CN205137443U - 旋流雾化预燃型重油燃烧器 - Google Patents

Abstract

旋流雾化预燃型重油燃烧器，主要包括渐缩喷管、垫圈、烧嘴砖和众多补风管，烧嘴砖、垫圈、渐缩喷管和油管四者中心轴线共线，油管外套装渐缩喷管，渐缩喷管与油管出口端面共面，垫圈布置在渐缩喷管与烧嘴砖之间，补风管中心轴线相互平行且在同一平面上，补风管所在平面和过烧嘴砖中心轴线垂直截面相垂直，过烧嘴砖中心轴线水平截面和补风管所在平面倾斜相交，补风管补入压缩空气使烧嘴砖内油气混合物螺旋流动。燃油工业炉窑燃烧系统节能技改可用本实用新型。应用表明：装置布置紧凑，投资少，无结焦堵塞，燃烧效率99％，节能率5％～10％，烟气污染物排放达到大气污染物综合排放标准GB16297-1996要求。

Description

旋流雾化预燃型重油燃烧器

技术领域

本实用新型涉及一种以燃烧难雾化液体燃料为主，基于旋流二次雾化和旋流预先燃烧原理的旋流雾化预燃型重油燃烧器，主要适用于燃油工业炉窑燃烧系统使用。

背景技术

推进工业绿色转型升级、提升工业能效，是贯彻落实党十八届三中全会精神，推进生态文明建设的重大措施。《大气污染防治行动计划》(国发〔2013〕37号)提出，新建高耗能项目单位产品能耗要达到国内先进水平，用能设备达到一级能效标准。《中国能源统计年鉴2013》(中国统计出版社，2013年12月)报道，2012年我国工业原油实物量消耗约4.66亿吨，占全社会原油消费的99％以上，其中六大重点行业原油消费实物量总量约4.55亿吨。燃油加热炉是消耗燃油的主要装置。目前，传统燃油加热炉热效率平均水平只有82％～89％，达到I级能效水平的高效节能环保型燃油加热炉市场占有率不高。先进燃油燃烧器是传统燃油加热炉技术升级改造和提高能效的重要条件。

传统燃油加热炉主要使用如附图3所示的一种套管式高压烧嘴(韩昭沧.燃料及燃烧(第二版)[M].北京:冶金工业出版社,1994:209-211)。该烧嘴主要包括拉伐尔喷管6和油管1，其结构特征是拉伐尔喷管6内套装油管1，油管1中心轴线和拉伐尔喷管6中心轴线共线，拉伐尔喷管6出口端面、油管1出口端面和炉腔内壁面在同一平面上。这些结构特征导致油雾化和燃烧全部在拉伐尔喷管6出口端面附近区域完成。油流出烧嘴后，在拉伐尔喷管6喷出的高速气流湍流作用下，在拉伐尔喷管6出口端面附近区域完成油雾化过程。拉伐尔喷管6喷出的高速气流湍流作用有限，雾化后油雾粒径较大，在相同炉膛内腔空间条件下油雾不完全燃烧热损失较多。在炉膛内油雾边与空气混合边发生燃烧，油所有燃烧反应均集中在喷管出口附近一小区域内完成，该区域为高温区域，火焰温度最高。该烧嘴出现火焰峰值温度，氮氧化物排放浓度高；油雾在该高温区域行程和停留时间短，燃烧不完全热损失大，单位产品燃油消耗高，甚至能看到黑色排烟，烟气中碳粒和一氧化碳排放浓度高，不能满足当今工业生产节能减排形势需要。

开发结构简单、安装方便、性能可靠、燃烧效率高和能效高的新型旋流雾化预燃型重油燃烧器，可以降低烟尘、炭黑、一氧化碳和氮氧化物等大气污染物排放，从而促进我国两型社会建设和可持续发展。

实用新型内容

为了克服传统套管式高压烧嘴仅靠拉伐尔喷管喷出的高速气流湍流作用完成所有雾化过程，在拉伐尔喷管出口附近区域完成所有油雾化和燃烧反应，烟气中炭黑、一氧化碳和氮氧化物浓度高等问题，本实用新型设计一种有“渐缩喷管内套装油管，渐缩喷管和呈圆台筒状的烧嘴砖相连接、使用多根补风管”等结构特征，“油旋流二次雾化，油雾旋流预先燃烧”等技术特点，“结构简单、安装方便、性能可靠、氮氧化物排放浓度低、燃烧效率高和能效高”等多重技术优势的旋流雾化预燃型重油燃烧器。

旋流雾化预燃型重油燃烧器，主要包括油管、渐缩喷管、垫圈、烧嘴砖和众多补风管，烧嘴砖侧壁设置点火孔，烧嘴砖、垫圈、渐缩喷管和油管四者中心轴线共线，油管外套装渐缩喷管，渐缩喷管出口端面与油管出口端面共面，垫圈布置在渐缩喷管出口端面与烧嘴砖入口端面之间，烧嘴砖入口端面、垫圈和渐缩喷管出口端面三者内径相等，渐缩喷管气流通道与烧嘴砖内腔相连通，油流出油管出口端面后即流入烧嘴砖内腔，烧嘴砖呈圆台筒状，烧嘴砖出口端面内径大于烧嘴砖入口端面内径，补风管中心轴线相互平行且在同一平面上，补风管中心轴线所在平面和通过烧嘴砖中心轴线的垂直截面相互垂直，通过烧嘴砖中心轴线的水平截面和补风管中心轴线所在平面倾斜相交，补风管气流通道与烧嘴砖内腔相连通，补风管补入的压缩空气使烧嘴砖内腔油气混合物自烧嘴砖入口端面螺旋流向烧嘴砖出口端面，最终离开烧嘴砖内腔流入炉膛内腔。

燃用重油、煤焦油或生物柴油等难雾化液体燃料的燃油工业炉窑(含锅炉)新建、节能减排技术升级改造或扩建等场所，可使用本实用新型。

实用新型经济性好，节能环保效益显著。应用表明：实用新型结构简单，投资少，安装方便，布置紧凑；无油高温结焦堵塞故障，燃烧效率高达99％以上，相对节能率5％～10％及以上，烟气中烟尘、一氧化碳、氮氧化物及碳氢化合物等污染物排放达到大气污染物综合排放标准(GB16297-1996)要求。

附图说明

图1为旋流雾化预燃型重油燃烧器通过中心轴线的竖直剖视图。

图2为旋流雾化预燃型重油燃烧器垂直于中心轴线的A-A剖视图

图3为传统套管式高压烧嘴通过中心轴线的竖直剖视图。

图1，图2和图3中，1为油管，2为渐缩喷管，3为垫圈，4为烧嘴砖，41为点火孔，5为补风管，6为拉伐尔喷管。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型作进一步的说明。

如附图1和附图2所示，旋流雾化预燃型重油燃烧器，主要包括油管1、渐缩喷管2、垫圈3、烧嘴砖4和众多补风管5。补风管5气流通道和油管1油通道均为等面积圆形通道，油管1管材和补风管5管材均为金属材料。烧嘴砖4侧壁设置点火孔41。烧嘴砖4、垫圈3、渐缩喷管2和油管1四者中心轴线共线，油管1外套装渐缩喷管2，渐缩喷管2出口端面与油管1出口端面共面。垫圈3布置在渐缩喷管2出口端面与烧嘴砖4入口端面之间，渐缩喷管2出口端面内径、垫圈3内径和烧嘴砖4入口端面内径三者相等，烧嘴砖4内腔、垫圈3内腔与渐缩喷管2气流通道相连通，油流出油管1出口端面后即流入烧嘴砖4内腔。烧嘴砖4入口端面和垫圈3连接处不漏风，垫圈3和渐缩喷管2出口端面连接处不漏风。垫圈3使得渐缩喷管2出口端面和烧嘴砖4入口端面之间的空间不漏风，阻止烧嘴砖4侧壁高温传热到渐缩喷管2侧壁。烧嘴砖4呈圆台筒状，烧嘴砖4出口端面内径大于烧嘴砖4入口端面内径。烧嘴砖4壁面为酸性耐火材料，正常工作可承受1400℃～1600℃高温作用。补风管5中心轴线相互平行且在同一平面上，补风管5呈一排布置，相邻补风管5中心轴线间距可以相等，也可以不相等。补风管5中心轴线所在平面和通过烧嘴砖4中心轴线的垂直截面相互垂直，补风管5中心轴线所在平面和通过烧嘴砖4中心轴线的水平截面倾斜相交。补风管5中心轴线所在平面和通过烧嘴砖4中心轴线的水平截面不能相互平行，也不能相互垂直。烧嘴砖4内腔壁面和通过烧嘴砖4中心轴线的竖直截面相交得到通过烧嘴砖4内腔最高点的上母线和通过烧嘴砖4内腔最低点的下母线，上下两母线位于烧嘴砖4中心轴线两侧且关于烧嘴砖4中心轴线对称，补风管5内壁面在通过烧嘴砖4中心轴线的垂直截面上的投影在上下两母线之间，补风管5内壁面在通过烧嘴砖4中心轴线的垂直截面上投影的外公切线可以是上母线，也可以是下母线。补风管5内壁面在通过烧嘴砖4中心轴线的垂直截面上投影的外公切线，可以是通过烧嘴砖4内腔最高点的烧嘴砖4内腔上母线，也可以是通过烧嘴砖4内腔最低点的烧嘴砖4内腔下母线。补风管5气流通道与烧嘴砖4内腔相连通。补风管5补入的压缩空气使烧嘴砖4内腔油气混合物自烧嘴砖4入口端面螺旋流向烧嘴砖4出口端面，最终离开烧嘴砖4内腔流入炉膛内腔。沿烧嘴砖4中心轴线自烧嘴砖4入口端面指向烧嘴砖4出口端面方向，油、空气及烟气混合物气流可以沿顺时针方向高速螺旋流出烧嘴砖4内腔，也可以沿逆时针方向高速螺旋流出烧嘴砖4内腔。

油管1通入油，渐缩喷管2通入空气，空气可由鼓风机或压缩机鼓入。渐缩喷管2空气流向渐缩喷管2出口端面过程中，空气压力势能逐渐转化为动能，流动到渐缩喷管2出口端面时空气速度达到最大值。油离开油管1出口端面即在空气高速湍流扰动作用迅速完成油第一次雾化，油变成油雾，形成油雾空气混合物。油气混合物经烧嘴砖4入口端面流进烧嘴砖4内腔。在烧嘴砖4内腔里，油气混合物受到众多补风管5切向补风形成的高强度旋流扰动作用，迅速完成粗油粒第二次雾化，油雾粒径变得更细，并使得油雾和空气进一步均匀混合。在烧嘴砖4内腔里，油气混合物接触到从烧嘴砖4侧壁点火孔41送来的固定点火源而着火，迅速完成油雾预先燃烧过程。控制渐缩喷管2空气流量和补风管5补风量，使得油雾预燃消耗掉燃油量不超过燃烧器全部燃油量的25％。油雾预燃形成的高温烟气和剩余油气混合物经烧嘴砖4出口端面高速旋流喷入炉膛内腔，最终在烧嘴砖4出口附近的炉膛内腔区域里完成剩余燃油燃烧过程。

空气从渐缩喷管2出口端面高速湍流喷出，与从油管1出口端面流出油流股在渐缩喷管2出口端面位置相遇，油表面受到空气湍流扰动冲击摩擦等作用力。由于该作用力大于油表面张力和粘性力，油破碎成分散的油粒并形成油雾，油雾形成使油总表面积增大，油气混合作用得到强化。油气混合物沿烧嘴砖4中心轴线方向流入烧嘴砖4内腔，与烧嘴砖4连通的补风管5将压缩空气沿垂直于烧嘴砖4中心轴线方向送入烧嘴砖4内腔。压缩空气与油气混合物气流垂直相遇，补风管5补入的压缩空气给烧嘴砖4内油气混合物提供旋转流动驱动力，最终在烧嘴砖4内腔里形成高强度旋转油气混合物气流。油气混合物形成高强度旋转形成的离心力作用，使油气混合物中油雾进一步破裂，从而得到更小粒径油雾，为油完全燃烧创造良好条件。

稳定点火源从烧嘴砖4侧壁点火孔41伸入烧嘴砖4内腔，油气混合物遇点火源发生着火并燃烧。在离心力作用下，烧嘴砖4内腔里油气混合物高速旋转至烧嘴砖4内壁面，烧嘴砖4内壁面附近区域为油雾富集区域，该区域集中了低于25％的油燃烧反应及释热。油预先燃烧，烧嘴砖4内壁面温度升高，油雾裂解反应加快，油着火时间缩短。油预先燃烧，可以降低烧嘴砖4喷出气流的含氧浓度，为炉膛内腔扩大燃烧火焰体积、避免局部高温区现象、避免火焰温度峰值现象和抑制热力型氮氧化物生成等，创造良好条件。

旋流雾化预燃型重油燃烧器水平安装。烧嘴砖4嵌入炉墙内，烧嘴砖4入口端面与炉墙外壁面共面，烧嘴砖4出口端面与炉墙内壁面共面，避免烧嘴砖4出口端面伸入炉膛内腔被高温烧损。烧嘴砖4入口端面和渐缩喷管2出口端面之间竖直布置垫圈3,垫圈3材质为隔热材料，阻止热量从烧嘴砖4侧壁热传导至渐缩喷管2侧壁，并保证油雾不从烧嘴砖4和渐缩喷管2之间的空间泄漏至燃烧器外。设置专用支撑架，支撑渐缩喷管2和油管1重力作用。点火运行前，需要调整油管1、渐缩喷管2和烧嘴砖4位置，使得三者中心轴线共线。正常运行过程中，油管1油、渐缩喷嘴2空气、烧嘴砖4油气混合物和补风管5压缩空气流速均较大，可避免管道内污垢的形成，燃烧器日常清洗维护工作量少。

实用新型结构创新、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：

实用新型具有“渐缩喷管2内套装油管1，渐缩喷管2和呈圆台筒状的烧嘴砖4相连接，使用多根补风管5”等结构特征。实用新型所指的燃烧器，除油管1外，还包括渐缩喷管2、垫圈3、烧嘴砖4和补风管5。烧嘴砖4入口端面与渐缩喷管2出口端面通过垫圈3密封连接，油管1出口端面伸至渐缩喷管2出口端面，烧嘴砖4侧壁设置点火孔41，补风管5补入的压缩空气使油气混合物在烧嘴砖4内腔里高速旋转。气流流动到渐缩喷管2出口端面时，气流膨胀增速过程结束，气流速度不超过当地声速。经烧嘴砖4入口端面流入烧嘴砖4内腔的油气混合物在烧嘴砖4内腔里沿烧嘴砖4方向速度略有降低，没有压力势能转化为动能过程发生。烧嘴砖4内腔为油雾第二次雾化和部分油雾预先燃烧区域。烧嘴砖4侧壁材质为耐火材料，需承受高温腐蚀，垫圈3阻止热量从烧嘴砖4侧壁热传导至渐缩喷管2金属侧壁。附图3所示的传统套管式高压烧嘴，除油管1外，主要包括拉伐尔喷管6。油管1出口端面伸至拉伐尔喷管6出口端面，拉伐尔喷管6渐扩段侧壁没有点火孔。气流流动至拉伐尔喷管6喉口截面时，气流膨胀增速过程没有结束，以致于在拉伐尔喷管6渐扩段内腔继续发生气流膨胀增速过程，即压力势能继续转化为动能过程，到拉伐尔喷管6出口端面时气流速度超过当地声速。拉伐尔喷管6渐扩段不涉及油预燃和油雾第二次雾化等问题。拉伐尔喷管6侧壁为金属材质，只能使用在低温条件。

实用新型上述结构特征直接导致“油旋流二次雾化、油雾旋流预燃”技术特征。渐缩喷管2出口端面位置完成油第一次雾化。本实用新型将油管1出口端面与渐缩喷管2出口端面置于同一竖直平面，充分利用渐缩喷管2出口端面最大的空气冲击摩擦作用力。垂直于渐缩喷管2中心轴线方向渐缩喷管2内腔截面积随气流方向逐渐减小，气流静压逐渐转化为动压，并在渐缩喷管2出口端面达到最大流速，此时空气紊流程度最大，即渐缩喷管2喷出空气对油表面作用力达到最大，使油颗粒直径达到最小水平。油雾粒径越小，表面积越大，与空气混合越好。在渐缩喷管2出口端面上，渐缩喷管2喷出的高速空气流对油管1送入的油施加冲击扰动和摩擦作用力，完成油第一次雾化。补风管5送入的压缩空气对油雾施加切向冲击摩擦离心力作用，完成油雾旋流第二次雾化。烧嘴砖4内腔里完成的油第二次雾化，有助于进一步改善油雾化质量，强化空气油雾混合。二次雾化使油被雾化成极为细小油粒，增大了油分子与空气接触的表面积，增强了油与空气的混合程度，提高了油燃烧完全程度。补风管5切向送入压缩空气，使油气混合物在烧嘴砖4内腔旋流流动，完成油雾第二次雾化和油雾预燃过程。烧嘴砖4内腔完成约25％油燃烧反应，即烧嘴砖4内腔内完成的预燃反应占全部燃烧反应份额的25％左右，剩余75％油主燃反应在炉膛内腔完成。在旋流离心力作用下，油气混合物向烧嘴砖4内腔壁面附近区域集中，使得油雾预燃反应发生在烧嘴砖4内壁表面附近区域，避免了附图3所示的传统套管式高压烧嘴在喷嘴出口处发生结焦问题。在烧嘴砖4内腔设置点火源，油雾在烧嘴砖4内腔预先燃烧消耗量不到总燃油量的25％，超过75％的剩余油雾被喷入炉膛内腔进行燃烧消耗。分级燃烧液油，可以避免炉膛内腔高温区过于集中。烧嘴砖4喷出的高速旋转气流，可以强化炉内气体混合和对流换热，促使炉膛内腔温度分布均匀。油第一次雾化在渐缩喷管2出口处瞬间完成，粗油粒第二次雾化在烧嘴砖4内腔快速完成，油第一次雾化和粗油粒第二次雾化之间时间间隔极短，空间间隔极小，另外油第二次雾化和油雾预燃同时发生在烧嘴砖4内腔，实现高效率雾化油和预燃油。附图3所示的传统套管式高压烧嘴，油雾化和全部燃烧反应均发生在拉伐尔喷管6出口端面附近区域，没有油二次雾化和油雾预燃设计。实用新型所指的重油燃烧器将拉伐尔喷管6出口端面附近区域里发生的油雾化移至渐缩喷管2出口端面附近区域即烧嘴砖4内腔里发生，并在烧嘴砖4内腔通过压缩空气强旋流途径增加油雾第二次雾化，进一步降低喷入炉膛内腔的油雾颗粒粒径，强化油雾化过程。实用新型所指的重油燃烧器集成分级燃烧原理，将拉伐尔喷管6出口端面附近区域里发生的油雾燃烧部分移至渐缩喷管2出口端面附近区域即烧嘴砖4内腔里发生，实现部分油雾预先燃烧，降低烧嘴砖4出口端面附近区域里油雾燃烧释热强度，从而降低烧嘴砖4出口端面附近区域油雾燃烧火焰最高温度、降低热力型氮氧化物生成。部分油雾在烧嘴砖4内腔预燃，有助于抑制氮氧化物生成，提高燃烧完全程度，降低烟气中炭黑及一氧化碳排放浓度。

上述结构特征和两个技术特征带来的综合技术效果是二次油雾化和预燃在一个内腔、短的距离和短的时间内完成，装置设计简化、装置体积缩小、投资降低；油燃烧物理化学条件得到改善，油雾化效果更好，入炉油雾粒径小，油着火提前，油气混合更充分均匀，油气混合物在炉内停留时间和行程延长；炉膛内腔温度分布均匀，实现了快速加热，减少了氧化烧损，抑制了氮氧化物生成；避免了油燃烧过程中的结焦堵塞问题；装置能效得到提升，单位产品油消耗降低；油燃烧效率高，烟气中炭黑、一氧化碳、碳氢化合物等污染物排放浓度降低。

燃用重油、煤焦油或生物柴油等难雾化液体燃料的燃油工业炉窑(含锅炉)新建、节能减排技术升级改造及扩大产能等项目，均可使用本实用新型。

实用新型应用表明：实用新型投资少，安装方便，布置紧凑；可以解决工业炉窑液体燃料燃烧炭黑、一氧化碳、氮氧化物排放超标等污染环境问题，使烟气污染物排放低于《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)、《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)和《工业炉窑大气污染物排放标准》(GB9078-1996)排放水平；可以解决工业炉窑液体燃料燃烧中存在的油结焦问题；装置能效提高5％～10％，油燃烧效率达到99％以上。

Claims (2)

1.旋流雾化预燃型重油燃烧器，主要包括油管、渐缩喷管、垫圈、烧嘴砖和众多补风管，其特征在于：烧嘴砖侧壁设置点火孔，烧嘴砖、垫圈、渐缩喷管和油管四者中心轴线共线，油管外套装渐缩喷管，渐缩喷管出口端面与油管出口端面共面，垫圈布置在渐缩喷管出口端面与烧嘴砖入口端面之间，烧嘴砖入口端面、垫圈和渐缩喷管出口端面三者内径相等，渐缩喷管气流通道与烧嘴砖内腔相连通，油流出油管出口端面后即流入烧嘴砖内腔，烧嘴砖呈圆台筒状，烧嘴砖出口端面内径大于烧嘴砖入口端面内径，补风管中心轴线相互平行且在同一平面上，补风管中心轴线所在平面和通过烧嘴砖中心轴线的垂直截面相互垂直，通过烧嘴砖中心轴线的水平截面和补风管中心轴线所在平面倾斜相交，补风管气流通道与烧嘴砖内腔相连通，补风管补入的压缩空气使烧嘴砖内腔油气混合物自烧嘴砖入口端面螺旋流向烧嘴砖出口端面，最终离开烧嘴砖内腔流入炉膛内腔。

2.如权利要求1所述的旋流雾化预燃型重油燃烧器，其特征在于：所述的补风管内壁面在通过所述的烧嘴砖中心轴线的垂直截面上投影的外公切线，可以是通过所述的烧嘴砖内腔最高点的烧嘴砖内腔上母线，也可以是通过所述的烧嘴砖内腔最低点的烧嘴砖内腔下母线。