TWI640737B - Structure of regenerative combustion furnace body - Google Patents

Abstract

本發明為一種蓄熱式燃燒爐體之結構，將蓄熱模組與燃燒機分離，並 整合煙道於爐體內，提高現場空間利用彈性，其在燃燒系統之主爐體內之燃燒室的一側設置廢氣煙道，以及預熱空氣通道。廢氣煙道延伸至換向切換模組，再傳輸至蓄熱艙，藉由蓄熱艙內蓄熱磚取出廢熱並將熱能儲存蓄熱，經由系統切換，再將新鮮空氣通過蓄熱磚進行預熱，再通過換向切換模組，將預熱新鮮空氣從通道送至蓄熱式燃燒器。因高溫預熱空氣可提供高能量，協助降低燃料使用，加上透過集中式排氣優於傳統蓄熱式燃燒系統，可增進爐內對流，有效提高爐底溫度，達到確保被加熱物之加熱性與減少加熱時間等效益，因而降低燃燒成本。

Description

蓄熱式燃燒爐體之結構

本發明相關於一種蓄熱式燃燒系統，特別是相關於一種廢氣重新利用之燃燒系統。

蓄熱燃燒技術是利用陶瓷材料作為熱交換的介質，透過吸取燃燒後的高溫廢氣熱能，並用來預熱燃燒所需的空氣；藉由陶瓷材料的高蓄熱能力特性，可將燃燒空氣預熱至廢氣溫度的80%以上，因此使得火焰的穩定區域擴大，有助於火焰穩定性提昇。此外，一般蓄熱燃燒技術是採用交替式的燃燒方式，此交替式的燃燒方式，不但可促進加熱爐內熱流場的均勻化，更可大幅提高加熱爐內的平均熱通量，而獲致高效率的熱傳目的。

傳統蓄熱式燃燒系統(High-cycle Regenerative System,HRS)主要由燃燒器、蓄熱體及切換機構等3者組合而成，蓄熱式燃燒器因燃燒器內部即包含蓄熱再生器系統，故一組蓄熱式燃燒器必須有兩支燃燒器來做為週期性交互切換燃燒，由於燃燒器本身可做為排氣之通道，在燃燒器內部有安置陶瓷蓄熱體做為高溫煙氣廢熱回收的載具。

傳統蓄熱式燃燒系統為週期性的交互切換燃燒，其運轉動作為：當A燃燒器燃燒時，B燃燒器便做為高溫煙氣的排放通道，並將高溫煙氣中的熱能蓄積在B燃燒器裡的陶瓷材料中，而在下一個切換運轉時，B燃燒器開始運轉燃 燒，並利用空氣將B燃燒器陶瓷中的熱能取出當作燃燒之用；此時A燃燒器為高溫煙氣的排放通道，並將煙氣中的熱能回收在A燃燒器的陶瓷材料裡。

蓄熱室成對安裝在加熱爐兩側(或同側)，蓄熱室內裝有陶瓷蜂窩蓄熱體(或陶瓷小球)，常溫空氣和高溫廢氣通過換向閥切換交替進入蓄熱室，首先高溫煙氣通過一側蓄熱室，高溫煙氣中的熱量將蓄熱室中的蓄熱體加熱，並將熱量儲存在蓄熱體中，當蓄熱體儲滿熱量後，通過切換空氣進入儲滿熱量的蓄熱室，常溫空氣經過被加熱的蓄熱室1時被加熱，至爐膛溫度以下150-250℃，加熱後的高溫熱空氣進入爐膛或在燃燒室內與燃料混合參與燃燒，與此同時爐膛內燃燒後的廢氣經過另一側蓄熱室2排入大氣，高溫熱煙氣經過蓄熱室2時將熱量又儲存在蓄熱體內，煙氣放熱並降溫，然後以150℃~200℃的低溫煙氣經過四通換向閥由引風機排出。利用四通換向閥以一定的時間(30s~180s)使煙氣和空氣進行周期切換，從而使兩側蓄熱室交替工作，實現連續供風和排煙。

蓄熱燃燒在工業爐上的應用原理與特色為熱通量分佈較均勻，傳統的加熱爐大多將燃燒器設置於某一固定位置作連續性的燃燒，此一位置的決定必須考量燃燒器與被加熱物的相對關係，使被加熱物及爐體不會位於熱點上。此類型的溫度分佈和熱通量分佈一樣，其最高點均位於火焰基部，然後沿著火焰中心軸往下游的方向逐漸降低，分佈較不均。而蓄熱燃燒則採用偶數燃燒器作間歇性的對燒，若從整個爐體的空間分佈來看，每一個區域在某一瞬間的熱通量因燃燒器的開啟而超過最大容許值，在下一瞬間又因燃燒器的關閉而下降，如此週期性交互切換的結果，熱通量的時間平均值分佈相當均勻，且落在被加熱物及爐體可容許的範圍內，不致有過熱現象，對於爐體空間大而溫度均勻性要求高的工業加熱系統而言，蓄熱燃燒的特性應可符合此一要求。

另一特色為可改善加熱系統的熱效率，傳統的加熱系統常應用換熱型熱交換器來回收高溫爐氣中的熱能。此類型的熱交換器其溫度效率約在70%左右，若欲提昇熱效率，則必須增加熱傳面積並使用熱傳導率高的金屬材料方有可能，然此種材料往往價格昂價且有耐熱性的問題，所以極少被採用。蓄熱燃燒之蓄熱體則應用非衡定熱傳模式，隨著燃燒器的切換動作，蓄熱體周期性地扮演自燃氣吸收熱能及將熱能傳遞給空氣的角色；由於此種熱傳方式的最大熱通量發生於蓄熱體受熱或放熱的初期，故降低切換周期將有助於系統持續在高熱通量的環境下運轉。研究中顯示蓄熱燃燒熱回收之溫度效率隨著切換時間的降低而提昇，當切換時間小於30秒時，其溫度效率最高可達90%以上，且爐氣最終排放溫度維持在200℃以下。

目前在台灣也已將蓄熱式燃燒系統應用於許多場合，它的優點在於熱能回收效率高出傳統復熱式熱交換器許多，是一項更具優勢的廢熱回收節能技術；除此之外，也因為它的燃燒方式不同於以往的燃燒模式，因此可提升工業加熱爐膛的加熱性能及其產品的品質。蓄熱式燃燒其高效率燃燒節能主要的方法，是對燃燒後排放的煙氣進行熱回收，回收的熱能普遍應用於預熱燃燒空氣，以減少燃料的消耗，故蓄熱式燃燒系統是現行加熱效率最高的燃燒設備，也是未來降低工業爐耗能，解決二氧化碳排放量的最佳選擇。

本發明之一目的，即在提供一種蓄熱式燃燒爐體之結構，係為降低習知之分離式蓄熱式燃燒系統空間，本發明整合爐體與煙道，以減少蓄熱系統空間，滿足現場空間限制。

本發明之一目的，即在提供一種蓄熱式燃燒爐體之結構，係為提高爐體升溫性能及爐溫穩定性，利用爐壁擋火磚後之隔熱層作為空氣管道，爐體升溫時，由於預熱空氣導入，可提高爐體加熱性；爐體持溫時，由於該區溫度與預熱空氣近似，可雙向提供爐內保溫以及穩定燃燒預熱空氣溫度。

本發明提供一種蓄熱式燃燒爐體之結構，其包含：一主爐體，其具有一燃燒室，該燃燒室之上方設置至少一燃燒機，該燃燒機之噴焰口置於該燃燒室內，且連通該燃燒室，該燃燒室之下方連通一廢氣煙道；以及至少一蓄熱艙，其係設置於該主爐體之一側，其係透過一換向切換模組連通該廢氣煙道，且該換向切換模組設置於該至少一蓄熱艙之一側，該至少一蓄熱艙係設置一蓄熱艙低溫區進/排氣口；其中，進一步包含一預熱空氣通道，其係設置於該主爐體內，該預熱空氣通道係連通該換向切換模組與該燃燒機一側之一混合氣體口。

本發明之一實施例中，更包含至少一氣體供應單元，其連接該蓄熱艙與蓄熱式燃燒機，以輸入燃燒所需之助燃空氣至該燃燒機。

本發明之一實施例中，其中該換向切換模組包含：一連接部，其連接該廢氣煙道之另一端；一第一管體，其連接該連接部；以及一成對之第二管體，其一端連接該第一管體，另一端連接一蓄熱艙。

本發明之一實施例中，其中該換向切換模組包含：一連接部，其連接該廢氣煙道之另一端；一第一管體，其連接該連接部；一切換閥體；以及至少一第二管體，其一端連接該第一管體，另一端連接該至少一蓄熱艙與該預熱空氣通道；其中，該換向切換模組依據該蓄熱艙之蓄熱溫度，作動該一切換閥體。

本發明之一實施例中，其中該燃燒室之底部連通該廢氣煙道。

本發明之一實施例中，其中該廢氣煙道遠離該燃燒室之開口的一端連接該換向切換模組。

本發明之一實施例中，其中該換向切換模組位於該燃燒室與該蓄熱艙之間的夾角。

10‧‧‧蓄熱式燃燒爐體之結構

12‧‧‧主爐體

122‧‧‧燃燒室

122o‧‧‧燃燒室之爐門開口

124‧‧‧爐門

126‧‧‧排氣閘道

128‧‧‧預熱空氣通道

128o‧‧‧混合氣體口

128a‧‧‧預熱空氣暫存區

14‧‧‧廢氣煙道

142‧‧‧高溫廢氣通道

144‧‧‧耐熱內側壁

16‧‧‧換向切換模組

162‧‧‧連接部

162T‧‧‧連接流道

164‧‧‧第一管體

164T‧‧‧第一管道

164C‧‧‧第一連接部

166‧‧‧第二管體

166a‧‧‧切換閥體

166T‧‧‧第二管道

166C‧‧‧第二連接部

18‧‧‧蓄熱艙

186‧‧‧蓄熱艙低溫區進/排氣口

20‧‧‧氣體供應單元

202‧‧‧氣體傳輸管

A‧‧‧空氣

f1‧‧‧第一燃燒機

f2‧‧‧第二燃燒機

fo2‧‧‧第二燃燒機之噴焰口

Ht1‧‧‧第一熱傳路徑

Ht2‧‧‧第二熱傳路徑

Ht3‧‧‧第三熱傳路徑

Ht4‧‧‧第四熱傳路徑

Ht5‧‧‧第五熱傳路徑

Ht6‧‧‧第六熱傳路徑

Ht7‧‧‧第七熱傳路徑

第1圖為本發明之蓄熱式燃燒系統之立體圖；第2圖為本發明之蓄熱式燃燒系統之前視圖；第3圖為本發明之蓄熱式燃燒系統之剖視圖；第4圖為本發明之氣體蓄熱示意第一圖；以及第5圖為本發明之氣體蓄熱示意第二圖。

以下根據第1圖至第5圖，分別為本發明之蓄熱式燃燒系統之立體圖、前視圖、剖視圖與後視圖，而說明本發明的實施方式。該說明並非為限制本發明的實施方式，而為本發明之實施例的一種。

請參閱第1圖至第4圖，如第1圖與第2圖所示，本發明之蓄熱式燃燒系統10包含一主爐體12、一換向切換模組16與成對之蓄熱艙18、至少一氣體供應單元20，其中該些氣體供應單元20包含至少一氣體傳輸管202，如第3圖與第4圖所示，主爐體12設有一燃燒室122、一廢氣煙道14、一爐門124、一排氣閘道126與一預熱空氣暫存區128o之一預熱空氣通道128，廢氣煙道14設有一熱傳通 道142與一煙道內側壁144，換向切換模組16包含一連接部162、一第一管體164與複數第二管體166，其中第一管體164包含一第一管道164T與複數第一連接部164C，第二管體166包含一第二管道166T、一第二連接部166C與一切換閥體166a。

復請參閱第1圖，燃燒室122係設置於廢氣煙道14之上方，也就是廢氣煙道14設置於燃燒室122之一側，且燃燒室122與廢氣煙道14相接。

復請參閱第2圖至第4圖，爐門124設置於燃燒室122之開口122o，至少一燃燒機設置於主爐體12之二側，本實施例中，主爐體12係設置一第一燃燒機f1與一第二燃燒機f2。如第3圖所示，本實施例中，由於剖視圖，面向燃燒室122內之一側，因此以第二燃燒機f2之噴焰口fo2連通燃燒室122作為舉例，且第一燃燒機f1與第二燃燒機f2皆設置於主爐體12，同理，第一燃燒機f1之噴焰口(圖未示)亦是連通燃燒室122。。本發明之蓄熱式燃燒系統更包含一氣體供應單元20，其設有至少一氣體傳輸管202，一端連接該氣體供應單元20，另一端連接第一燃燒機f1、第二燃燒機f2，藉此將低溫空氣與高溫空氣傳輸至第一燃燒機f1與第二燃燒機f2。

接續上述，排氣閘道126設置於燃燒室122之底部，並連接廢氣煙道14之熱傳通道142之一端，因此燃燒室122亦是連接至廢氣煙道14之熱傳導通道142之一端，一預熱空氣通道128設置於遠離燃燒室122之開口122o之一側，且預熱空氣通道128之一端連接噴焰口f1o與噴焰口f2o，另一端連接換向切換模組16之第二管體166，且有一預熱空氣暫存區128o。熱傳導通道142之另一端為連接換向切換模組16之連接部162，也就是該廢氣煙道14遠離該燃燒室122之開口122o的一端連接換向切換模組16，且熱傳通道142連通連接部162之連接流道162T，進而透過連接流道162T連接至第一管體164，且連接流道162T亦是連通第 一管道164T，如第4圖所示，第一管體164經複數第一連接部164C連接至該些第二管體166，因而如第3圖所示，第一管體164之第一管道164T經第一連接部164C連接至第二管體166之第二管道166T。再者，位於第一管體164左右二側之第二管體166分別透過第二連接部166C連接至該些蓄熱艙18，且內部設有一切換閥體166a，本實施例中，該換向切換模組16與該些蓄熱艙18皆遠離燃燒室122之開口122o。

此外，本實施例所述之第一燃燒機f1、第二燃燒機f2與氣體供應單元20之數量與蓄熱艙18之數量對應，亦可使用至少成對蓄熱艙18連通該些燃燒機f1、f2與該些氣體供應單元20，本實施例係為燃燒均勻度使用複數燃燒機f1、f2，如有克服此問題之燃燒機，亦可使用至少一燃燒機搭配至少一氣體供應單元20。

再次參閱第3圖至第5圖，燃燒室122於燃燒待燒物後，生成一高溫空氣(熱空氣)依據一第一廢氣路徑Ht1向熱廢氣煙道14中傳導，再依據一第二廢氣路徑Ht2將高溫空氣傳至熱廢氣煙道14遠離燃燒室122之開口122o的另一端。第三熱傳廢氣路徑Ht3將熱廢氣煙道14之高溫廢氣通過連接部162之連接管道162T傳送至第一管體164之第一管道164T，第一管體164T所傳導之高溫廢氣依據一第四熱傳路徑Ht4經第一連接部164C傳送至第二管體166之第二管道166T。依據一第五熱傳導路徑Ht5將第二管體166中所傳導之高溫空氣經第二連接部166C傳送至蓄熱艙18，同時該高溫空氣與蓄熱艙18之蓄熱艙低溫區進/排氣口186進入之空氣A混合。

接續上述，於本實施例中同時設置二蓄熱艙18，換向切換模組16依據二蓄熱艙18之蓄熱溫度開關切換閥體166a，當其中一側之蓄熱艙18蓄熱溫到 達時，應側之切換閥體166a往上，開啟應側之預熱空氣暫存區128o，關閉對應側之第一管體164之第一連接部164C，再由第六熱傳路徑Ht6將部分殘存之廢氣與後續送入之空氣經過氣混合氣體口128o在預熱空氣暫存區128a混合後，再由第七熱傳路徑Ht7送出預熱空氣通道128，並將混合空氣分別送出噴焰口f1o、f2o，當其中一側蓄熱艙18之蓄熱溫度降低時，該側之切換閥體166a往下，第一連接部164C開啟並依據第四熱傳路徑Ht4傳導之高溫廢氣，傳送至對應側之第二管體166之第二管道166T，並依據第五熱傳路徑Ht5將第二管體166中所傳導之高溫廢氣經第二連接部166C傳送至蓄熱艙18，以加溫蓄熱艙18之溫度；本實施例中換向切換模組16之二切換閥體166a係，其中一側切換閥體166a往上時，另一側之切換閥體166a往下，形成交互作動。

綜上所述，本發明之蓄熱式燃燒系統，將蓄熱模組與燃燒機分離，並整合煙道於爐體內，提高現場空間利用彈性。傳統蓄熱式燃燒系統採交替燃燒作法，無法持續且均勻提供燃燒火力，本發明利用設置煙道提供廢氣出口，可提供爐內空氣強制對流，有效提高爐底溫度，確保被加熱物之加熱性，縮小爐內溫差在±20℃以內，且利用爐壁擋火磚後之隔熱層作為空氣管道，爐體升溫時，由於預熱空氣導入，可提高爐體加熱性；爐體持溫時，由於該區溫度與預熱空氣近似，可雙向提供爐內保溫以及穩定燃燒預熱空氣溫度等優點。因為考量到高溫對於燃燒機本身的影響，使蓄熱燃燒強制對流及高溫預熱空氣可加強爐內均溫性。如此能夠降低溫度差對於燃燒機的影響，並可減少燃料耗用。利用提供低溫區升溫段及高溫區蓄熱燃燒段不同加熱火力，可依爐型及加熱要求定義切換溫度，系統升溫段加熱效率為500-800℃/小時，燃料蓄熱節能效率達到 30%以上。於另一實施例中，更使用保溫層，整合爐體與煙道，以減少蓄熱系統空間30%以上，滿足現場空間限制。

以上之敘述以及說明僅為本發明之較佳實施例之說明，對於此項技術具有通常知識者當可依據以下所界定申請專利範圍以及上述之說明而作其他之修改，惟此些修改仍應是為本發明之精神而在本發明之權利範圍中。

Claims (6)

1. 一種蓄熱式燃燒爐體之結構，其包含：一主爐體，其具有一燃燒室，該燃燒室之上方設置至少一燃燒機，該燃燒機之噴焰口置於該燃燒室內，且連通該燃燒室，該燃燒室之下方連通一廢氣煙道；以及至少一蓄熱艙，其係設置於該主爐體之一側，其係透過一換向切換模組連通該廢氣煙道，且該換向切換模組設置於該至少一蓄熱艙之一側，該至少一蓄熱艙係設置一蓄熱艙低溫區進/排氣口；其中，進一步包含一預熱空氣通道，其係設置於該主爐體內，該預熱空氣通道係連通該換向切換模組與該燃燒機一側之一混合氣體口。
2. 如請求項1所述之蓄熱式燃燒爐體之結構，更包含至少一氣體供應單元，其連接該蓄熱艙與蓄熱式燃燒機，以輸入燃燒所需之助燃空氣至該燃燒機。
3. 如請求項1所述之蓄熱式燃燒爐體之結構，其中該換向切換模組包含：一連接部，其連接該廢氣煙道之另一端；一第一管體，其連接該連接部；一切換閥體；以及至少一第二管體，其一端連接該第一管體，另一端連接該至少一蓄熱艙與該預熱空氣通道；其中，該換向切換模組依據該蓄熱艙之蓄熱溫度，作動該一切換閥體。
4. 如請求項1所述之蓄熱式燃燒爐體之結構，其中該燃燒室之底部連通該廢氣煙道。
5. 如請求項1所述之蓄熱式燃燒爐體之結構，其中該廢氣煙道遠離該燃燒室之開口的一端連接該換向切換模組。
6. 如請求項1所述之蓄熱式燃燒爐體之結構，其中該換向切換模組位於該燃燒室與該蓄熱艙之間的夾角。