焰最终到达尾程火焰燃烧区；

步骤五：高压空气管道内通入高压空气，高压空气沿燃烧室内壁进入，将步骤四中形成的高压火焰包裹在内，形成包裹层，并在第一级燃烧区的前部形成第二级燃烧区。

步骤六：第一烧嘴工作完后，与第二烧嘴交换供风及排烟，然后一直交替工作。

进一步的，步骤一中低压燃气压力范围在8-10KPa之间，供风压力范围在10-12KPa。

进一步的，步骤二中低压燃气压力范围在8-10KPa之间，供风压力范围在4-5KPa。

进一步的，步骤三中，中压燃气压力范围在12-15KPa之间。

进一步的，步骤四中，高压燃气压力范围在18-22KPa之间。

本发明相对于现有技术所取得的有益效果在于：

1、本发明低蓄热式低氮直焰烧嘴，燃烧火力分级、分层、分压力燃烧，有效抑制集中加热而造成的火焰局部高温；可让烧嘴的燃烧温度分层释放，进一步避免火焰局部高温。

2、本发明低蓄热式低氮直焰烧嘴，一个烧嘴中的烟气可进入另一个烧嘴的烟气蓄热室，与高压燃气混合燃烧，该气体氧含量降低，火焰燃烧温度有所降低，更进一步的避免火焰局部高温。大大抑制了热力型NOx的产生，在燃烧源头解决了低氮燃烧。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

在附图中：

图1为本实施例中第一烧嘴工作时的整体结构示意图；

图2为本实施例中第二烧嘴工作时的整体结构示意图；

图3为分级燃烧喷射部截面各级管道布置图；

图4为分级燃烧喷射部的断面图；

图中各附图标记所代表的组件为：

1、第一烧嘴，101、烟气蓄热室，102、空气蓄热室，103、蓄热体，104、挡火砖，2、第二烧嘴，3、炉膛，4、高压燃气管道，5、高压烟气管道，6、点火枪管路，601、第二低压燃气管道，7、第一低压燃气管道，8、支路风管，9、高压空气管道，10、中压燃气管道，11、初级燃烧区，111、第一级燃烧区，112、第二级燃烧区，12、燃烧压缩区，13、主要燃烧区，131、第三级燃烧区，132、第四级燃烧区，14、尾程燃烧区，15、炉膛烟气回流区，16、燃气主管道。

具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。

本发明中提及的方位“前后”、“左右”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。

实施例

参见图1，本实施例中低蓄热式低氮直焰烧嘴，包括第一烧嘴1、第二烧嘴2和炉膛3，所述第一烧嘴1和第二烧嘴2分别位于炉膛3两侧，每个烧嘴内包括有双蓄热室、分级燃烧喷射部和燃烧室。两个烧嘴交替变换燃烧和排烟。

其中，双蓄热室分为空气蓄热室102和烟气蓄热室101，均位于烧嘴箱体内部，烧嘴箱体分别成对布置于炉膛3A区和炉膛3B区，且分别与炉膛3A区和炉膛3B区相连通。空气蓄热室102布置于靠近炉膛3侧，烟气蓄热室101布置于空气蓄热室102的后侧，起到给箱体保温隔热的作用。

在空气蓄热室102和烟气蓄热室101内设置有蓄热体103，所述蓄热体103底部设置有蓄热体挡板砖104。

下面结合图3和图4，所述分级燃烧喷射部包括多级管道，其截面自芯部向外，依次为高压燃气管道4、高压烟气管道5、第一低压燃气管道7和支路风管8，所述高压燃气管道4、高压烟气管道5、第一低压燃气管道7和支路风管8全部以高压燃气管道4轴线为中心排布。所述高压烟气管道5与烟气蓄热室101相连，所述支路风管8与空气蓄热室102连接。所述第一低压燃气管道7和支路风管8均包括多个环形均布排列的管路。

进一步的，所述支路风管8和第一低压燃气管道7之间布置有点火枪管道6，所述点火枪管道6内通有第二低压燃气管道601。

进一步的，所述燃烧室位于分级燃烧喷射部前部，与炉膛3之间通过燃烧压缩口连通，所述燃烧压缩口直径不大于燃烧室最小截面，当火焰从燃烧室通过燃烧压缩口进入炉膛内时，由于燃烧压缩口直径较小，会对通过的火焰进行压缩，有助于提高通过该区域的火焰的压力和穿透力。

进一步的，所述燃烧室与分级燃烧喷射部前部接触位置设有环状的高压空气管道9，所述高压空气管道9与空气蓄热室102相连。

进一步的，所述燃烧室为圆心朝内的弧形结构，靠近分级燃烧喷射部一侧截面尺寸大于靠近燃烧压缩口一侧截面尺寸。且所述高压燃气管道4轴线与燃烧压缩口轴线对齐。

进一步的，所述燃烧压缩口与炉膛3接触位置设有凹型的炉膛烟气回流区15，所述炉膛烟气回流区15底面直径大于燃烧压缩口直径。当高压火焰冲入炉膛3内燃烧时，炉膛3内空气及烟气冲撞到炉膛烟气回流区15后，会反弹加入到燃烧的火焰中，降低火焰燃烧温度。

进一步的，所述炉膛烟气回流区15侧壁上引出有中压燃气管道10，用于向炉膛3内补入燃气，让燃烧室内的火焰冲入炉膛3内之后能够继续燃烧。

进一步的，所述高压燃气管道4、中压燃气管道10和低压燃气管道均与燃气主管道16连通，并分别通过减压阀控制管道压力。

本实施例中低蓄热式低氮直焰烧嘴使用时，分别在燃烧室和炉膛内形成三个燃烧区，包括燃烧室内的初级燃烧区11，炉膛靠近第一烧嘴1位置的主要燃烧区13和靠近第二烧嘴2位置的尾程燃烧区14。具体的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：第一烧嘴1的带有火焰检测的点火烧嘴通入第二低压燃气601(此时燃气压力通过减压阀，将燃气压力调整到8-10KPa)，同时高压旋涡气泵(压力10KPa-12KPa)供风参与混合燃烧。此时第一烧嘴1的点火烧嘴被点燃形成火焰。

步骤二：随后第一烧嘴1第一低压燃气管道7(燃气压力调整到8-10KPa)通入，同时与进入封头的各支路风管8的供风混合燃烧(此时风压力4-5KPa)，形成第一级燃烧区111。

步骤三：中压燃气管道10内通入中压燃气(燃气压力调整到12-15KPa)，中压燃气进入炉膛3内参与燃烧形成第三级燃烧区131。

步骤四：高压燃气管道4内通入高压燃气(燃气压力调整到20KPa)，高压烟气管道5内通入来自烟气蓄热室33的高压烟气，共同进入燃烧室内，高压烟气包裹着高压燃气，减少高压燃气在经过燃烧室和燃烧压缩口时渗透到外部参与燃烧。

燃烧室内的混合火焰在超高压的作用下，经过燃烧压缩口提高火焰压力后，进入炉膛3内，高压烟气一直包裹着高压燃气，直至高压燃气穿过第三燃烧区131进入到炉膛3中间位置的第四燃烧区，高压烟气逐渐消解完全，使高压燃气完全暴露出来，与火焰、空气充分接触燃烧。

受高压火焰冲击的影响，炉膛内的烟气、空气向前冲击到第二烧嘴2炉膛烟气回流区15后反弹，并与第四燃烧区的火焰混合，进一步降低火焰燃烧温度，避免火焰局部高温，并在第四燃烧区的前面形成尾程火焰燃烧区14。

由于大部分高压燃气在高压烟气的包裹下穿过燃烧室位置的初级燃烧区，燃烧压缩口位置的燃烧压缩区12，直到到达炉膛内部的主要燃烧区13才开始参与燃烧，大大抑制了热力型NOx的产生，在燃烧源头解决了低氮燃烧。

步骤五：高压空气管道9内通入高压空气，高压空气沿燃烧室内壁进入，在助燃空气压差的作用下将步骤四中形成的高压火焰包裹在内，形成包裹层，并在第一级燃烧区的前部形成第二级燃烧区。这样第一烧嘴内部燃烧混合区域温度降低，低氮效果显著。

步骤六：第一烧嘴1工作完后，与第二烧嘴2交换供风及排烟，然后一直交替工作，参见图2所示。如此周而复始，热回收效率可达到85％以上，这样不仅可以节约大量能源，还可以大大提高燃料的理论燃烧温度，减少热损率，提高产量。

本实施例中低蓄热式低氮直焰烧嘴使用时，低压燃气管道、中压燃气管道、高压燃气管道逐级打开，压差控制明显，火焰温度依次释放，层流效果显著。而且，通过第二烧嘴导入的高压烟气保护高压燃气，通过高压空气包裹高压火焰，使气体中氧含量降低，火焰燃烧温度也有所降低，更进一步的避免火焰局部高温。大大抑制了热力型NOx的产生，在燃烧源头解决了低氮燃烧。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，其特征在于，包括第一烧嘴（1）、第二烧嘴（2）和炉膛（3），所述第一烧嘴（1）和第二烧嘴（2）分别位于炉膛（3）两侧，所述第一烧嘴（1）和第二烧嘴（2）上部布置有烟气蓄热室（101）和空气蓄热室（102），下部布置有分级燃烧喷射部和燃烧室，所述第一烧嘴（1）和第二烧嘴（2）交替变换燃烧和排烟；

所述分级燃烧喷射部包括多级管道，其截面自芯部向外，依次为高压燃气管道（4）、高压烟气管道（5）、第一低压燃气管道（7）和支路风管（8），所述高压烟气管道（5）与烟气蓄热室（101）相连，所述支路风管（8）与空气蓄热室（102）连接；

所述燃烧室位于分级燃烧喷射部前部，与炉膛（3）之间通过燃烧压缩口连通，所述燃烧压缩口直径不大于燃烧室最小截面，所述燃烧室与分级燃烧喷射部前部接触位置设有环状的高压空气管道（9），所述高压空气管道（9）与空气蓄热室（102）相连；

所述燃烧压缩口与炉膛（3）接触位置设有凹型的炉膛烟气回流区（15），所述炉膛烟气回流区（15）底面直径大于燃烧压缩口直径；

所述炉膛烟气回流区（15）侧壁上引出有中压燃气管道（10）；

所述高压燃气管道、中压燃气管道和第一低压燃气管道（7）均与燃气主管道（16）连通，并分别通过减压阀控制管道压力。

2.根据权利要求1所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，其特征在于，所述支路风管（8）和第一低压燃气管道（7）之间布置有点火枪管道（6），所述点火枪管道（6）内通有第二低压燃气管道。

3.根据权利要求2所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，其特征在于，所述烟气蓄热室（101）位于空气蓄热室（102）后部，远离炉膛（3）方向布置。

4.根据权利要求2所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，其特征在于，所述燃烧室为圆心朝内的弧形结构，靠近分级燃烧喷射部一侧截面尺寸大于靠近燃烧压缩口一侧截面尺寸。

5.根据权利要求2所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴，其特征在于，所述高压燃气管道（4）轴线与燃烧压缩口轴线对齐。

6.权利要求2-5任一项所述一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：点火枪管道（6）内供风和通入低压燃气，将所述第一烧嘴（1）的点火烧嘴点燃形成火焰；

步骤二：第一低压燃气管道（7）内通入低压燃气，同时，支路风管（8）开始供风，两者在燃烧室内混合燃烧形成第一级燃烧区（111）；

步骤三：中压燃气管道（10）内通入中压燃气，中压燃气进入炉膛内参与燃烧形成第三级燃烧区；

步骤四：高压燃气管道（4）内通入高压燃气，高压烟气管道（5）内通入高压烟气，共同进入燃烧室内，燃烧室内的火焰在超高压的作用下，经过燃烧压缩口提高火焰压力后，进入炉膛（3）内，并与第二烧嘴（2）炉膛烟气回流区（15）反弹的烟气混合，使火焰最终到达尾程火焰燃烧区（14）；

步骤五：高压空气管道（9）内通入高压空气，高压空气沿燃烧室内壁进入，将步骤四中形成的高压火焰包裹在内，形成包裹层，并在第一级燃烧区（111）的前部形成第二级燃烧区（112）。

7.根据权利要求6所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，其特征在于，步骤一中低压燃气压力范围在8-10KPa之间，供风压力范围在10-12KPa。

8.根据权利要求6所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，其特征在于，步骤二中低压燃气压力范围在8-10KPa之间，供风压力范围在4-5KPa。

9.根据权利要求6所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，其特征在于，步骤三中，中压燃气压力范围在12-15KPa之间。

10.根据权利要求6所述的一种低蓄热式低氮直焰烧嘴的使用方法，其特征在于，步骤四中，高压燃气压力范围在18-22KPa之间。

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