TWI784805B - 蓄熱式平焰燃燒器 - Google Patents

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徐愷呈
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Abstract

一種蓄熱式平焰燃燒器包含本體、蓄熱腔、進氣口、渦旋氣體產生腔、縮口部、混合通道、燃燒噴嘴、及點火裝置。蓄熱腔設於本體中且配置以容置蓄熱體。進氣口連通蓄熱腔且配置以供助燃空氣進入蓄熱腔。渦旋氣體產生腔連通蓄熱腔且配置以使助燃空氣形成渦旋。縮口部連通渦旋氣體產生腔且配置以加速助燃空氣。混合通道連通縮口部且設有數個燃氣通道。燃氣通道配置以供燃氣進入混合通道並形成混合氣體。燃燒噴嘴連通混合通道且配置以供混合氣體沿其內側面延伸噴出燃燒噴嘴。點火裝置設於混合通道與燃燒噴嘴連接處且配置以點火使混合氣體燃燒。

Description

蓄熱式平焰燃燒器
本揭露是有關於一種燃燒裝置，且特別是有關於一種蓄熱式平焰燃燒器。
傳統燃燒器在進行燃燒時，幾乎完全仰賴燃燒燃料所產生之能量，無法再利用燃燒所產生之高溫廢氣，因此熱效率較低且浪費能源。另外，高溫之廢氣排放亦會造成環境的高溫及汙染，需額外的設備來處理才能進行排放，進而產生額外的設備成本。
而對於一般蓄熱式燃燒器，助燃冷空氣經過蓄熱體預熱後溫度已高達約1000℃，再加上點火燃燒後，溫度可直達約1300℃。在如此高的溫度下進行燃燒，容易使空氣中的氮成分參與反應而產生NO x排放，進而造成空氣汙染。因此，亟需一種能夠解決上述問題之燃燒器。
因此，本揭露之一目的就是在提供一種蓄熱式平焰燃燒器，其搭配蓄熱模組回收工業爐內之高溫廢氣，可將回收之高溫廢氣的熱能用來預熱助燃冷空氣，如此既可減少廢氣排放，亦可達到節能的效果。
本揭露之另一目的就是在提供一種蓄熱式平焰燃燒器，其利用渦旋氣體產生腔與縮口部的設計，可有效提升助燃空氣形成之旋風氣流的旋轉能力及噴出速度，而可達到平焰燃燒的效果。藉此，可增加空間利用率，並滿足工件與火焰不接觸的製程。
本揭露之又一目的就是在提供一種蓄熱式平焰燃燒器，其將燃氣噴口設置於點火裝置前，可縮短燃氣與助燃空氣之混合時間，而可減少燃氣混合比例。藉此，可以二次擴散燃燒的方式減少高溫助燃氣體燃燒所產生之NO x，而可改善因預熱空氣所導致之NO x排放問題。
根據本揭露之上述目的，提出一種蓄熱式平焰燃燒器。此蓄熱式平焰燃燒器包含本體、蓄熱腔、進氣口、渦旋氣體產生腔、縮口部、混合通道、燃燒噴嘴、及點火裝置。蓄熱腔設於本體中，且配置以容置至少二個蓄熱體。進氣口穿設於本體之側壁中，且流體連通蓄熱腔。進氣口配置以供助燃空氣進入蓄熱腔。渦旋氣體產生腔透過氣體通道流體連通蓄熱腔，且配置以使助燃空氣形成渦旋。縮口部流體連通渦旋氣體產生腔，且配置以加速來自渦旋氣體產生腔之助燃空氣。混合通道流體連通縮口部，其中混合通道穿設有數個燃氣通道。燃氣通道配置以供燃氣進入混合通道並與助燃空氣形成混合氣體。燃燒噴嘴流體連通混合通道，且配置以供混合氣體沿燃燒噴嘴之內側面延伸噴出燃燒噴嘴，其中燃燒噴嘴與縮口部分別連接混合通道之相對二側。點火裝置鄰設於混合通道與燃燒噴嘴連接處，且配置以點火使混合氣體燃燒。
依照本揭露之一實施例，上述至少二個蓄熱體配置以預熱進入上述蓄熱腔之助燃空氣。
依照本揭露之一實施例，上述氣體通道與上述渦旋氣體產生腔之側壁相切。
依照本揭露之一實施例，上述氣體通道流體連通上述蓄熱腔之開口的面積為上述蓄熱腔之截面積之約25%至約35%。
依照本揭露之一實施例，上述渦旋氣體產生腔包含圓環內側面，通過上述氣體通道之助燃空氣沿圓環內側面旋轉，以產生上述渦旋。
依照本揭露之一實施例，上述每個燃氣通道之出口與上述混合通道之內側面相切，以使上述燃氣沿上述混合通道之內側面的切線方向進入上述混合通道。
依照本揭露之一實施例，上述燃氣通道更配置以使上述燃氣進入上述混合通道之方向與上述助燃空氣於上述渦旋氣體產生腔所形成之上述渦旋的旋轉方向相同。
依照本揭露之一實施例，上述燃燒噴嘴之徑向尺寸從上述連接處至上述燃燒噴嘴之噴口漸增。
依照本揭露之一實施例，上述縮口部之徑向尺寸從上述渦旋氣體產生腔至上述混合通道漸縮。
依照本揭露之一實施例，上述燃氣通道與上述點火裝置沿上述混合通道之長度方向的距離等於或大於5公分。
以下仔細討論本揭露之實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論與揭示的實施例僅供說明，並非用以限定本揭露之範圍。本揭露的所有實施例揭露多種不同特徵，但這些特徵可依需求而單獨實施或結合實施。
另外，關於本文中所使用之「第一」、「第二」、…等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。
請參照圖1，圖1係繪示依照本揭露之一實施方式之一種蓄熱式平焰燃燒器的結構示意圖。如圖1所示，在此實施方式中，蓄熱式平焰燃燒器100主要可包含本體110、蓄熱腔120、進氣口130、渦旋氣體產生腔140、縮口部150、混合通道160、燃燒噴嘴170、及點火裝置180。本實施方式之蓄熱式平焰燃燒器100主要可適用於工業爐，例如燒結爐、固熔爐、熱處理爐等中，故，在本實施方式中，本體110可由可耐高溫之適合材料所製成。在一些例子中，本體110可由可耐溫度約1400℃以上的耐火材料所製成。
蓄熱腔120可設於本體110中，且可用於容置至少二個蓄熱體(未示出)。具體而言，蓄熱腔120可為蓄熱式平焰燃燒器100之本體110中的內部空間，且可供放置蓄熱體。在本實施方式中，蓄熱體可為任意適合的蓄熱材料。在一些例子中，蓄熱體可包含抗熱震蓄熱磚、高效蓄熱磚等蓄熱材料。在一些其他例子中，蓄熱體可更包含擋火磚。這些蓄熱體可透過傳輸切換機構(未示出)的運作，來交替地進行蓄熱與預熱助燃空氣。具體而言，透過傳輸切換機構，這些蓄熱體中之一或多個可先藉由燃燒所產生之爐內高溫廢氣進行蓄熱，待一段時間，例如約40秒後，可使冷助燃空氣通過此一或多個蓄熱體，藉以預熱助燃空氣，使助燃空氣之溫度提升，而有利於進行燃燒。在此期間，其餘之蓄熱體可進行反向的運作。如此，透過傳輸切換機構可使此至少二個蓄熱體重複地進行蓄熱與預熱冷助燃空氣，而可達成減少高溫廢氣排放，及減少能源消耗之目的。
在一些例子中，如圖1所示，進氣口130穿設於本體110之側壁中，而流體連通蓄熱腔120。助燃空氣132可經由進氣口130進入蓄熱式平焰燃燒器100之本體110中的蓄熱腔120。需注意的是，雖然在圖1所示之例子中，進氣口130穿設於本體110之側壁中，但在其他例子中，進氣口130可設於本體110之任意適合的位置，只要助燃空氣132可透過進氣口130進入本體110中之蓄熱腔120，且為蓄熱體所預熱即可。在一些其他例子中，進氣口130亦可位於蓄熱腔120之上方，即進氣口130穿設於蓄熱腔120上方之本體110的部分中，使得助燃空氣132可以由上往下，即沿方向D1進入本體110中之蓄熱腔120。進氣口130亦可穿設於本體110之其他側壁中，例如進氣口130設置在本體110之可使助燃空氣132沿進出圖1的方向進入本體110中之蓄熱腔120的側壁中。
渦旋氣體產生腔140可透過氣體通道135流體連通蓄熱腔120。助燃空氣132經過蓄熱腔120中之蓄熱體預熱後，可進入渦旋氣體產生腔140。請同時參照圖2，圖2係繪示沿圖1之剖面線AA’之蓄熱式平焰燃燒器的剖面視圖。如圖2所示，在一些例子中，氣體通道135可與渦旋氣體產生腔140之側壁140w相切。具體而言，當助燃空氣132從蓄熱腔120進入渦旋氣體產生腔140時，可先經由第一開口135o1進入氣體通道135，再經由第二開口135o2離開氣體通道135，並進入渦旋氣體產生腔140。在一些例子中，氣體通道之第一開口135o1之面積可為蓄熱腔120之截面積之約25%至約35%。
渦旋氣體產生腔140可使助燃空氣132形成渦旋132v。在一些示範例子中，渦旋氣體產生腔140可包含圓環內側面140s，當助燃空氣132進入氣體通道135時，助燃空氣132可沿氣體通道135之內側面135s流動。由於氣體通道135與渦旋氣體產生腔140之側壁140相切，當助燃空氣132經由第二開口135o2進入渦旋氣體產生腔140時，助燃空氣132可順著氣體通道135之內側面135s而沿渦旋氣體產生腔140之圓環內側面140s流動，藉以形成渦旋132v。換言之，因為氣體通道135之第一開口135o1的面積較蓄熱腔120之截面積小，故助燃空氣132經過第一開口135o1進入氣體通道135時可產生加速作用，使得助燃空氣132經由第二開口135o2進入渦旋氣體產生腔140時可進一步沿渦旋氣體產生腔140之圓環內側面140s流動，進而形成渦旋132v。
請繼續參照圖1，縮口部150可流體連通渦旋氣體產生腔140與混合通道160，且介於渦旋氣體產生腔140與混合通道160之間。助燃空氣132形成渦旋132v後，可接著經由縮口部150進入混合通道160。也就是說，在助燃空氣132於蓄熱式平焰燃燒器100中的流動方向上，縮口部150係位於渦旋氣體產生腔140的下游，而混合通道160位於縮口部150的下游。在一些示範例子中，縮口部150之徑向尺寸從渦旋氣體產生腔140至混合通道160漸縮。換言之，縮口部150之第一開口150o1的徑向尺寸大於縮口部150之第二開口150o2之徑向尺寸。此外，縮口部150之內側面150s可從第一開口150o1之端部朝第二開口150o2之端部延伸，而形成實質縮口的結構。在一些例子中，為了延續渦旋132v之旋轉，縮口部150可較佳地為一部分之圓錐體結構。
類似於氣體通道135之第一開口135o1，在本實施方式中，縮口部150可用以加速來自渦旋氣體產生腔140之助燃空氣132所形成的渦旋132v。當助燃空氣132從第一開口150o1進入縮口部150，再由第二開口150o2離開縮口部150進入混合通道160時，由於縮口部150之第一開口150o1之徑向尺寸大於縮口部150之第二開口150o2之徑向尺寸，助燃空氣132所產生之渦旋132v可因為縮口部150之截面積由較大的第一開口150o1漸縮成較小的第二開口150o2而加速。
助燃空氣132所形成之渦旋132v經縮口部150加速後進入混合通道160。在一些示範例子中，混合通道160穿設有數個燃氣通道165。燃氣通道165可供燃氣162進入混合通道160。請參照圖3，圖3係繪示沿圖1之剖面線BB’之蓄熱式平焰燃燒器的剖面視圖。在一些例子中，混合通道160穿設有三個等距排列的燃氣通道165。在圖3所示之例子中，燃氣通道165之數量為三個。然而，在一些其他例子中，可依照需求，而在混合通道160中設置任意適合數量的燃氣通道165。在本實施方式中，燃氣通道165之出口165e可與混合通道160之內側面160s相切，以使燃氣162可沿混合通道160之內側面160s的切線方向進入混合通道160。
燃氣162進入混合通道160後，可與助燃空氣132所形成之渦旋132v形成混合氣體。在本實施方式中，期望燃氣162與助燃空氣132混合的比例越低越好，如此可有利於後續點火後之二次擴散燃燒，以預防因預熱助燃空氣132所導致之NO x問題。因此，在一些示範例子中，燃氣通道160之出口165e與混合通道160之內側面160s相切的方向，即燃氣162沿燃氣通道165進入混合通道160的方向可與助燃空氣132於渦旋氣體產生腔140沿其圓環內側面140s所形成之渦旋132v的旋轉方向相同。藉此，可進一步加速助燃空氣132所形成之渦旋132v的旋轉，同時可使得燃氣162與助燃空氣132於所形成之混合氣體中之維持較低的混合比例，而有利於後續點火燃燒。
燃燒噴嘴170可流體連通混合通道160，使得燃燒噴嘴170與縮口部150分別連接混合通道160之相對二側，其中在燃燒噴嘴170與混合通道160之連接處168附近可設置點火裝置180。助燃空氣132與燃氣162形成混合氣體後，即可進行點火燃燒。具體而言，助燃空氣132所形成之渦旋132v於混合通道160中經來自燃氣通道165之燃氣162加速且與之混合後，可利用點火裝置180點火，以使助燃空氣132與燃氣162所形成之混合氣體燃燒。在一些例子中，燃氣通道165與點火裝置180之間的距離可為約5公分以上。換言之，燃氣通道165與點火裝置180沿混合通道160之長度之方向D2的距離可等於或大於約5公分。
經點火裝置180點火燃燒後，助燃空氣132與燃氣162所形成之混合氣體可伴隨點火燃燒之火焰經由燃燒噴嘴170噴出。在一些示範例子中，燃燒噴嘴170之內側面170s主要可呈一向外漸擴，即沿方向D2漸擴之曲線。應注意的是，在此雖以「噴出」描述，但助燃空氣132與燃氣162所形成之旋轉的混合氣體由點火裝置180點火燃燒後，主要仍可沿燃燒噴嘴170之內側面170s延伸。因此，在這樣的情況下形成之火焰並非如一般燃燒器呈現直火噴射，而係可沿燃燒噴嘴170之內側面170s向外噴出，並順著蓄熱式平焰燃燒器100之本體110的出口側壁110w延伸而進行二次擴散燃燒。具體而言，由於助燃空氣132與燃氣162之混合比例相對低，在連接處168附近經點火裝置180點火燃燒時僅會先燃燒一部分之助燃空氣132與燃氣162，而在剩餘的氣體沿燃燒噴嘴170之內側面170s延伸噴出後可因剩餘之助燃空氣132與燃氣162之間的擴散作用而再一次進行燃燒。如此，可降低因助燃空氣132預熱再經高溫燃燒而產生之NO x排放。
蓄熱式平焰燃燒器100在運作上，助燃空氣132可經由進氣口130進入蓄熱式平焰燃燒器100之本體110中的蓄熱腔120，並經蓄熱體預熱後經由氣體通道135進入渦旋氣體產生腔140。在渦旋氣體產生腔140形成渦旋132v後，先經由縮口部150加速，再於混合通道160中藉著燃氣162進一步加速，並進行較低程度的混合。所形成之混合氣體可於混合通道160與燃燒噴嘴170連接處168附近藉由點火裝置180點火燃燒，最後沿著燃燒噴嘴170之內側面170s噴出順著出口側壁110w延伸之類似圓盤狀的火焰，而達到平焰燃燒效果。藉此，既可因減少高溫燃燒而降低NO x排放，同時平焰燃燒效果可增加空間利用率，並滿足工件與火焰不接觸的製程。
綜上所述，本揭露之一優點就是因為本揭露之蓄熱式平焰燃燒器搭配蓄熱模組回收工業爐內之高溫廢氣，可將回收之熱能用來預熱助燃冷空氣，如此既可減少廢氣排放，亦可達到節能的效果。
本揭露之另一優點就是因為本揭露之蓄熱式平焰燃燒器利用渦旋氣體產生腔與縮口部的設計，可有效提升助燃空氣形成之旋風氣流的旋轉能力及噴出速度，而可達到平焰燃燒的效果。藉此，可增加空間利用率，並滿足工件與火焰不接觸的製程。
本揭露之又一優點就是因為本揭露之蓄熱式平焰燃燒器將燃氣噴口設置於點火裝置前，可縮短燃氣與助燃空氣之混合時間，而可減少燃氣混合比例。藉此，可以二次擴散燃燒的方式減少高溫助燃氣體燃燒所產生之NO x，而可改善因預熱空氣所導致之NO x排放問題。
本揭露之實施方式已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，熟習此技藝者可在不脫離本揭露之精神和範圍內，做出各種改變、替換、以及變動，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:蓄熱式平焰燃燒器 110:本體 110w:本體側壁 120:蓄熱腔 130:進氣口 132:助燃空氣 132v:渦旋 135:氣體通道 135o1:第一開口 135o2:第二開口 135s:內側面 140:渦旋氣體產生腔 140s:圓環內側面 140w:側壁 150:縮口部 150o1:第一開口 150o2:第二開口 150s:內側面 160:混合通道 160s:內側面 162:燃氣 165:燃氣通道 165e:出口 168:連接處 170:燃燒噴嘴 170s:內側面 180:點火裝置 AA’:剖面線 BB’:剖面線 D1:方向 D2:方向
配合所附圖式閱讀能使本揭露之目的、特徵、優勢、以及實施例能夠更簡單易懂。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，可任意地增加或減少各特徵的尺寸。 圖1係繪示依照本揭露之一實施方式之一種蓄熱式平焰燃燒器的結構示意圖。 圖2係繪示沿圖1之剖面線AA’之蓄熱式平焰燃燒器的剖面視圖。 圖3係繪示沿圖1之剖面線BB’之蓄熱式平焰燃燒器的剖面視圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
100:蓄熱式平焰燃燒器
110:本體
110w:本體側壁
120:蓄熱腔
130:進氣口
132:助燃空氣
132v:渦旋
135:氣體通道
140:渦旋氣體產生腔
150:縮口部
150o1:第一開口
150o2:第二開口
150s:內側面
160:混合通道
165:燃氣通道
168:連接處
170:燃燒噴嘴
170s:內側面
180:點火裝置
AA’:剖面線
BB’:剖面線
D1:方向
D2:方向

Claims (9)

  1. 一種蓄熱式平焰燃燒器，包含：一本體；一蓄熱腔，設於該本體中，且配置以容置至少二蓄熱體；一進氣口，穿設於該本體之一側壁中，且流體連通該蓄熱腔，其中該進氣口配置以供一助燃空氣進入該蓄熱腔；一渦旋氣體產生腔，透過一氣體通道流體連通該蓄熱腔，其中該渦旋氣體產生腔配置以使該助燃空氣形成一渦旋，該渦旋氣體產生腔包含一圓環內側面，通過該氣體通道之該助燃空氣沿該圓環內側面旋轉，以產生該渦旋；一縮口部，流體連通該渦旋氣體產生腔，該縮口部配置以加速來自該渦旋氣體產生腔之該助燃空氣；一混合通道，流體連通該縮口部，其中該混合通道穿設有複數個燃氣通道，該些燃氣通道配置以供一燃氣進入該混合通道並與該助燃空氣形成一混合氣體；一燃燒噴嘴，流體連通該混合通道，且配置以供該混合氣體沿該燃燒噴嘴之一內側面延伸噴出該燃燒噴嘴，其中該燃燒噴嘴與該縮口部分別連接該混合通道之相對二側；以及一點火裝置，鄰設於該混合通道與該燃燒噴嘴一連接處，且配置以點火使該混合氣體燃燒。
  2. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該至少二蓄熱體配置以預熱進入該蓄熱腔之該助燃空氣。
  3. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該氣體通道與該渦旋氣體產生腔之一側壁相切。
  4. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該氣體通道流體連通該蓄熱腔之一開口之一面積為該蓄熱腔之一截面積之25%至35%。
  5. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中每一該些燃氣通道之一出口與該混合通道之一內側面相切，以使該燃氣沿該混合通道之該內側面之一切線方向進入該混合通道。
  6. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該些燃氣通道更配置以使該燃氣進入該混合通道之一方向與該助燃空氣於該渦旋氣體產生腔所形成之該渦旋之一旋轉方向相同。
  7. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該燃燒噴嘴之一徑向尺寸從該連接處至該燃燒噴嘴之一噴口漸增。
  8. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該縮口部之一徑向尺寸從該渦旋氣體產生腔至該混合通道 漸縮。
  9. 如請求項1所述之蓄熱式平焰燃燒器，其中該些燃氣通道與該點火裝置沿該混合通道之一長度方向之一距離等於或大於5公分。
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