CN113739145A - 一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,燃烧室墙体为半球壁与圆筒壁组成的钟罩结构,圆筒壁内上下分别设置煤气分配环道和空气分配环道,煤气进口管和空气进口管分别从圆筒壁外侧接入连通对应的煤气分配环道和空气分配环道,燃烧器墙体内部构成燃烧室,煤气分配环道内设置环形的煤气分配环道隔板,将煤气分配环道分隔为上部连通的两个环道,空气分配环道内设置环形的空气分配环道隔板,将空气分配环道分隔为下部连通的两个环道,煤气分配环道隔板与空气分配环道隔板上下连接成一体,构成一体的环形隔板,在其中部向着燃烧室空间沿周向设置环形栅缝气流分配体,高效、节能、低氮、环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型燃烧装置,特别适合于低热值煤气充分混合燃烧而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上使用的一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器。
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,为其提供热能的燃烧装置(燃烧器)决定了工业炉窑是否能实现高效、节能、环保与低排放的优化性能。对于高效低排放的燃烧装置,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,这也是燃烧装置重要的技术研究方向。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。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更高的技术要求。
纵观目前各种工业炉窑使用的各种气体燃烧器,在使用中明显存在诸多技术问题,如,因倾向于燃气与空气之间的边混合边燃烧的扩散燃烧结构(方式)或先部分预混的半预混燃烧结构(方式),从而造成燃气与空气不能充分、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,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,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,存在局部的高温与充裕的氧浓度,使预混燃烧常常不能实现充分均匀的预混合,更不能达到分子级别的相互预混合,这势必造成高温烟气中仍然有空气、煤气之间的继续混合与燃烧,为高温烟气下充足的氧气与氮气结合生成氮氧化物的机会。从上分析不难看出,实现充分均匀预的空气煤气预混合与有效控制氧浓度在低氮燃烧器的结构设计是至关重要。为此,提出一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,利用能将空气煤气的气流形成细密的相间排列气流流股的栅栏缝隙装置,实现空气煤气气流流出后能实现快速且充分均匀的预混合,再被高温烟气预热后完成快速彻底的预混燃烧,致使产生的高温烟气中没有足够的氧浓度,以避免烟气中的氮气与之发生氧化反应而生成氮氧化物,在可控氧浓度下的高燃烧强度、高燃烧温度、高燃烧效率、以及低氮氧化物含量的预混燃烧,使气体燃料燃烧后不再需要设置烟气脱氮(硝)装置,实现低氮无污染排放的问题,但至今未见有公开报导。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,包括燃烧器墙体、燃烧室、预混环道墙体、空气煤气预混环道、煤气进口管、空气进口管、煤气分配环道、空气分配环道、燃烧气流出口通道及燃烧气流调节管,燃烧室墙体为半球壁与圆筒壁组成的钟罩结构,圆筒壁内上下分别设置煤气分配环道和空气分配环道,煤气进口管和空气进口管分别从圆筒壁外侧接入连通对应的煤气分配环道和空气分配环道,燃烧器墙体内部构成燃烧室,所述煤气分配环道内设置环形的煤气分配环道隔板,将煤气分配环道分隔为上部连通的两个环道,空气分配环道内设置环形的空气分配环道隔板,将空气分配环道分隔为下部连通的两个环道,煤气分配环道隔板与空气分配环道隔板上下连接成一体,构成一体的环形隔板,在其中部向着燃烧室空间沿周向设置环形栅缝气流分配体,环形栅缝气流分配体结构为两个圆环之间用相间开均布向心隔板支撑形成环体的缝隙通道,即相间布置的栅缝体煤气通道和栅缝体空气通道,环体外侧上下两面对应着栅缝体煤气通道和栅缝体空气通道开设与之相通的栅缝体煤气进口孔和栅缝体空气进口孔,在燃烧室圆筒墙体内延伸出一个向上的预混环道墙体,使之与燃烧室墙体间形成空气煤气预混环道,环形栅缝气流分配体水平径向与之连通,在预混环道墙体内形成与燃烧室连通的燃烧气流出口通道,在燃烧室墙体顶部中心设置垂直连通燃烧室的燃烧气流调节管。
本发明的燃烧器独特结构体现在,其一是,环道旋流气流在环形隔板的作用下转折向上或向下倍增旋流强度而实现周向气流均匀分布;其二是,通过环形栅缝气流分配体,将空气煤气的气流形成相间排列,以利于相互实现充分均匀混合的细小气流流股,使之在进入燃烧室前经空气煤气预混环道而快速完成均匀的气流预混和,并在燃烧器球顶与预混环道墙体导流下完成充分且快速的预混燃烧。采用本发明燃烧器代替原工业炉窑的各种气体燃料燃烧装置,既能实现煤气与空气间的快速充分均匀,又能借助于助燃陶瓷多孔蓄热体完成高强度与高流速的预混燃烧,进而实现对工业炉窑的高效、节能、低氮、环保之技术要求,经济和社会效益显著。
附图说明
图1为本发明燃烧器的剖切主视图;
图2为本发明燃烧器的剖切俯视图;
图3为本发明图1沿A向的周向视图;
图4为本发明图1沿B向的周向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对发明燃烧器的具体结构形式与实施方式作详细具体说明。
由图1-4所示,本发明为一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,包括燃烧器墙体1、燃烧室2、预混环道墙体3、空气煤气预混环道4、煤气进口管6、空气进口管7、煤气分配环道6-1、空气分配环道7-1、燃烧气流出口通道8及燃烧气流调节管9,燃烧室墙体1为半球壁与圆筒壁组成的钟罩结构,圆筒壁内上下分别设置煤气分配环道6-1和空气分配环道7-1,煤气进口管6和空气进口管7分别从圆筒壁外侧接入连通对应的煤气分配环道6-1和空气分配环道7-1,燃烧器墙体1内部构成燃烧室2,所述煤气分配环道6-1内设置环形的煤气分配环道隔板6-2,将煤气分配环道6-1分隔为上部连通的两个环道,空气分配环道7-1内设置环形的空气分配环道隔板7-2,将空气分配环道分隔为下部连通的两个环道,煤气分配环道隔板6-2与空气分配环道隔板7-2上下连接成一体,构成一体的环形隔板,在其中部向着燃烧室2空间沿周向设置环形栅缝气流分配体5,环形栅缝气流分配体5结构为两个圆环之间用相间开均布向心隔板支撑形成环体的缝隙通道,即相间布置的栅缝体煤气通道5-3和栅缝体空气通道5-4,环体外侧上下两面对应着栅缝体煤气通道5-3和栅缝体空气通道5-4开设与之相通的栅缝体煤气进口孔5-1和栅缝体空气进口孔5-2,在燃烧室2圆筒墙体内延伸出一个向上的预混环道墙体3,使之与燃烧室墙体间形成空气煤气预混环道4,环形栅缝气流分配体5水平径向与之连通,在预混环道墙体3内形成与燃烧室2连通的燃烧气流出口通道8,在燃烧室墙体1顶部中心设置垂直连通燃烧室2的燃烧气流调节管9。
所述的燃烧器墙体1由耐热金属外壳内砌筑隔热保温材料构成,其内的煤气分配环道6-1、煤气分配环道隔板6-2、空气分配环道7-1、空气分配环道隔板7-2均由耐热金属板焊接而组成的整体结构。
所述的环形栅缝气流分配体5为两个圆环之间用大量均布向心隔板支撑形成一定厚度的环体并产生很多缝隙通道的整体结构或分块结构,是正对着燃烧室2的水平径向垂直布置,或是水平倾斜向布置,由耐压强度高、耐高温且抗热震的陶瓷材料加工组合而成。
所述的煤气进口管6和空气进口管7为耐热金属材料制成的圆形管道,均为多个均布于燃烧室墙体1的外侧,并分别水平垂直或水平倾斜地连通煤气分配环道6-1和空气分配环道7-1。
所述的预混环道墙体3是由耐高温且抗热震的耐火材料砌筑成或浇注成的锥筒状结构,其上部外侧与燃烧室墙体1间形成空气煤气预混环道4,其内侧形成逐渐向下扩大状的燃烧气流出口通道8。
所述的燃烧气流调节管9设置在燃烧室墙体1半球壁的顶部中心,燃烧气流调节管内向上形成逐渐收缩状垂直连通燃烧室2,其构成材质与燃烧器墙体1相同。
具体实施时,将本发明一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器安装在工业炉窑的相应位置;在使用中,煤气通过水平倾斜的煤气进口管6进入煤气分配通道6-1外侧,形成旋流向上流动气流,并通过煤气分配环道隔板6-2顶部与煤气分配环道6-1顶部间的环缝转折向下在煤气分配环道6-1内侧形成向下的均匀的旋转气流,再经过栅缝体煤气进口孔5-1(在煤气分配环道6-1内侧的底部)进入栅缝体煤气通道5-3;同样,空气通过水平倾斜的空气进口管7进入空气分配通道7-1外侧,形成旋流向下流动气流,并通过空气分配环道隔板7-2底部与空气分配环道7-1底部间的环缝转折向上在空气分配环道7-1内侧形成向上的均匀的旋转气流,再经过栅缝体空气进口孔5-2(在空气分配环道7-1内侧的顶部)进入栅缝体空气通道5-4;至此,进入栅缝体煤气通道5-3的周向均匀的煤气气流与进入栅缝体空气通道5-4的周向均匀的空气气流,在栅缝气流分配体5中形成水平相间排列的周向均布的高速细流股气流;随后各自流出栅缝气流分配体5而进入空气煤气预混环道4,在此空气与煤气高速细流股相互接触并快速预混合而形成充分预混的空气煤气预混气流(其预混合程度取决于进入栅缝体前的周向气流的均匀程度,以及栅缝体空气煤气通道的分隔的细小程度);之后向上被燃烧室2回流烟气预热着火燃烧,继续向上再折返向下形成回流预热烟气和继续向下进入燃烧气流出口通道流出的高温烟气;就此,空气煤气在燃烧器中完成充分均匀预混燃烧的燃烧过程。
显见,该燃烧器是一种利用旋流气流折返增强旋流强度实现气流周向均布的气流分配环道与栅缝气流分配环形体的优化组合,实现空气与煤气充分均匀预混的高效低氮燃烧,且借助于燃烧室半球顶与预混环道墙体结合产生涡旋气流而发挥其高速助燃与稳焰功能,实现高速与高强度的预混燃烧。特别要指出的是,利用能将空气煤气的气流形成细密的相间排列的气流流股的栅栏缝隙装置,实现空气煤气气流流出后能实现快速且充分均匀的预混合,再被高温烟气预热后完成快速彻底的预混燃烧,致使产生的高温烟气中没有足够的氧浓度,以避免烟气中的氮气与之发生氧化反应而生成氮氧化物,在可控氧浓度下的高燃烧强度、高燃烧温度、高燃烧效率、以及低氮氧化物含量的预混燃烧,使气体燃料燃烧后不再需要设置烟气脱氮(硝)装置,实现低氮无污染排放的问题。经实验和实际应用证明,效果非常好,能够实现充分均匀预混的高效高强度的预混燃烧装置,能在提高燃烧温度的同时减小烟气排放量,使热利用系统的热效率得到提高,提高5-10%;由于燃烧过程的改善,有效提升了热设备的性能,继而有效增加设备产能与提高设备的利用率;同时因燃烧器能实现充分均匀的预混燃烧而减少了过量空气系数,其烟气中氮氧化物(NOx)生成量极大地减少,其烟气中排放量能下降到30mg/m3以下,达到了超低排放的要求。显见,该发明提出的燃烧器结构是一种真正意义上的高效、节能且低污染的燃烧装置,其经济和社会效益巨大。
Claims (6)
1.一种空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,包括燃烧器墙体(1)、燃烧室(2)、预混环道墙体(3)、空气煤气预混环道(4)、煤气进口管(6)、空气进口管(7)、煤气分配环道(6-1)、空气分配环道(7-1)、燃烧气流出口通道(8)及燃烧气流调节管(9),燃烧室墙体(1)为半球壁与圆筒壁组成的钟罩结构,圆筒壁内上下分别设置煤气分配环道(6-1)和空气分配环道(7-1),煤气进口管(6)和空气进口管(7)分别从圆筒壁外侧接入连通对应的煤气分配环道(6-1)和空气分配环道(7-1),燃烧器墙体(1)内部构成燃烧室(2),其特征在于,所述煤气分配环道(6-1)内设置环形的煤气分配环道隔板(6-2),将煤气分配环道(6-1)分隔为上部连通的两个环道,空气分配环道(7-1)内设置环形的空气分配环道隔板(7-2),将空气分配环道分隔为下部连通的两个环道,煤气分配环道隔板(6-2)与空气分配环道隔板(7-2)上下连接成一体,构成一体的环形隔板,在其中部向着燃烧室(2)空间沿周向设置环形栅缝气流分配体(5),环形栅缝气流分配体(5)结构为两个圆环之间用相间开均布向心隔板支撑形成环体的缝隙通道,即相间布置的栅缝体煤气通道(5-3)和栅缝体空气通道(5-4),环体外侧上下两面对应着栅缝体煤气通道(5-3)和栅缝体空气通道(5-4)开设与之相通的栅缝体煤气进口孔(5-1)和栅缝体空气进口孔(5-2),在燃烧室(2)圆筒墙体内延伸出一个向上的预混环道墙体(3),使之与燃烧室墙体间形成空气煤气预混环道(4),环形栅缝气流分配体(5)水平径向与之连通,在预混环道墙体(3)内形成与燃烧室(2)连通的燃烧气流出口通道(8),在燃烧室墙体(1)顶部中心设置垂直连通燃烧室(2)的燃烧气流调节管(9)。
2.根据权利要求1所述的空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,其特征在于,所述的燃烧器墙体(1)由耐热金属外壳内砌筑隔热保温材料构成,其内的煤气分配环道(6-1)、煤气分配环道隔板(6-2)、空气分配环道(7-1)、空气分配环道隔板(7-2)均由耐热金属板焊接而组成的整体结构。
3.根据权利要求1所述的空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,其特征在于,所述的环形栅缝气流分配体(5)为两个圆环之间用大量均布向心隔板支撑形成一定厚度的环体并产生很多缝隙通道的整体结构或分块结构,是正对着燃烧室(2)的水平径向垂直布置,或是水平倾斜向布置,由耐压强度高、耐高温且抗热震的陶瓷材料加工组合而成。
4.根据权利要求1所述的空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,其特征在于,所述的煤气进口管(6)和空气进口管(7)为耐热金属材料制成的圆形管道,均为多个均布于燃烧室墙体1的外侧,并分别水平垂直或水平倾斜地连通煤气分配环道(6-1)和空气分配环道(7-1)。
5.根据权利要求1所述的空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,其特征在于,所述的预混环道墙体(3)是由耐高温且抗热震的耐火材料砌筑成或浇注成的锥筒状结构,其上部外侧与燃烧室墙体(1)间形成空气煤气预混环道(4),其内侧形成逐渐向下扩大状的燃烧气流出口通道(8)。
6.根据权利要求1所述的空气煤气经栅缝通道充分均混的高效低氮燃烧器,其特征在于,所述的燃烧气流调节管(9)设置在燃烧室墙体(1)半球壁的顶部中心,燃烧气流调节管内向上形成逐渐收缩状垂直连通燃烧室(2),其构成材质与燃烧器墙体(1)相同。
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