CN115087834A - 辐射管燃烧器、辐射管及辐射管燃烧器的设计方法 - Google Patents

辐射管燃烧器、辐射管及辐射管燃烧器的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供能够通过简易的构成减少NOx的产生的辐射管燃烧器及辐射管。插入至具有椭圆形状的开口截面的管(1)的气体喷射部(2A)中，二次燃烧用空气喷嘴(21)配置于中央部、并以包围二次燃烧用空气喷嘴(21)的方式配置有多个一次燃烧用空气喷嘴(22)和多个燃料气体喷嘴(23)。以将椭圆的短径的轴即短轴(X)以椭圆的中心为中心(P)倾斜±45度而得的2条直线(X1、X2)作为分界，将管(1)的开口截面假想地划分成4个区域，从位于包含椭圆的短轴(X)的区域的一次燃烧用空气喷嘴(22)喷射的一次燃烧用空气的流量少于从位于不含椭圆的短轴X的区域的一次燃烧用空气喷嘴(22)喷射的一次燃烧用空气的流量。

Description

辐射管燃烧器、辐射管及辐射管燃烧器的设计方法
技术领域
本发明为涉及辐射管的技术。
背景技术
辐射管是将燃料气体和燃烧用空气从辐射管燃烧器的气体喷射部供给于管内并使其燃烧，由利用产生的燃烧气体进行了加热的管带来的热对存在于管外的被加热物进行间接加热的装置。因此，由于辐射管燃烧空间有限，仅凭辐射管无法有效地将热用尽，多使用同流换热器、蓄热燃烧器等各种余热回收装置，以燃烧用空气的预热的形式进行热回收。
此处，辐射管存在下述课题：于管内产生的燃烧气体通过管内而被排出，但若燃烧气体的温度上升，则有害的氮氧化物(以下称作NOx)的生成量增加。因此，有时为了抑制NOx排放量，会限制余热回收量。
以往，作为减少辐射管中NOx的产生的技术，例如有专利文献1、专利文献2中记载的技术。
专利文献1中公开了通过使用风扇将废气混入燃料气体或二次燃烧用空气中从而降低燃烧速度以减少NOx的产生的技术。另外，专利文献2中公开了利用催化剂将产生的NOx净化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63-113206公报
专利文献2：日本特开2017-219235号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，专利文献1中需要用于将废气引导至燃料气体或二次燃烧用空气的风扇。例如，若为每个辐射管设置风扇，则会对维护性能造成影响。另外，专利文献1的构成中也具有辐射管因设置风扇而相应地变得大型化的课题。
另外，专利文献2中，在使用副产气体的钢铁工业中显著的、催化剂因中毒而造成的劣化成为课题。另外，专利文献2的构成中也具有辐射管因设置催化剂而相应地变得大型化的课题。
本发明是着眼于上述方面而完成的，因此其目的在于，提供不会对维护性能造成不良影响、不会发生中毒等引起的低NOx效果的减弱的、能够通过简易的构成减少NOx的产生的辐射管燃烧器及辐射管。
用于解决课题的手段
本申请发明人为了开发低NOx的辐射管燃烧器，不囿于现有的辐射管形状，进行了包括燃烧器周围NOx的生成在内的各种燃烧分析。根据其结果，本申请发明人得到了下述见解：将辐射管的开口截面形状设为长径与短径不同的椭圆形状，在该辐射管的中央配置二次燃烧用空气喷嘴，在该二次燃烧用空气喷嘴的周围沿周向配置多个燃料气体喷嘴与多个一次燃烧用空气喷嘴，于1.0以下的空气比进行一次燃烧，从而在燃烧器周围的一次燃烧区域产生循环流，燃烧器前侧的NOx浓度降低。此外，发明人发现了通过将从多个一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量适当地在管形状的椭圆的长径侧与短径侧进行分配，NOx浓度进一步降低。本发明是基于上述见解而完成的。
并且，为了解决课题，本发明的一个方式为辐射管燃烧器，其主旨在于，其插入至具有椭圆形状的开口截面的管而设置，并且上述辐射管燃烧器的气体喷射部中，喷射二次燃烧用空气的二次燃烧用空气喷嘴配置于中央部、并以包围上述二次燃烧用空气喷嘴的方式配置有喷射一次燃烧用空气的多个一次燃烧用空气喷嘴和喷射燃料气体的多个燃料气体喷嘴，辐射管燃烧器中，以将上述管的开口截面的开口截面形状即椭圆的短轴以上述椭圆的的中心为中心倾斜±45度而得的2条直线作为分界，假想地划分成4个区域，从位于假想地划分出的上述4个区域之中的包含上述椭圆的短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量少于从位于上述4个区域之中的不含上述椭圆的短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量。
发明效果
根据本发明的方式，能够提供能够通过简易的构成减少NOx的产生的辐射管燃烧器及辐射管。
附图说明
[图1]为用于对具备基于本发明的实施方式的辐射管燃烧器的辐射管的构成进行说明的概要图。
[图2]为对图1的A-A′截面所示的、管的开口截面形状进行说明的图。
[图3]为示出辐射管燃烧器的气体喷射部与管的关系的示意性立体图。
[图4]为示出气体喷射部的各喷嘴的概念图。
[图5]为示出4个区域与各喷嘴的配置关系的主视图。
[图6]为示出流量比与NOx比的关系的图。
[图7]为示出流量比与短轴侧的燃烧气体温度的关系的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的实施方式进行说明。
此处，附图是示意性的，各部件的大小、长度的比率等与现实的不同。另外，以下所示的实施方式示例出用于将本发明的技术构思具象化的构成，本发明的技术构思中的构成部件的材质、形状及结构等并不限于下述。本发明的技术构思能够在权利要求书中记载的权利要求所限定的技术范畴内添加各种变更。
此处，本说明书中，椭圆不包括正圆，椭圆的短径是指最短的直径，长径是指与短径正交的方向的直径。另外，短轴是沿短径方向延伸的轴，长轴是沿长径方向延伸的轴。
(构成)
如图1所示，本实施方式的辐射管100具备供燃烧气体流动的管1、和于管1内产生燃烧气体的辐射管燃烧器2。辐射管100也可以具备传热促进体4、同流换热器、蓄热燃烧器等各种余热回收装置5、其他已知的部件，也可以不具备上述部件。
(管1)
如图1所示，本实施方式的管1形成为侧视图大致呈W状的锯齿状褶皱形状(zigzagshape)，具有上下并排的4个直管部1A～1D，相邻直管部1A～1D的端部彼此通过呈圆弧形状延伸的曲管部1E～1G连结而构成。标记6为防止相邻直管部间变狭窄的分隔构件。标记7是支承于伸出部3A、抑制管向下方移位的支撑构件。
另外，通过将最上游位置的直管部1A的入口侧与最下游位置的直管部1D的出口固定于炉壁3，从而管1支承于炉壁3。
如图2所示，管1之中的、至少最上游位置的直管部1A的开口截面为短径La与长径Lb不同的椭圆形状。即，辐射管燃烧器2的配置有气体喷射部2A的最上游位置的直管部1A的开口截面为短径La与长径Lb不同的椭圆形状。本实施方式中，设为管1的整个长度上，为长轴Y朝向上下方向的椭圆形状。
即管1以与上述椭圆的短径正交的长径的轴即长轴Y朝向上下方向的方式而设定。通过使椭圆的长轴Y朝向上下方向而配置管1，由此与管1的开口截面形状为正圆形状的情况相比，管1的刚性提高，并能够抑制构成管1的直管部1A～1D因自重、热负荷而向下方移位。
对于限定管截面的椭圆而言，只要短径La与长径Lb的长度不同，则与正圆形状相比刚性得以提高，故而并没有特别限定。对于椭圆，例如可将(长径Lb/短径La)设为1.1以上1.4以下。
此处，本实施方式为以下构成：通过使被加热物(未图示)在管1的前方及后方上下移动，从而以来自辐射管100的辐射热对该被加热物进行加热。图2中，标记50表示被加热物的移动方向的例子。
(辐射管燃烧器2)
如图1所示，辐射管燃烧器2中，气体喷射部2A从直管部1A的上游侧端部以与直管部1A同轴的方式插入于最上游位置的直管部1A内。气体喷射部2A为形成有喷射燃烧用空气及燃料气体的喷嘴的集管部。
如图3所示，对于本实施方式的气体喷射部2A而言，主体的外形为圆柱形状，以圆柱形状的中心P轴与管1的中心P轴同轴的方式配置。
气体喷射部2A的前端部设置有二次燃烧用空气喷嘴21、多个一次燃烧用空气喷嘴22、及多个燃料气体喷嘴23。以下也将气体喷射部2A的前端部的表面记作气体喷射面。如图4所示，各喷嘴的气体的喷射轴与气体喷射部2A的中心P轴平行地设定，能够朝与管1的延伸方向相同的方向喷射气体。
此处，二次燃烧用空气喷嘴21为喷射二次燃烧用空气的喷嘴。一次燃烧用空气喷嘴22为喷射一次燃烧用空气的喷嘴。燃料气体喷嘴23为喷射燃料气体的喷嘴。
如图3～图5所示，二次燃烧用空气喷嘴21配置于圆形的气体喷射面的中央部，由从气体喷射面向前方(气体喷射方向)延伸的筒部构成。本实施方式的二次燃烧用空气喷嘴21以与气体喷射部2A同轴的方式设定。
另外，气体喷射面上，在二次燃烧用空气喷嘴21的外径方向外侧位置，以包围该二次燃烧用空气喷嘴21的外周的方式配置有多个一次燃烧用空气喷嘴22和多个燃料气体喷嘴23。并且，气体喷射面上开设有形成多个一次燃烧用空气喷嘴22和多个燃料气体喷嘴23的前端部开口的孔。
本实施方式中例示了多个一次燃烧用空气喷嘴22以气体喷射面的中央部(椭圆的中心P)为中心呈点对称的方式设置左右2个、上下2个共计4个的情况。另外，沿着周向，在相邻一次燃烧用空气喷嘴22之间分别配置有燃料气体喷嘴23。
需要说明的是，标记24为背板，该背板24的形状为与管1的椭圆形状相似的椭圆形状。
(关于一次燃烧用空气)
以于1.0以下的空气比进行一次燃烧的方式，设定从所有一次燃烧用空气喷嘴22喷射的、一次燃烧用空气的空气总量mx的流量。
另外，如图5所示，本实施方式中，以将作为最上游位置的直管部的开口截面形状即椭圆的短径的轴的短轴X以椭圆的中心P为中心分别沿周向倾斜±45度而得的2条直线X1、X2作为边界，将最上游位置的直管部的开口截面假想地划分成4个区域ARA-1～ARA-4。
并且，以使从位于包含椭圆的短轴X的区域ARA-1、ARA-2的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B喷射的一次燃烧用空气的流量mt少于从位于不含椭圆的短轴X的区域(以下，也记作包含长轴Y的区域)ARA-3、ARA-4的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D喷射的一次燃烧用空气的流量的方式而设定。即，将从位于包含椭圆的短轴X的区域ARA-1、ARA-2的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B喷射的一次燃烧用空气的流量mt相对从所有一次燃烧用空气喷嘴22喷射的一次燃烧用空气的空气总量mx之比即流量比(mt/mx)设定为小于0.5。优选将流量比(mt/mx)设定为0.45以下。
另外，本实施方式中，将流量比(mt/mx)设为La2/(La2+Lb2)以上。优选将流量比(mt/mx)设为La/(La+Lb)以上。
即，本实施方式中，以满足下述式(1)的方式对一次燃烧用空气的流量分配进行设计。
La2/(La2+Lb2)≤(mt/mx)＜0.5···(1)
此处，本实施方式中，设为来自短轴X侧的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B的一次燃烧用空气的流量mt小于来自长轴Y侧的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D的一次燃烧用空气的流量的构成，并设定位于包含椭圆的短轴X的区域ARA-1、ARA-2的一次燃烧用空气喷嘴22的总开口截面积小于位于包含椭圆的长轴Y的区域ARA-3、ARA-4的次燃烧用空气喷嘴的总开口截面积，以使这两个总开口面积之比成为满足式(1)的流量比的方式进行调节。
需要说明的是，还有下述方法：设为来自短轴X侧的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B的一次燃烧用空气的流量mt小于来自长轴Y侧的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D的一次燃烧用空气的流量的构成，在短轴X侧与长轴Y侧独立地设置各燃烧用空气的供给路并分别供给燃烧用空气，或者在流路中途设定流量调节阀来调节配合比。其中，上述的调节2个喷嘴的开口面积之比为更简易的构成。
另外，优选来自相对于椭圆的中心P点对称的区域ARA-1～ARA-4(上下的区域、左右的区域)的一次燃烧用空气的流量各自为相同的量。即，将从上方的区域ARA-4供给的一次燃烧用空气的流量与从下方的区域ARA-3供给的一次燃烧用空气的流量设为相同的量。另外，将从左侧的区域ARA-1供给的一次燃烧用空气的流量与从右侧的区域ARA-2供给的一次燃烧用空气的流量设为相同的量。
(关于喷嘴的配置)
此处，图5中示例了在各4个区域ARA-1～ARA-4分别配置1个一次燃烧用空气喷嘴22的情况，但并不限于此。例如也可以在各区域ARA-1～ARA-4分别配置2个以上的一次燃烧用空气喷嘴22。
另外，图5中示例了在椭圆形的长轴Y上或短轴X上各配置一次燃烧用空气喷嘴22的情况，但并不限于此。例如各一次燃烧用空气喷嘴22也可以不配置成在长轴Y上或短轴X上重叠。
另外，图5中，作为构成各个一次燃烧用空气喷嘴22的孔的开口形状，示例了随着从椭圆的中心P向外径方向远离则周向的距离变大的扇状的形状，但并不限于此。例如，构成一次燃烧用空气喷嘴22的孔的开口形状没有特别限定，可以为除扇形状以外的形状。
另外，从椭圆的中心P至各个一次燃烧用空气喷嘴22为止的距离可以设定为从椭圆的中心P至短轴X侧的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B和从椭圆的中心P至长轴Y侧的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D为不同的距离。
(其他操作)
本实施方式的辐射管100中，从辐射管燃烧器2，沿与构成管1的最上游位置的直管部1A的轴平行的方向由各喷嘴喷射(排出)并供给燃烧用空气、燃料气体。
本实施方式为下述两级燃料方式：从燃料气体喷嘴23喷射的燃料气体与从一次燃烧用空气喷嘴22喷射的一次燃烧用空气混合并进行不完全燃烧，接着利用从二次燃烧用空气喷嘴21排出的二次燃烧用空气使经不完全燃烧的燃烧气体完全燃烧，由此减少NOx。需要说明的是，产生的燃烧气体沿管1流动。
另外，本实施方式中，对于供给的一次燃烧用空气的总量，通过使从来自短径的轴即短轴X侧的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B的一次燃烧用空气的流量mt相对地少于来自与短径正交的长径的轴即长轴Y侧的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D的一次燃烧用空气的流量，可进一步抑制燃烧引起的NOx的产生。
此处，将管1的开口截面形状设为椭圆(短径La：188mm、长径Lb：236mm)，通过使用了有限体积法的NOx生成预测模拟对流量比(mt/mx)与NOx的关系进行分析。将其结果示于图6。
图6示出了将横轴设为流量比(mx/mt)、将纵轴上mx/mt＝0.5时生成的NOx量设为1而进行归一化的情况下的NOx比(NOx生成量)。
由图6可知，相对于来自长轴Y侧的一次燃烧用空气喷嘴22C、22D的一次燃烧用空气的流量而言，来自短轴X侧的一次燃烧用空气喷嘴22A、22B的一次燃烧用空气的流量mt越少，则NOx越减少。
推测其理由为，来自相邻区域ARA-1～ARA-4的一次燃烧用空气的排出量不同，从而吹入各区域ARA-1～ARA-4空气比被调整，成为适宜的N2浓度分布，因此会抑制NOx的生成。
另一方面，将辐射管100的管形状设为椭圆形状的情况下，考虑到与被加热物的辐射面积，优选使面积相对大的短径La侧的面面向被加热物。如本实施方式那样，所谓减少喷射向短径La侧的空气量，是由于短径La侧的区域ARA-1、ARA-2中的不燃的增加，辐射管100的短径La侧的表面温度降低，传热效率可能会下降。
因此，求出流量比与短轴X上的平均燃烧气体温度的关系，结果得到图7所示的结果。
图7是求出从一次燃烧用空气喷嘴22及燃料气体喷嘴23、即从喷出面向喷射方向离开2000mm的地点处的、与流动方向垂直的截面的椭圆上的、短轴X上的平均温度的结果。
由图7可知，流量比(mx/mt)越小于0.5，短轴X侧的平均气体温度越降低。
根据上述结果，为了呈现低NOx效果且同时防止传热效率的降低，优选将流量比(mx/mt)设为La2/(La2+Lb2)以上，进一步优选流量比(mx/mt)为La/(La+Lb)以上。
如上所述，本实施方式中，提供不会对维护性能造成不良影响、不会发生中毒等引起的低NOx效果的减弱的、能够通过简易的构成减少NOx的产生的辐射管燃烧器2及辐射管100。
此处，本申请主张优先权，将日本特愿申请2020-020549(2020年02月10日申请)的全部内容通过参照成为本公开文本的一部分。此处，参考有限数量的实施方式进行了说明，但权利范围并不限于此，基于上述公开的各实施方式的改变对本领域技术人员而言是显而易见的。
附图标记
1 管
1A 最上游位置的直管部
2 辐射管燃烧器
2A 气体喷射部
3 炉壁
21 二次燃烧用空气喷嘴
22 一次燃烧用空气喷嘴
22A、22B 短轴侧的一次燃烧用空气喷嘴
22C、22D 长轴侧的一次燃烧用空气喷嘴
23 燃料气体喷嘴
ARA-1～ARA-4 区域
La 短径
Lb 长径
X 短轴
Y 长轴

Claims (5)

1.辐射管燃烧器，其特征在于，其插入至具有椭圆形状的开口截面的管而设置，并且上述辐射管燃烧器的气体喷射部中，喷射二次燃烧用空气的二次燃烧用空气喷嘴配置于中央部、并以包围上述二次燃烧用空气喷嘴的方式配置有喷射一次燃烧用空气的多个一次燃烧用空气喷嘴和喷射燃料气体的多个燃料气体喷嘴，
以将上述管的开口截面的开口截面形状即椭圆的短轴以上述椭圆的中心为中心倾斜±45度而得的2条直线作为分界，将上述管的开口截面假想地划分成4个区域，
从位于假想地划分出的上述4个区域之中的包含上述椭圆的短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量少于从位于上述4个区域之中的不含上述椭圆的短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量。
2.如权利要求1所述的辐射管燃烧器，其特征在于，
将上述椭圆的短径设为La、将与该短径正交的长径设为Lb的情况下，
从位于包含上述短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量mt相对从所有一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的空气总量mx之比即流量比(mt/mx)为La2/(La2+Lb2)以上。
3.如权利要求1或2所述的辐射管燃烧器，其特征在于，
从一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量调节是通过使位于包含上述短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴的总开口截面积小于位于不含上述椭圆的短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴的总开口截面积而构成的。
4.辐射管，其中，管的开口截面为椭圆形状，且具有权利要求1～3中任一项所述的辐射管燃烧器。
5.辐射管燃烧器的设计方法，其特征在于，上述辐射管燃烧器是插入至具有椭圆形状的开口截面的管而设置的，上述辐射管燃烧器的气体喷射部中，喷射二次燃烧用空气的二次燃烧用空气喷嘴配置于中央部、并以包围上述二次燃烧用空气喷嘴的方式配置有喷射一次燃烧用空气的多个一次燃烧用空气喷嘴和喷射燃料气体的多个燃料气体喷嘴，
以将上述管的开口截面的开口截面形状即椭圆的短轴以上述椭圆的中心为中心倾斜±45度而得的2条直线作为分界，将上述管的开口截面假想地划分成4个区域，
将上述椭圆的短径设为La、将与该短径正交的长径设为Lb的情况下，
以使从位于包含上述短轴的区域的上述一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的流量mt相对从所有一次燃烧用空气喷嘴喷射的一次燃烧用空气的空气总量mx之比即流量比(mt/mx)满足下述式(1)的方式设定来自各个一次燃烧用空气喷嘴的一次空气的吹出量，
La2/(La2+Lb2)≤(mt/mx)＜0.5···(1)。
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