CN114963175A - 一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其包括空气箱，空气箱内设置有空气管路，且空气管路上设置有若干通孔，空气管路内设置有中心燃气枪和点火枪，中心燃气枪和点火枪的前端均穿设在稳焰装置上，稳焰装置设置在空气管路的端口处，空气管路的端口设置在空气箱的端口处，空气箱的端口处设置有助燃箱，助燃箱内部设置有与空气箱端口连接的矩形喷腔，矩形喷腔内对称设置有两个使矩形喷腔端口逐渐收缩的倾斜面，助燃箱上设置有若干燃气管路，每根燃气管路上均设置有第一喷口和第二喷口，若干第一喷口设置在靠近空气箱这一端的矩形喷腔内，若干第二喷口设置在矩形喷腔端口的四周；本方案的燃烧器传热效率高、氮氧化物排放低。

Description

一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器及其燃烧方法
技术领域
本发明涉及燃烧器技术领域，具体涉及一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器及其燃烧方法。
背景技术
在钢铁冶炼工艺过程中，热轧工艺是整个流程中耗能较大的环节，根据钢坯种类的不同，需要将钢坯加热到1100～1300℃，再进入轧制工序，而加热过程一般在加热炉里进行，利用燃烧器将燃料燃烧产生火焰，火焰通过热辐射的方式给钢坯加热。
目前，国内冶金行业热轧加热炉主要采用通用的工业燃烧器，其特点是结构简单，成本低，可以用于绝大多数工业加热工艺，这种常规燃烧器一般为圆形结构，火焰形状为柱状，是一种较为容易实现的燃烧方式，对于冶金热轧加热炉来说，一般生产各种型号的板材，多为加热平板式形状的钢坯，柱状火焰形状加热平板形状的钢坯，且仅靠热辐射传热形式，以至于目前冶金行业加热炉热效率较低，一般在50％左右，绝大多数热量随着高温烟气排放到炉外环境中。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器及其燃烧方法，解决了冶金常规步进加热炉工艺存在的能耗高、氮氧化物排放高的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其包括空气箱，空气箱内设置有空气管路，且空气管路上设置有若干用于与空气箱内部连通的通孔，空气管路内设置有中心燃气枪和点火枪，中心燃气枪和点火枪的前端均穿设在稳焰装置上，稳焰装置设置在空气管路的端口处，空气管路的端口设置在空气箱的端口处，空气箱的端口处设置有助燃箱，助燃箱内部设置有与空气箱端口连接的矩形喷腔，矩形喷腔内对称设置有两个使矩形喷腔端口逐渐收缩的倾斜面，助燃箱上设置有若干燃气管路，每根燃气管路上均设置有第一喷口和第二喷口，若干第一喷口设置在靠近空气箱一端的矩形喷腔内，若干第二喷口设置在矩形喷腔端口的四周。
采用上述技术方案的有益效果为：本方案的燃烧器可在空气管路的端口处形成稳定的初火，并在第一喷口处形成空气过量的一次燃烧，在第二喷口处形成燃气过量的二次燃烧，抑制氮氧化物的生成；同时通过矩形喷腔内倾斜面的作用，使得高温烟气收缩并高速喷出，这样设置加强了加热炉炉内的掺混和扰动，强化对流传热速率，进而提高炉内的加热效率，降低燃料气的消耗。
进一步地，若干第一喷口均匀排布在矩形喷腔内与两个倾斜面平滑连接的两个平行侧面上，且第一喷口的排布方向与矩形喷腔的延伸方向垂直，若干第一喷口的喷射方向均沿矩形喷腔的延伸方向倾斜设置。
采用上述技术方案的有益效果为：这样设置有利于在第一喷口处的矩形喷腔内形成空气过量的一次燃烧，并且一次燃烧产生的高温烟气可自动向矩形喷腔的端口喷出；同时第一喷口对火焰具有塑型的作用，使产生火焰的延展性好、稳定性强、温度场均匀。
进一步地，矩形喷腔的端口呈扁平的矩形状，若干第二喷口均匀且对称的排布在矩形喷腔端口长度方向上的两侧，若干第二喷口的喷射方向均向矩形喷腔的端口倾斜设置。
采用上述技术方案的有益效果为：若干第二喷口产生的火焰相互交叉射流，同时配合矩形喷腔扁平的矩形状端口，使得喷出的火焰也呈扁平的矩形状，从而增加了火焰与钢坯的热辐射和对流换热面积，提高了钢坯温度均匀性和加热效率，实现节能降碳的同时，防止了钢坯因局部温度过高而增加氧化烧损率。
进一步地，中心燃气枪的端头均为半球状，且中心燃气枪的端头上设置有若干沿周向均匀排布的喷孔，若干喷孔的喷射方向均呈伞状扩散分布。
采用上述技术方案的有益效果为：中心燃气枪上的若干喷孔将燃气由单股分散为多股，并将燃气呈伞状的扩散喷出，增大了火焰与空气的接触面积，提高了火焰的扩散性和延展性，提高了点火的可靠性。
进一步地，稳焰装置呈漏斗状，中心燃气枪设置在稳焰装置的中部，稳焰装置侧壁的周向上均匀排布有若干通气孔。
进一步地，若干所述燃气管路均与燃气箱连接，燃气箱和空气箱上分别设置有燃气进口通道和空气进口通道。
提供一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开空气进口通道，将空气引入至空气箱和空气管路内；
S2：采用中心燃气枪将燃气喷至空气管路的端口处，并使燃气与空气管路内的空气在稳焰装置处进行混合；
S3：调整空气进口通道的空气引入量，空气管路的端口处形成空气过剩系数大于1的混合燃气；
S4：通过点火枪进行点火，使混合燃气在空气管路的端口处形成稳定火焰；
S5：打开燃气进口通道，第一喷口喷出的燃气与空气箱内的空气以及空气管路端口的火焰进行混合，形成空气过量的一次燃烧；
S6：一次燃烧产生的烟气和过剩的空气通过矩形喷腔的收缩端口高速喷出，并与第二喷口喷出的燃气进行混合，形成燃气过量的二次燃烧，并喷出呈扁平状的稳定火焰。
本发明的有益效果为：本方案的燃烧器提高了加热炉炉内的加热效率，降低燃料气的消耗；燃烧器喷出的火焰呈扁平的矩形状，使其与钢坯热辐射面积更大，温度更加均匀，传热效率更高；同时采用燃气分级、一级贫燃、二级富燃的组织方式，有效的降低了氮氧化物的生成；通过控制燃气和空气的流量，可以协同控制步进加热炉炉内区域气氛，从而达到抑制氧化铁皮的产生，进而降低了钢坯的氧化烧损率，提高了钢坯的成材率。
附图说明
图1为火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的结构示意图。
图2为火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的第一剖视图。
图3为火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的第二剖视图。
图4为火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的端面示意图。
其中，1、空气箱，2、空气管路，3、通孔，4、中心燃气枪，5、点火枪，6、稳焰装置，7、助燃箱，8、矩形喷腔，9、倾斜面，10、燃气管路，11、第一喷口，12、第二喷口，13、喷孔，14、通气孔，15、燃气箱，16、燃气进口通道，17、空气进口通道。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图4所示，本方案的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器包括空气箱1，空气箱1上设置有空气进口通道17，空气箱1内设置有空气管路2，且空气管路2上设置有若干用于与空气箱1内部连通的通孔3，空气管路2内设置有中心燃气枪4和点火枪5，中心燃气枪4和点火枪5的前端均穿设在稳焰装置6上，稳焰装置6呈漏斗状，且稳焰装置6设置在空气管路2的端口处，稳焰装置6的周向上均匀排布有若干通气孔14。
中心燃气枪4设置在稳焰装置6的中部，中心燃气枪4的端头均为半球状，且中心燃气枪4的端头上设置有八个沿周向均匀排布的喷孔13，八个喷孔13的喷射方向均呈伞状扩散分布，中心燃气枪4上的八个喷孔13将燃气由单股分散为八股，并将燃气呈伞状的扩散喷出，增大了火焰与空气的接触面积，提高了火焰的扩散性和延展性，提高了点火的可靠性。
空气管路2的端口设置在空气箱1的端口处，空气箱1的端口处设置有助燃箱7，助燃箱7内部设置有与空气箱1端口连接的矩形喷腔8，矩形喷腔8内对称设置有两个使矩形喷腔8端口逐渐收缩的倾斜面9，通过倾斜面9倾斜角度的不同，可使矩形喷腔8的端口呈不同宽度的扁平矩形状，助燃箱7上设置有若干燃气管路10，燃气管路10通过耐火材料进行包裹，对其进行热防护，防止高温火焰烧毁燃气管路10；若干燃气管路10均与燃气箱15连接，燃气箱15上设置有燃气进口通道16，每根燃气管路10上均设置有第一喷口11和第二喷口12。
通过矩形喷腔8内倾斜面9的作用，使矩形喷腔8端口喷出的高温烟气收缩并高速喷出，这样设置加强了加热炉炉内的掺混和扰动，强化对流传热速率，进而提高炉内的加热效率，降低燃料气的消耗。
若干第一喷口11设置在靠近空气箱1一端的矩形喷腔8内，且均匀排布在矩形喷腔8内与两个倾斜面9平滑连接的两个平行侧面上，第一喷口11的排布方向与矩形喷腔8的延伸方向垂直，第一喷口11的喷射方向沿矩形喷腔8的延伸方向倾斜设置；矩形喷腔8内第一喷口11喷出的燃气可与空气管路2端口喷出火焰混合，形成空气过量的一次燃烧，并且一次燃烧产生的高温烟气可自动向矩形喷腔8的端口喷出；同时第一喷口11对火焰具有塑型的作用，使产生火焰的延展性好、稳定性强、温度场均匀。
若干第二喷口12均匀且对称的排布在矩形喷腔8端口长度方向上的两侧，若干第二喷口12的喷射方向均向矩形喷腔8的端口倾斜设置；这样设置使若干第二喷口12产生的火焰相互交叉射流，同时配合矩形喷腔8扁平的矩形状端口，使得喷出的火焰也呈扁平的矩形状，从而增加了火焰与钢坯的热辐射和对流换热面积，提高了钢坯温度均匀性和加热效率，实现节能降碳的同时，防止了钢坯因局部温度过高而增加氧化烧损率。
第一喷口11和第二喷口12喷出的燃气可包裹空气并混合喷出燃烧，使空气中的氧气不接触钢坯表面，钢坯始终处于还原性气氛中，从而降低了钢坯表面在加热过程中的氧化烧损程度，进一步提高钢坯的成材率。
本方案还提供一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开空气进口通道17，将空气引入至空气箱1和空气管路2内；
S2：采用中心燃气枪4将燃气喷至空气管路2的端口处，并使燃气与空气管路2内的空气在稳焰装置6处进行混合；
S3：调整空气进口通道17的空气引入量，空气管路2的端口处形成空气过剩系数为1.2的混合燃气；
S4：通过点火枪5进行点火，使混合燃气在空气管路2的端口处形成稳定火焰；
S5：打开燃气进口通道16，从第一喷口11喷出的燃气与空气箱1内的空气以及空气管路2端口的火焰进行混合，形成空气过量的一次燃烧；
S6：一次燃烧产生的烟气和过剩的空气通过矩形喷腔8的收缩端口高速喷出，并与第二喷口12喷出的燃气进行混合，形成燃气过量的二次燃烧，并喷出呈扁平状的稳定火焰。
其中，一次燃烧区为贫燃料区，由于空气箱1内的空气只有少部分进入空气管路2内完成点火，而大部分空气会与第一喷口11处的燃气混合，从而形成空气过量的一次燃烧，即空气过剩系数大于化学当量比，同时空气过量也降低了燃烧的温度，综合降低了一级燃烧区氮氧化物的产生；而二次燃烧区为富燃料区，空气过剩系数偏离化学当量比，其燃烧温度较高，但是由于欠氧燃烧，氮氧化物的产生受到了抑制，且富燃料区域的气氛呈现还原性气氛，可以使一次燃烧产生的部分氮氧化物还原成氮气，进一步降低了燃烧时氮氧化物的生成。
综上所述，本方案的燃烧器采用高速射流方式，提高火焰和高温烟气流速，强化加热炉炉内对流传热速率，进而提高炉内的加热效率，降低燃料气的消耗；燃烧器喷出的火焰呈扁平的矩形状，使其与钢坯的形状更加匹配，以至于火焰面与钢坯热辐射面积更大，温度更加均匀，传热效率更高；同时采用燃气分级、一级贫燃、二级富燃的组织方式，有效的降低了氮氧化物的生成；通过控制燃气和空气的流量，燃烧器的热负荷调节比可以达到1:10，针对不同种类的钢坯，其加热方式灵活，且调节过程中火焰温度保持均匀，同时还可以实现加热炉炉内区域气氛的协同控制，从而达到抑制氧化铁皮的产生，进而降低氧化烧损率，提高钢坯成材率。

Claims (7)

1.一种火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，包括空气箱(1)，所述空气箱(1)内设置有空气管路(2)，且空气管路(2)上设置有若干用于与空气箱(1)内部连通的通孔(3)，所述空气管路(2)内设置有中心燃气枪(4)和点火枪(5)，所述中心燃气枪(4)和点火枪(5)的前端均穿设在稳焰装置(6)上，所述稳焰装置(6)设置在空气管路(2)的端口处，所述空气管路(2)的端口设置在空气箱(1)的端口处，所述空气箱(1)的端口处设置有助燃箱(7)；
所述助燃箱(7)内部设置有与空气箱(1)端口连接的矩形喷腔(8)，所述矩形喷腔(8)内对称设置有两个使矩形喷腔(8)端口逐渐收缩的倾斜面(9)，所述助燃箱(7)上设置有若干燃气管路(10)，每根所述燃气管路(10)上均设置有第一喷口(11)和第二喷口(12)，若干所述第一喷口(11)设置在靠近空气箱(1)一端的矩形喷腔(8)内，若干所述第二喷口(12)设置在矩形喷腔(8)端口的四周。
2.根据权利要求1所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，若干所述第一喷口(11)均匀排布在矩形喷腔(8)内与两个倾斜面(9)平滑连接的两个平行侧面上，且第一喷口(11)的排布方向与矩形喷腔(8)的延伸方向垂直，若干所述第一喷口(11)的喷射方向均沿矩形喷腔(8)的延伸方向倾斜设置。
3.根据权利要求1所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述矩形喷腔(8)的端口呈扁平的矩形状，若干所述第二喷口(12)均匀且对称的排布在矩形喷腔(8)端口长度方向上的两侧，若干所述第二喷口(12)的喷射方向均向矩形喷腔(8)的端口倾斜设置。
4.根据权利要求1所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述中心燃气枪(4)的端头均为半球状，且中心燃气枪(4)的端头上设置有若干沿周向均匀排布的喷孔(13)，若干所述喷孔(13)的喷射方向均呈伞状扩散分布。
5.根据权利要求1所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述稳焰装置(6)呈漏斗状，所述中心燃气枪(4)设置在稳焰装置(6)的中部，所述稳焰装置(6)侧壁的周向上均匀排布有若干通气孔(14)。
6.根据权利要求1所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器，其特征在于，若干所述燃气管路(10)均与燃气箱(15)连接，所述燃气箱(15)和空气箱(1)上分别设置有燃气进口通道(16)和空气进口通道(17)。
7.一种采用权利要求1-6任一项所述的火焰呈扁平状的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开空气进口通道(17)，将空气引入至空气箱(1)和空气管路(2)内；
S2：采用中心燃气枪(4)将燃气喷至空气管路(2)的端口处，并使燃气与空气管路(2)内的空气在稳焰装置(6)处混合；
S3：调整空气进口通道(17)的空气引入量，在空气管路(2)的端口处形成空气过剩系数大于1的混合燃气；
S4：通过点火枪(5)进行点火，使混合燃气在空气管路(2)的端口处形成稳定火焰；
S5：打开燃气进口通道(16)，第一喷口(11)喷出的燃气与空气箱(1)内的空气以及空气管路(2)端口的火焰进行混合，形成空气过量的一次燃烧；
S6：一次燃烧产生的高温烟气和过剩的空气通过矩形喷腔(8)的收缩端口高速喷出，并与第二喷口(12)喷出的燃气进行混合，形成燃气过量的二次燃烧，并喷出呈扁平状的稳定火焰。
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