CN115046197A - 一种火焰分割式高速低氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents

一种火焰分割式高速低氮燃烧器及其燃烧方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火焰分割式高速低氮燃烧器，其包括空气箱，空气箱内设置有火焰产生装置，空气箱上设置有燃气箱，燃气箱与空气箱通过若干第一喷孔连通，空气箱的端口处设置有收缩流道，收缩流道外侧的四周均匀排布有若干燃气管路，燃气管路与燃气箱连通，燃气管路的前端设置有向收缩流道倾斜的喷口，收缩流道的外侧间隙设置有若干分割砖，分割砖上设置有分割板，若干分割板分别设置在相邻两个喷口之间；本方案的燃烧器喷出的火焰可实现径向和周向上的分割与折叠，形成类似花瓣状的火焰，使火焰的温度分布更加均匀，同时折叠的火焰面可使烟气内回流，从而深度降低氮氧化物的生成。

Description

一种火焰分割式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，具体涉及一种火焰分割式高速低氮燃烧器及其燃烧方法。
背景技术
目前国内工业用燃烧器结构简单、其组织燃烧技术水平较低，主要靠辐射形式换热，能源利用率较低，容易产生局部高温，且绝大多数热量随着烟气排放，其中氮氧化物排放一般都大于100mg/Nm3(8％基准氧含量)，尤其对于炉温大于1200℃条件下，氮氧化物一般都大于150mg/Nm3甚至更高，主要是因为燃烧温度越高，热力型氮氧化物生成速率急剧增加。
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分割式高速低氮燃烧器及其燃烧方法，解决了现有技术中燃烧器温度分布不均、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：
提供一种火焰分割式高速低氮燃烧器，其包括空气箱，空气箱内设置有火焰产生装置，空气箱上设置有燃气箱，燃气箱与空气箱通过若干第一喷孔连通，空气箱的端口处设置有收缩流道，收缩流道外侧的四周均匀排布有若干燃气管路，燃气管路与燃气箱连通，燃气管路的前端设置有向收缩流道倾斜的喷口，收缩流道的外侧壁上间隙设置有若干分割砖，分割砖上设置有分割板，若干分割板分别设置在相邻两个喷口之间。
采用上述技术方案的有益效果为：本方案的燃烧器通过火焰产生装置形成稳定的初火，初火引燃第一喷孔喷出的燃气，并在收缩流道内形成空气过量的一级燃烧后，通过收缩流道高速喷出，并与燃气管路上喷口喷出的燃气混合，形成燃气过量的二级燃烧，抑制氮氧化物的生成，通过分割砖和分割板的共同作用，对喷出的火焰进行分割和折叠，这样设置使火焰的温度分布更加均匀。
进一步地，分割砖呈弧形片状，且分割砖的前端凸出收缩流道的端口，分割板分别设置在分割砖外弧面的两侧，若干喷口包括周向上交替设置的若干第一喷口和若干第二喷口，若干第一喷口分别设置在若干分割砖的两块分割板之间，若干第二喷口分别设置在相邻两个分割砖的两块分割板之间。
采用上述技术方案的有益效果为：通过分割砖可使第一喷口与第二喷口在径向上实现分割，通过分割板可使第一喷口和第二喷口在周向上实现分割，这样设置使收缩流道高速喷出的烟气先与若干第二喷口喷出的燃气混合形成柱状火焰后，再与若干第一喷口喷出的燃气混合，形成二次火焰，并包裹柱状火焰，最终形成燃气过量的二级燃烧；同时分割板又将火焰在周向上进行分割，而分割的火焰又相互折叠，折叠的火焰面可使烟气内回流，从而深度降低氮氧化物的生成。
进一步地，第一喷口向收缩流道倾斜的角度小于第二喷口向收缩流道倾斜的角度，这样设置有利于收缩流道端口二级燃烧火焰的径向分层。
进一步地，设置有第二喷口的燃气管道的内侧设置有第二喷孔，收缩流道的侧壁上设置有与若干第二喷孔相配适的若干通孔，第二喷孔的喷射方向指向通孔。
采用上述技术方案的有益效果为：第二喷孔喷出的燃气通过收缩流道上的通孔进入收缩流道内进行助燃，增强了收缩流道内火焰的延展性、稳定性和刚性，有利于一级燃烧的火焰稳定地从收缩流道的端口喷出。
进一步地，空气箱呈圆柱状，燃气箱套设在空气箱的外侧壁上，若干第一喷孔在空气箱的周向上均匀分布。
采用上述技术方案的有益效果为：通过将若干第一喷孔均匀的环布在空气箱的周向上，使一级燃烧所需的燃气，通过若干第一喷孔均匀的分散喷出，增大了燃气与空气的接触面积，有助于形成空气过量的一级燃烧，同时降低了局部火焰温度，使得收缩流道内的热负荷分布均匀。
进一步地，火焰产生装置包括中心空气管路，中心空气管路内设置有中心燃气管路和点火枪，中心燃气管路和点火枪的端口设置在中心空气管路的端口处，中心空气管路的端口设置在空气箱的端口处，中心空气管路上设置有进气口。
进一步地，空气箱和燃气箱上分别设置有空气进口通道和燃气进口通道，若干第一喷孔设置在空气进口通道和空气箱端口之间，使第一喷孔喷出的燃气与空气进行预混合后，再与中心空气管路端口处的火焰混合，通过控制燃气和空气的引入量，即可形成空气过量的一级燃烧。
进一步地，燃气管路上包裹有耐火材料，对其进行热防护，防止高温火焰烧毁燃气管路。
提供一种火焰分割式高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开进气口将空气引入至中心空气管路的端口处；
S2：打开中心燃气管路使燃气与空气在中心空气管路的端口处混合，并调节进气口的空气引入量，在中心空气管路的端口处形成空气过剩系数大于1的混合燃气；
S3：通过点火枪进行点火，使混合燃气在中心空气管路的端口处形成稳定火焰；
S4：打开空气进口通道和燃气进口通道，第一喷孔喷出的燃气与空气箱内的空气进行预混合后，再流至中心空气管路的端口处，与中心空气管路端口处的火焰混合，形成空气过量的一级燃烧；
S5：一级燃烧产生的高温烟气和过剩的空气通过收缩流道高速喷出，并与燃气管路上第二喷口喷出的燃气进行混合，形成第一次二级燃烧，并喷出呈圆柱状的稳定火焰；
S6：呈圆柱状的稳定火焰与燃气管路上第一喷口喷出的燃气进行混合，形成第二次二级燃烧，并形成尺寸更大的柱状火焰，并包裹第一次二级燃烧形成的稳定火焰，从而形成燃气过量的二级燃烧，并喷出温度均匀的稳定火焰。
本发明的有益效果为：本方案的燃烧器喷出的火焰可实现径向和周向上的分割与折叠，形成类似花瓣状的火焰，使火焰的温度分布更加均匀，同时折叠的火焰面可使烟气内回流，从而深度降低氮氧化物的生成；采用轴向燃气分级燃烧组织策略，且一级燃烧采用预混贫燃的方式，二级燃烧采用扩散富燃的方式，有助于降低了氮氧化物的生成。
附图说明
图1为火焰分割式高速低氮燃烧器的结构示意图。
图2为火焰分割式高速低氮燃烧器的剖视图。
图3为火焰分割式高速低氮燃烧器的端部视图。
其中，1、空气箱，2、中心空气管路，3、中心燃气管路，4、点火枪，5、燃气箱，6、第一喷孔，7、收缩流道，8、燃气管路，9、分割砖，10、分割板，11、第一喷口，12、第二喷口，13、第二喷孔，14、通孔，15、进气口，16、空气进口通道，17、燃气进口通道，18、环形支架。
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3所示，本方案的火焰分割式高速低氮燃烧器包括空气箱1，空气箱1呈一端开口的圆柱状，空气箱1内部的轴线上设置有中心空气管路2，中心空气管路2通过环形支架18固定，中心空气管路2内设置有中心燃气管路3和点火枪4，中心燃气管路3和点火枪4的端口设置在中心空气管路2的端口处，中心空气管路2的端口设置在空气箱1的端口处，空气箱1的外侧壁套设有燃气箱5，燃气箱5与空气箱1通过若干第一喷孔6连通，且若干第一喷孔6在空气箱1的周向上均匀分布。
空气箱1的端口处设置有收缩流道7，收缩流道7呈两端开口的圆台状，收缩流道7外侧的四周均匀排布有八根燃气管路8，燃气管路8上包裹有耐火材料，对其进行热防护，防止高温火焰烧毁燃气管路8；燃气管路8与燃气箱5连通，燃气管路8的前端设置有向收缩流道7倾斜的喷口，且八个喷口分为周向上交替设置的四个第一喷口11和四个第二喷口12。
本方案的燃烧器可在中心空气管路2的端口处形成稳定的初火，初火引燃第一喷孔6喷出的燃气，并在收缩流道7内形成空气过量的一级燃烧后，通过收缩流道7高速喷出，并与燃气管路8上喷口喷出的燃气混合，形成燃气过量的二级燃烧，抑制氮氧化物的生成。
本方案采用缩口喷口技术，通过收缩流道7使一级燃烧后的高温烟气高速喷射出燃烧器，高速烟气可达到100m/s以上，从而产生剧烈的扰动，强化了对流传热，减低了燃气的消耗，提高了加热效率。
中心空气管路2、空气箱1和燃气箱5上分别设置有进气口15、空气进口通道16和燃气进口通道17，若干第一喷孔6设置在空气进口通道16和空气箱1端口之间，使第一喷孔6喷出的燃气与空气进行预混合后，再与中心空气管路2端口处的火焰混合，通过控制燃气和空气的引入量，即可形成空气过量的一级燃烧。
通过将中心空气管路2布置在空气箱1的中心，若干第一喷孔6均匀的环布在中心空气管路2的四周，使一级燃烧所需的燃气，通过若干第一喷孔6均匀的分散喷出，增大了燃气与空气的接触面积，有助于形成空气过量的一级燃烧，同时降低了局部火焰温度，使得收缩流道7内的热负荷分布均匀。
收缩流道7的外侧壁上间隙设置有四个分割砖9，分割砖9呈弧形片状，且分割砖9的前端凸出收缩流道7的端口，分割砖9外弧面的两侧均设置有分割板10，四个第一喷口11分别设置在四个分割砖9的两块分割板10之间，四个第二喷口12分别设置在相邻两个分割砖9的两块分割板10之间。
通过分割砖9可使第一喷口11与第二喷口12在径向上实现分割，通过分割板10可使第一喷口11和第二喷口12在周向上实现分割，这样设置使收缩流道7高速喷出的烟气先与四个第二喷口12喷出的燃气混合形成柱状火焰后，再与四个第一喷口11喷出的燃气混合，形成二次火焰，并包裹柱状火焰，最终形成燃气过量的二级燃烧；同时分割板10又将火焰在周向上进行分割，而分割的火焰又相互折叠，这样设置使火焰的温度分布更加均匀，同时折叠的火焰面可使烟气内回流，从而深度降低氮氧化物的生成。
第一喷口11向收缩流道7倾斜的角度小于第二喷口12向收缩流道7倾斜的角度，这样设置有利于收缩流道7端口二级燃烧火焰的径向分层。
优选地，设置有第二喷口12的四个燃气管道的内侧均设置有第二喷孔13，收缩流道7的侧壁上设置有与四个第二喷孔13相配适的四个通孔14，第二喷孔13的喷射方向指向通孔14，这样设置可使第二喷孔13喷出的燃气通过收缩流道7上的通孔14进入收缩流道7内进行助燃，增强了收缩流道7内火焰的延展性、稳定性和刚性，有利于一级燃烧的火焰稳定地从收缩流道7的端口喷出。
本方案还提供一种火焰分割式高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开进气口15将空气引入至中心空气管路2的端口处；
S2：打开中心燃气管路3使燃气与空气在中心空气管路2的端口处混合，并调节进气口15的空气引入量，在中心空气管路2的端口处形成空气过剩系数大于1的混合燃气；
S3：通过点火枪4进行点火，使混合燃气在中心空气管路2的端口处形成稳定火焰；
S4：打开空气进口通道16和燃气进口通道17，第一喷孔6喷出的燃气与空气箱1内的空气进行预混合后，再流至中心空气管路2的端口处，与中心空气管路2端口处的火焰混合，形成空气过量的一级燃烧；
S5：一级燃烧产生的高温烟气和过剩的空气通过收缩流道7高速喷出，并与燃气管路8上第二喷口12喷出的燃气进行混合，形成第一次二级燃烧，并喷出呈圆柱状的稳定火焰；
S6：呈圆柱状的稳定火焰与燃气管路8上第一喷口11喷出的燃气进行混合，形成第二次二级燃烧，并形成尺寸更大的柱状火焰，并包裹第一次二级燃烧形成的稳定火焰，从而形成燃气过量的二级燃烧，并喷出温度均匀的稳定火焰。
其中，一级燃烧区为贫燃料区，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，本方案的燃烧器喷出的火焰可实现径向和周向上的分割与折叠，形成类似花瓣状的火焰，使火焰的温度分布更加均匀，同时折叠的火焰面可使烟气内回流，从而深度降低氮氧化物的生成；采用轴向燃气分级燃烧组织策略，且一级燃烧采用预混贫燃的方式，二级燃烧采用扩散富燃的方式，有助于降低了氮氧化物的生成；同时通过对燃气流量和空气流量的控制，可实现燃烧器1:10的大比例功率调节，氮氧化物最低可以达到35mg/Nm3以下，针对不同种类的钢坯，其加热方式灵活的同时，有助于节能减碳。

Claims (9)

1.一种火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，包括空气箱(1)，所述空气箱(1)内设置有火焰产生装置，所述空气箱(1)上设置有燃气箱(5)，所述燃气箱(5)与空气箱(1)通过若干第一喷孔(6)连通，所述空气箱(1)的端口处设置有收缩流道(7)，所述收缩流道(7)外侧的四周均匀排布有若干燃气管路(8)，所述燃气管路(8)与燃气箱(5)连通，所述燃气管路(8)的前端设置有向收缩流道(7)倾斜的喷口，所述收缩流道(7)的外侧壁上间隙设置有若干分割砖(9)，所述分割砖(9)上设置有分割板(10)，若干所述分割板(10)分别设置在相邻两个喷口之间。
2.根据权利要求1所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述分割砖(9)呈弧形片状，且分割砖(9)的前端凸出收缩流道(7)的端口，所述分割板(10)分别设置在分割砖(9)外弧面的两侧，若干所述喷口包括周向上交替设置的若干第一喷口(11)和若干第二喷口(12)，若干所述第一喷口(11)分别设置在若干分割砖(9)的两块分割板(10)之间，若干所述第二喷口(12)分别设置在相邻两个分割砖(9)的两块分割板(10)之间。
3.根据权利要求2所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述第一喷口(11)向收缩流道(7)倾斜的角度小于第二喷口(12)向收缩流道(7)倾斜的角度。
4.根据权利要求2所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，设置有第二喷口(12)的所述燃气管道的内侧设置有第二喷孔(13)，所述收缩流道(7)的侧壁上设置有与若干第二喷孔(13)相配适的若干通孔(14)，所述第二喷孔(13)的喷射方向指向通孔(14)。
5.根据权利要求1所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述空气箱(1)呈圆柱状，所述燃气箱(5)套设在空气箱(1)的外侧壁上，若干所述第一喷孔(6)在空气箱(1)的周向上均匀分布。
6.根据权利要求1所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述火焰产生装置包括中心空气管路(2)，所述中心空气管路(2)内设置有中心燃气管路(3)和点火枪(4)，所述中心燃气管路(3)和点火枪(4)的端口设置在中心空气管路(2)的端口处，所述中心空气管路(2)的端口设置在空气箱(1)的端口处，所述中心空气管路(2)上设置有进气口(15)。
7.根据权利要求1所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述空气箱(1)和燃气箱(5)上分别设置有空气进口通道(16)和燃气进口通道(17)，若干所述第一喷孔(6)设置在空气进口通道(16)和空气箱(1)端口之间。
8.根据权利要求1所述的火焰分割式高速低氮燃烧器，其特征在于，所述燃气管路(8)上包裹有耐火材料。
9.一种采用权利要求1-8任一项所述的火焰分割式高速低氮燃烧器的燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开进气口(15)将空气引入至中心空气管路(2)的端口处；
S2：打开中心燃气管路(3)，使燃气与空气在中心空气管路(2)的端口处混合，并调节进气口(15)的空气引入量，在中心空气管路(2)的端口处形成空气过剩系数大于1的混合燃气；
S3：通过点火枪(4)进行点火，使混合燃气在中心空气管路(2)的端口处形成稳定火焰；
S4：打开空气进口通道(16)和燃气进口通道(17)，第一喷孔(6)喷出的燃气与空气箱(1)内的空气进行预混合后，再流至中心空气管路(2)的端口处，与中心空气管路(2)端口处的火焰混合，形成空气过量的一级燃烧；
S5：一级燃烧产生的高温烟气和过剩的空气通过收缩流道(7)高速喷出，并与燃气管路(8)上第二喷口(12)喷出的燃气进行混合，形成第一次二级燃烧，并喷出呈圆柱状的稳定火焰；
S6：呈圆柱状的稳定火焰与燃气管路(8)上第一喷口(11)喷出的燃气进行混合，形成第二次二级燃烧，并形成尺寸更大的柱状火焰，并包裹第一次二级燃烧形成的稳定火焰，从而形成燃气过量的二级燃烧，并喷出温度均匀的稳定火焰。
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