一種無焰燃燒裝置的製作方法

2023-06-12 13:01:36 1

專利名稱：一種無焰燃燒裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於燃燒設備技術領域，特別涉及一種採用無焰燃燒方式的燃燒裝置。
背景技術：
燃燒化石燃料獲取熱能和動力，在很長一段時期內仍然是能源利用的主要方式， 提高燃燒效率、降低汙染物排放成為能源利用的重要研究方向之一。無焰燃燒技術以其高效低汙染的特點被稱為新世紀最有前景的燃燒技術之一，該技術有望解決多種燃燒設備的汙染排放問題。無焰燃燒(Flameless combustion)是一種反應物被稀釋後在低氧氛圍下的空間分布式燃燒模式，根據火焰形態、反應強度、燃燒條件或者排放情況亦被稱為無焰氧化(Flameless oxidation，簡寫為 FL0X)、柔禾口燃燒(Moderate&intense low oxygen dilutioncombustion, MILD combustion)、高溫空氣燃燒(High temperature air combustion，簡寫為 HiTAC)和低 NOx 噴射(Low NOx injection)。無焰燃燒起源於Weinberg 的超焓思想，由於高溫循環煙氣對反應物的稀釋和預熱，升高了反應物溫度，降低了反應區的氧濃度，一旦反應物溫度達到著火點便發生慢速氧化反應。大量的煙氣循環為燃料提供了高溫低氧環境，較大的噴射動量使燃燒室內各處反應物處於亞當量比條件，整個燃燒室類似一個良攪拌反應器，氧化反應發生在整個燃燒空間，並呈現透明的無火焰狀態。整個反應區溫度均勻，消除了局部高溫，故降低了熱力NOx的生成量。因此本發明採用無焰燃燒技術，旨在提高液體燃料的燃燒效率，降低汙染物排放，滿足生活環境的要求。中國專利申請號200510039296. 9提出的「一種燃氣或燃油鍋爐」在爐膛內部增設了燃燒攪拌反應器，實現了燃料在爐膛內部的無焰燃燒，還增設了蓄熱體，而中國專利申請號200510022667. 2提出的「採用稀薄-無焰燃燒方式的燃氣或燃油鍋爐」增設預燃罩，在預燃罩內部實現稀薄燃燒，爐膛內發生二次燃燒，呈現無火焰狀態，這兩個發明均在爐膛內增設罩體結構，促進燃料、空氣和燃燒產物的混合。國際專利US005899269A "Flameless combustor」提供了一種採用無焰燃燒技術的燃燒室裝置，該燃燒室內置套管，並使用催化劑，僅應用於氣體燃料。國際專利 US20020069648A1 "Novel design of adiabatic combustors，，提出一種絕熱燃燒室，包括主燃區、燃料入口、主要空氣入口和次要空氣入口，在燃氣輪機燃燒室內形成環形渦，能夠維持穩定無焰狀態，該發明將燃料直接噴入高溫煙氣環形渦中遍布整個燃燒區，其燃燒室運行壓力比較高，為0. 4bar 40bar。目前的無焰燃燒裝置主要採用預熱空氣、內置攪拌反應器、蓄熱體或者使用催化劑等方式，勢必提高設備成本。

發明內容
本發明提出一種採用無焰燃燒技術的燃燒裝置，適用於液體燃料，無需使用催化齊U，無需內置罩體結構和蓄熱體，無需專門預熱空氣，整個燃燒室類似一個大的攪拌反應器，能夠在比較大的過剩空氣係數範圍內達到低NOx排放的目的。本發明的無焰燃燒裝置，適用於液體燃料，燃燒穩定運行的過剩空氣係數範圍為 1. 05 3. 8，燃燒室內平均溫度及排煙低於1600K。既在可以較低過剩空氣係數的貧燃料狀態形成有少許稀薄火焰的柔和燃燒，又可以在較高過剩空氣係數時形成無火焰燃燒，達到低汙染排放的目的。本發明的無焰燃燒裝置包括前蓋板(3)、後蓋板(8)、上壁(5)、下壁(11)、前壁(14)、後壁(15)、耐火塗層(8)、隔板(9)、燃料噴嘴(1)、進氣管K4)、進氣管
II(6)、進氣管III (10)、點火器⑵和保溫層(12)，其特徵在於燃燒室為長方形，空氣分為多股噴入，由進氣管壁上的進氣孔(16)噴出，每股空氣的噴射方向各不相同，進氣管均受耐火塗層(8)保護，隔板(9)水平安裝在燃燒室的下半部，後部埋入後蓋板C3)側的耐火塗層(8)中，隔板(9)長度小於燃燒室內部空間長度，排煙口(13)設在後蓋板(3)的中下部， 上緣低於隔板(9)底面，排煙口(13)尺寸根據排煙壓力而變。本發明的技術方案是燃燒室長320mm、寬160mm、高200mm ；燃料噴嘴(1)位於後蓋板(3)的中心偏上20 25mm，點火器O)高度與燃料噴嘴(1)相同，與噴孔出口平面軸向距離85 95mm，所述點火器⑵安裝在後壁(15)上，可以沿安裝孔前後移動，點火部位偏離燃料噴嘴(1)的軸線25 35mm;每股空氣可單獨控制，第一股空氣(Al)由燃料噴嘴 (1)的外圍旋流噴出，第二股空氣m經過進氣管1(4)管壁上的進氣孔(16)噴入，第三股空氣(A3)經過進氣管11(6)管壁上的進氣孔(16)噴入，第四股空氣(A4)經過進氣管
III(10)管壁上的進氣孔(16)噴入；進氣管I (4)、進氣管II (6)和進氣管III (10)均水平對中安裝且管軸與後壁(1 垂直，管壁上的進氣孔(16)數量和間距相同，朝向不同，第二股空氣(A2)的進氣管1(4)安裝在後蓋板(3)上方，位於後蓋板(3)和上壁(5)的相接處， 第二股空氣(A2)的進氣孔(16)與燃料噴嘴(1)的方向相同，第三股空氣(A3)的進氣管 11(6)和第四股空氣(A4)的進氣管III(IO)都水平安裝在後壁(15)上，其中第三股空氣 (A3)的進氣管11(6)位於燃燒室的後上方，該股空氣的進氣孔(16)方向朝下，第四股空氣 (A4)的進氣管III(IO)位於燃燒室的後中部，豎直方向高出隔板(9) 20mm，所述第四股空氣 (A4)的進氣孔(16)朝向燃料噴射的反方向；第三股空氣(A3)的進氣管II (6)和第四股空氣(A4)的進氣管III (10)直徑不小於第二股空氣(A2)的進氣管K4)，這三股空氣的進氣管均埋入耐火塗層(8)內部，僅露出所有進氣孔(16)，管徑和進氣孔(16)的尺寸對運行壓力和點火過程影響，所述管徑、孔徑越小點火越困難，運行壓力越高；隔板(9)水平安裝在燃燒室的下半部，隔板(9)下面空間高度佔燃燒室總高度的10 15%，隔板(9)的兩側埋入耐火塗層(8)內部，後部埋入後蓋板(3)內表面所塗的耐火塗層(8)中，隔板(9)的前部與前蓋板(7)方向的耐火塗層(8)之間有排煙空隙，該空隙的軸向寬度佔燃燒室內部軸向長度的15 20%，隔板(9)下面為排煙通道；排煙口(1 設在後蓋板(3)的中下部，長方形的排煙口(13)上緣低於隔板(9)底面；整個燃燒室的前壁(14)、後壁(15)、上壁(5)和下壁(11)均為碳鋼，壁厚不少於5mm，前蓋板(7)和後蓋板(3)不小於15mm，燃燒室外加保溫層(12)，保溫層(1 為50mm厚的巖棉或石棉，外部增加保溫磚。隔板(9)為耐火材料，如剛玉或碳化矽，耐火塗層(8)為耐火泥、耐火水泥或耐火塗料，前蓋板(7)和後蓋板C3)分別與上壁( 和下壁(11)相接的直邊都用耐火塗層(8) 塗抹為圓弧形以減少結構阻力，進氣管K4)、進氣管11(6)和進氣管III(IO)均為耐火材料，如耐熱鋼、剛玉或碳化矽。
根據操作條件不同，本發明的排煙溫度在1000 1550K之間變化，排煙中未發現未燃碳氫化合物UH0，較低排煙溫度抑制了熱力NOx的生成，NOx排放低於eSppmOlS^ O2, 反應過程平穩而安靜，燃燒噪聲明顯降低。


圖1為本發明無焰燃燒裝置的半剖視圖。1為燃料噴嘴，2為點火器，3為後蓋板，4為進氣管1，5為上壁，6為進氣管11，7為前蓋板，8為耐火塗層，9為隔板，10為進氣管III，11為下壁，12為保溫層，13為排煙口。圖2為圖1中所示無焰燃燒裝置的A-A剖面視圖。14為前壁，15為後壁。圖3為圖1中所示無焰燃燒裝置的B-B剖面視圖。圖4為進氣管K4)、進氣管II (6)或進氣管III (10)上的進氣孔示意圖。16為進氣管I (4)、進氣管II (6)或進氣管III (10)的進氣孔。圖5為無焰燃燒裝置內進氣位置分布進氣方向和燃燒室內氣流方向示意圖。Al為第一股空氣，A2為第二股空氣，A3為第三股空氣，A4為第四股空氣。17為稀釋混合區，主要包括燃料霧化並與第一股空氣Al、高溫煙氣、第二股空氣 (A2)的稀釋混合，18為混合物傳熱區，燃料溫度達到著火點即燃，19為主要反應區，該區反應放熱佔主體，20為混合反應區，第三股空氣(Α； )與已燃組分及未燃組分邊混合邊反應； 21為初步混合區，大量空氣A4與高溫煙氣初步混合，22混合動力區，在該區內第四股空氣 (A4)對高溫組分提供回流動力，並完成組分間的傳熱傳質，23為煙氣混合區，部分空氣與高溫煙氣初步混合，M為穩定排煙區，25為回流渦J6為備用入口。圖6為本發明無焰燃燒裝置的擴展簡圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施例進行說明。實施例1 在本實施例中，該燃燒裝置可以應用於燃氣輪機。首先供以化學當量比的空氣，然後打開點火器O)，由燃料噴嘴(1)噴入燃料，液體燃料不低於l.OMPa，待著火後關閉點火器O)並後撤至耐火塗層(8)內，稍微增大氣量，第一股空氣(Al)卷吸周圍的高溫氣體並輔助燃料霧化，在點火時可以穩定火焰，著火後的油氣混合物受空氣動力作用邊燃燒邊行進，此時增加第四股空氣(A4)氣量，反應物與生成物的混合物沿第四股空氣(A4)方向回流至燃料入口處與新進料反應物進行稀釋摻混並對其預熱；第二股空氣(A2)可以降低燃燒室上方的耐火塗層(8)的溫度；第三股空氣(Α； )可以控制氣流在燃燒室內的滯留時間，該股氣體的流量越大，排煙溫度越高，煙氣循環率越小；第四股空氣(A4)氣量越大，卷吸的循環煙氣量就越高，在燃燒室內部形成一個較大的環形渦，該渦具有在高湍流度下維持和穩定燃燒過程的作用；第二股空氣(A2)、第三股空氣(A3)和第四股空氣(A4)在環形渦的外部流動可以儘量減少熱量的壁面損失；燃燒產物最後流經隔板(9)下面的排煙口(13)排出；隔板(9)上方為高溫氣體與第四股空氣(A4)的混合氣體所經之處，隔板(9)下方為高溫排煙通道，故在運行過程中隔板(9)根據上下表面的溫差將熱量由高溫面傳至低溫面。
燃料噴嘴(1)可更換，得到不同的燃料流量和燃燒室熱密度；為了保持燃燒室的正常穩定運行，燃料流量不能低於一定值；根據排煙溫度的要求，過剩空氣係數的上限可以達到5.0，原有空氣流量不變的情況下可以在圖5中所示的備用入口 06)處增加一股空氣， 來細微調節出口溫度，進氣方式同第四股空氣(A4)；停工時必須用空氣吹掃燃料噴嘴(1)， 同時減小各股空氣氣量；該燃氣輪機燃燒室可以在常壓下運行，也可用於高壓情況。根據燃氣輪機使用場合不同，燃燒室內壁面的耐火塗層(8)厚度酌情減薄，前壁 (14)、後壁(15)、上壁(5)、下壁(11)、前蓋板(7)和後蓋板(3)的厚度酌情減薄，耐火塗層(8)及外壁的材料根據更嚴格的溫度條件和負重要求而改為耐高溫輕質合金鋼，保溫層 (12)可改為進氣通道，冷卻外壁並對空氣進行預熱。本發明傳質傳熱的過程為高速噴射動量引射大量高溫煙氣循環至稀釋混合區 (17)處，稀釋燃料和第一股空氣(Al)、第二股空氣(A2)，並將混合物組分混合均勻，經過混合傳熱區(18)，待組分溫度達到著火點即在體積較大的主要反應區(19)發生亞當量比的氧化反應釋放熱量，隨後在混合反應區00) —邊反應放熱一邊摻入第三股空氣(A3)，又被第四股空氣(A4)引射回流至初步混合區(21)，在混合動力區0 在一邊反應一邊快速傳熱傳質，熱量和組分均勻的低氧混合物被卷吸至稀釋混合區(17)，為燃料提供了高溫低氧環境，還有一部分高溫煙氣和空氣的混合物經由煙氣混合區和隔板下方的穩定排煙區04)從排煙口(13)排出溫度均勻的高溫煙氣，同時隔板上方形成了一個穩定的回流渦 (25)，不停地將燃燒室內的溫度均勻化，這樣就形成了燃燒室內的無焰燃燒。實施例2 在本實施例中，該燃燒裝置也可以應用於工業窯爐，啟動、運行過程、停工均同上； 根據煅燒件厚度增加燃燒室的高度，保持隔板(9)下方的空間高度不變，只增加隔板(9)上方的空間高度，燃料噴嘴(1)、第二股空氣(A2)和第三股空氣氣(A3)的豎直位置均相對於上壁(5)不變；由於在平行於原燃燒室豎直軸面的平面內流場結構相似，故將燃燒室內部寬度延長數倍，相應成倍增加燃料噴嘴(1)數目；可保持第四股空氣(A4)與下壁(11)的豎直距離不變，將煅燒件沿燃燒室寬度方向水平置於隔板(9)上方的回流渦0 內，高溫氣體通過對流和輻射從四周對煅燒件進行加溫，此時整個燃燒室內的傳熱傳質過程同實施例 1 ；在前壁(14)和後壁(1 上對應煅燒件的位置預留窗口以便送入和移出工件，待煅燒結束後沿工件方向進行煅燒件更換。運行過程中根據煅燒溫度的需要控制過剩空氣係數在1. 05 3. 8之間；排出的煙氣餘熱進行回收利用，比如預熱空氣或者煅燒件；該窯爐適宜常壓運行。燃燒室外部的保溫磚厚度要求大於200mm。如果以下壁(11)位置為中心上下對稱布置上述燃燒空間，將兩個隔板之間的壁面去掉，兩個隔板(9)之間的部分作為排煙通道，其他燃料噴嘴(1)和每股氣的進氣位置都不變，這樣就有兩個上下對稱的回流渦結構如圖6所示，在兩個回流渦05)內同時煅燒兩排工件，可以提高熱效率和工作效率。其他同實施例1。
權利要求
1.一種採用無焰燃燒技術的燃燒裝置，包括前蓋板(3)、後蓋板(8)、上壁(5)、下壁 (11)、前壁(14)、後壁(15)、耐火塗層(8)、隔板(9)、燃料噴嘴(1)、進氣管K4)、進氣管 II (6)、進氣管III (10)、點火器⑵和保溫層(12)，其特徵在於燃燒室為長方形，適用於液體燃料，燃料由安裝在後蓋板(8)上的噴嘴噴入，空氣分為多股噴入，除第一股空氣Al外其餘空氣均由進氣管壁上的進氣孔(16)噴出，每股空氣的噴射方向各不相同，隔板(9)水平安裝在燃燒室的下半部，後部埋入後蓋板C3)側的耐火塗層(8)中，隔板(9)長度小於燃燒室長度，排煙口(1 設在後蓋板(3)的中下部，上緣低於隔板(9)底面。
2.如權利要求1所述的無焰燃燒裝置，其特徵在於第一股空氣(Al)由燃料噴嘴(1) 的外圍旋流噴出，第二股空氣m經過進氣管1(4)管壁上的進氣孔(16)噴入，第三股空氣(Α； )經過進氣管II (6)管壁上的進氣孔(16)噴入，第四股空氣(A4)經過進氣管III (10) 管壁上的進氣孔(16)噴入，進氣管K4)、進氣管11(6)和進氣管III (10)均水平安裝且管軸與後壁(1 垂直，所有進氣孔(16)分別在燃燒室水平軸面上對稱分布，數量和間距相同，朝向不同，第三股空氣(A3)的進氣管11(6)和第四股空氣(A4)的進氣管III(IO)直徑不小於第二股空氣(A2)的進氣管K4)，第二股空氣(A2)的進氣管I (4)安裝在後蓋板(3) 上方，位於後蓋板C3)和上壁(5)的相接處，第二股空氣m的進氣孔(16)水平朝前，其中第三股空氣(A3)的進氣管11(6)位於燃燒室的後上方，該股空氣的進氣孔(16)方向朝下，第四股空氣(A4)的進氣管III(IO)位於燃燒室的後中部，豎直方向高出隔板(9)20mm， 第四股空氣(A4)的進氣孔(16)朝向燃料噴射的反方向，後三股空氣的進氣管均埋入耐火塗層(8)內部，僅露出所有進氣孔(16)。
3.如權利要求1所述的無焰燃燒裝置，其特徵在於第四股空氣(A4)垂直噴入高溫煙氣中並強迫煙氣轉向回流，第二股空氣(A2)和燃料噴嘴(1)卷吸高溫氣流並提供循環動力，第三股空氣(A3)則為高溫氣流提供轉向性剪切動力。
4.如權利要求1所述的無焰燃燒裝置，其特徵在於燃料噴嘴(1)位於後蓋板(3)的中心偏上20 25mm，點火器O)高度與燃料噴嘴(1)相同，與燃料噴嘴(1)噴孔平面軸向距離85 95mm，所述點火器(2)安裝在後壁(15)上，可以沿安裝孔前後移動，點火部位偏離燃料噴嘴⑴的軸線25 35mm。
5.如權利要求1所述的無焰燃燒裝置，其特徵在於隔板(9)下面為排煙通道，該通道空間高度佔燃燒室總高度的10 15%，隔板(9)的兩側埋入耐火塗層(8)內部，後部埋入後蓋板(3)內表面所塗的耐火塗層(8)中，隔板(9)的前部與前蓋板(7)方向的耐火塗層 ⑶之間有排煙空隙，該空隙寬度佔燃燒室內部軸向長度的15 20%，所述隔板(9)為耐火材料，如剛玉或碳化矽。
6.如權利要求1所述的無焰燃燒裝置，其特徵在於燃燒室在常壓下穩定運行，過剩空氣係數範圍在1. 05 3. 8之間，既可以在較低過剩空氣係數的貧燃料狀態形成有少許火焰的稀薄燃燒，又可以在較高過剩空氣係數時形成無焰燃燒，NOx汙染物排放很低。
全文摘要
本發明提出一種採用無焰燃燒技術的燃燒裝置，適用於液體燃料，該燃燒室包括前蓋板、後蓋板、前壁、後壁、上壁、下壁、隔板、耐火塗層、燃料噴嘴、點火器、進氣管I、進氣管II、進氣管III和保溫層，其特徵是燃燒室為長方形，空氣分為多股噴入，除A1外，其他三股空氣分別由安裝在不同位置的進氣管管壁上的進氣孔噴出，在燃燒室內形成環形回流結構，利於引射高溫煙氣回流和穩定燃燒過程，提供了形成液體燃料穩定無焰燃燒的條件，燃燒室的中下部水平置一隔板，排煙口設在後蓋板的中下部。該無焰燃燒裝置既能在接近當量比的貧燃料狀態形成有少許火焰的稀薄燃燒，又可能在較高過剩空氣係數時形成無焰燃燒，從而保持低NOx汙染物排放。
文檔編號F23C7/00GK102563626SQ20121001916
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者崔運靜, 林其釗 申請人:中國科學技術大學