煙氣回流與分級預混燃燒的控溫低氮節能的燃燒裝置的製作方法

2023-05-21 08:27:46 1

本發明涉及工業爐窯類的熱利用設備的燃燒裝置，特別適合於燃燒氣體燃料的鍋爐、加熱爐、熱風爐、金屬熔煉爐、迴轉窯、隧道窯、梭式窯等工業爐窯使用的一種煙氣回流與分級預混燃燒的控溫低氮節能的燃燒裝置。

背景技術：

當前，工業爐窯從節能與環保上考慮，要求燃燒裝置在燃燒不同燃料與不同煤氣下獲得高效可控的完全燃燒的同時，還要求能有效降低燃燒過程中的氮氧化物（NOx）的生成量，以最終達到高效、節能、環保的目的。為此，在工業爐窯燃燒器的結構設計上除了必須實現快速均勻混合與穩定燃燒外，還應能適應不同的燃氣品種使其具有燃燒過程的調節可控的特徵。這就不僅要涉及到相應燃燒器與對應燃燒室的結構與相互間的合理配置，而更重要的是燃燒器本身結構的設計，從而產生出相應的技術效果。縱觀目前各種工業爐窯使用的常規燃燒器，明顯存在因設計理念問題而引起的結構上的各種問題，這就勢必造成煤氣與空氣之間混合不均勻和燃燒不完全。尤其是一種燃燒與傳熱現象被人們長期忽略，這就是對於燃燒溫度與使用溫度之間的差異而導致的能量損失視而不見（能級損失暫不考慮），通常採取增大過量空氣係數的辦法去適應工藝溫度的要求，這實際上是一種高溫端能量的無形損失，這也是人們在能源梯級應用中所長期忽視的一個重要問題。為排煙溫度200℃以下的低品位能源多有不舍，採用較大的投資去加以應用，而對高溫段200℃及其以上溫差卻視而不見，使能量不能合理利用，那麼如何在實現燃燒溫度的合理控制的同時，將高溫端的熱量充分加以利用，達到節省燃料、節約成本和抑制氮氧化物生成的目的，是當前迫切要解決的問題。

技術實現要素：

針對上述情況，為克服現有技術缺陷，本發明之目的就是提出一種煙氣回流與分級預混燃燒的控溫低氮節能的燃燒裝置，可以有效完成氣流的直流或旋流分級預混與燃燒，並通過回流煙氣的噴入實現燃燒溫度的有效控制，在實現整體燃燒溫度降低的條件下，在實現氮氧化物含量有效控制的同時，也有效減少了煤氣的使用量而達到節能的效果。

本發明解決的技術方案是，包括一端封閉、一端開口的燃燒室，燃燒室的開口端內置有混合燃燒空間，混合燃燒空間的一端封閉，另一端開口，混合燃燒空間的開口端和燃燒室的開口端連通，燃燒室的開口端為氣流出口，混合燃燒空間的封閉端上有穿過燃燒室的封閉端伸進燃燒室和混合燃燒空間連通的分級燃燒器，分級燃燒器穿過燃燒室的封閉端伸進燃燒室的一端為內端，另一端為外端，燃燒室的封閉端內有環繞在分級燃燒器內端外周的回流煙氣分配環道，回流煙氣分配環道在靠近燃燒室外壁的外環上連通有伸出燃燒室的回流煙氣入口管，回流煙氣分配環道和混合燃燒空間之間連通有沿分級燃燒器內端外周均布的多個回流煙氣噴出管；分級燃燒器是由中心管、內管和外管至內向外依次同心套接在一起，中心管的外端伸出內管的外端，內管的外端伸出外管的外端，外管的外端伸出燃燒室的封閉端，構成階梯狀排列的相互間有環道的同心套管結構；內管和外管的外端均呈封閉狀，內管和外管的內端均為開口狀，中心管的內外兩端均開口，中心管的內端和內管之間的環道內均布有多個內層支撐旋流片，每兩個相鄰的內層支撐旋流片之間的間隙為一次空氣噴出口，內管和外管的內端之間的環道內均布有多個外支撐旋流片，每兩個相鄰的外支撐旋流片之間的間隙為二次空氣噴出口，內管的內端開口處有同心的氣流調節鈍體；中心管為煤氣入口管，中心管的內端為向內管的內端方向呈逐漸收縮狀的煤氣噴口，中心管和內管之間的環道為一次空氣分配環道，一次空氣分配環道和內管側壁上的一次空氣入口管連通，沿中心管的內端開口處直至內管的內端開口處的空間為一次空氣預混合室，一次空氣預混合室和一次空氣分配環道連通，一次空氣預混合室靠近氣流調節鈍體的一端內有將一次空氣預混合室分隔成左右兩部分的格柵狀的助混均流板；內管和外管的環道為二次空氣分配環道，二次空氣分配環道和外管側壁上的二次空氣入口管連通。

本發明是根據現有工業爐窯常用的套筒燃燒裝置的結構所做出的創新性的結構改進與性能調整，增加了二次空氣分配環道和回流煙氣分配環道，以及前部的混合燃燒空間，並在環形通道出口處設置支撐旋流片調節氣流的旋流程度，且將氣流調節鈍體設置於分級燃燒器的出口處。這樣，煤氣以直流噴射與一次空氣旋流噴射在一次空氣預混合室形成初始混合均勻的氣流，向前經氣流調節鈍體形成環形膜狀初始混合均勻的氣流，在混合燃燒空間中形成中心回流，在其自預熱作用下實現高速燃燒氣流的穩定燃燒，此時二次空氣噴出氣流能及時完成對燃燒氣流的補燃（實現完全燃燒），同時，回流煙氣以旋流方式在燃燒氣流的四周不斷加入並及時降低燃燒溫度。助燃空氣與煤氣之間的分級混合燃燒達到有效控制燃燒過程中氮氧化物的生成，低溫煙氣的回流有效調節燃燒溫度的高低，達到高溫段熱能的有效利用。由於回流煙氣能有效調節燃燒溫度，排煙溫度可通過空氣預熱裝置而進一步降低，節能效果更為突出。因此，優選了分級燃燒器的空燃比和燃燒強度且有效控制了燃燒溫度與氮氧化物生成量。在工業爐窯上採用這種控溫、低氮、節能的燃燒裝置，就能在實現安全穩定燃燒的前提下合理控制燃燒溫度與有效減少氮氧化物的排放量，在實現節省燃料與節約投資的前提下減少對大氣環境的汙染。

附圖說明

圖1為本發明的剖面主視圖。

圖2為本發明圖1的A-A截面視圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式作詳細說明。

如圖1及圖2所示，本發明包括一端封閉、一端開口的燃燒室1，燃燒室的開口端內置有混合燃燒空間8，混合燃燒空間的一端封閉，另一端開口，混合燃燒空間的開口端和燃燒室的開口端連通，燃燒室的開口端為氣流出口，混合燃燒空間的封閉端上有穿過燃燒室的封閉端伸進燃燒室和混合燃燒空間連通的分級燃燒器，分級燃燒器穿過燃燒室的封閉端伸進燃燒室的一端為內端，另一端為外端，燃燒室的封閉端內有環繞在分級燃燒器內端外周的回流煙氣分配環道5a，回流煙氣分配環道在靠近燃燒室外壁的外環上連通有伸出燃燒室的回流煙氣入口管5，回流煙氣分配環道5a和混合燃燒空間8之間連通有沿分級燃燒器內端外周均布的多個回流煙氣噴出管5b；分級燃燒器是由中心管2a、內管2b和外管2c至內向外依次同心套接在一起，中心管的外端伸出內管的外端，內管的外端伸出外管的外端，外管的外端伸出燃燒室的封閉端，構成階梯狀排列的相互間有環道的同心套管結構；內管和外管的外端均呈封閉狀，內管和外管的內端均為開口狀，中心管的內外兩端均開口，中心管的內端和內管之間的環道內均布有多個內層支撐旋流片3b，每兩個相鄰的內層支撐旋流片3b之間的間隙為一次空氣噴出口3c，內管和外管的內端之間的環道內均布有多個外支撐旋流片4b，每兩個相鄰的外支撐旋流片4b之間的間隙為二次空氣噴出口4c，內管的內端開口處有同心的氣流調節鈍體7；中心管為煤氣入口管，中心管的內端為向內管的內端方向呈逐漸收縮狀的煤氣噴口，中心管和內管之間的環道為一次空氣分配環道3a，一次空氣分配環道和內管側壁上的一次空氣入口管3連通，沿中心管的內端開口處直至內管的內端開口處的空間為一次空氣預混合室6，一次空氣預混合室和一次空氣分配環道連通，一次空氣預混合室靠近氣流調節鈍體的一端內有將一次空氣預混合室分隔成左右兩部分的格柵狀的助混均流板6a；內管和外管的環道為二次空氣分配環道4a，二次空氣分配環道和外管側壁上的二次空氣入口管4連通。

所述的燃燒室1為耐熱鋼板焊制的外殼內砌築或澆注耐高溫的耐火材料構成的一端封閉另一端開口的圓筒體，耐火材料的材質、厚度與形狀，取決於燃燒溫度和燃燒裝置的熱負荷。

所述的內層支撐旋流片3b、外支撐旋流片4b均由不少於四片、周向傾斜的耐熱鋼板製成的平板體，傾斜的角度由對應氣流的旋流強度確定，內層支撐旋流片的兩端分別固定在中心管和內管上，外支撐旋流片的兩端分別固定在內管和外管上。

所述的助混均流板6a是由多條耐熱鋼片等距正交構成的格柵狀結構，垂直安裝在一次空氣預混合室6內。

所述的氣流調節鈍體7為圓錐體，圓錐體的錐頂置於內管的內端開口處中心，圓錐體的中心張角為60°～90°角。

所述的氣流調節鈍體7為耐熱鋼殼體內用耐火澆注料澆注填實製成的圓錐體。

具體實施時，煤氣通過煤氣入口管內端的煤氣噴口以直流噴射的形式進入一次空氣預混合室6，而一次空氣經由一次空氣入口管3進入一次空氣分配環道3a，再由經過一次空氣噴出口3c以旋流或直流噴射形式進入一次空氣預混合室，在此兩種氣流相混合而形成初始混合氣流，在此經過助混均流板6a而變得更加均勻的氣流分布流場；初始混合氣流繼續向前在一次空氣預混合室6的出口處經過氣流調節鈍體7的作用而形成環形膜狀初始混合均勻的氣流，在混合燃燒空間8中形成帶中心回流區的流場結構，在其作用下實現高速燃燒的穩定氣流流場；此時，二次空氣經由二次空氣入口管4進入到二次空氣分配環道4a，再從二次空氣噴出口4c噴出進入混合燃燒空間8，及時與經過氣流調節鈍體7的已實現穩定燃燒的初始混合氣流相遇而完成對燃燒氣流的補充燃燒作用（實現完全燃燒）；同時，回流煙氣經由回流煙氣入口管5進入回流煙氣分配環道5a，再經回流煙氣噴出管5b以直流或旋流的方式在燃燒氣流的四周不斷加入，並及時與混合燃燒空間8中的完成或正在完成的燃燒氣流相互混合，逐步降低流場的整體燃燒溫度。這樣，經由該燃燒裝置的煤氣與助燃空氣在實現充分的分級混合燃燒的同時完成了溫度可控的燃燒過程，實現了燃燒過程中氮氧化物的生成量的有效控制，因為採用了低溫煙氣的回流在有效調節燃燒溫度的同時也達到高溫段熱能的有效利用。由於回流煙氣能有效調節燃燒溫度，排煙溫度可通過空氣預熱裝置而進一步降低，節能效果更為突出。因此，在工業爐窯上採用這種控溫、低氮、節能的燃燒裝置，就可以根據不同的燃氣成分與組成，以及工業爐窯的具體結構與用途，在滿足工藝使用溫度要求的前提下，進一步選擇與優化煤氣量、一次與二次空氣量以及回流煙氣量，並通過實施過程的調節最終完成燃燒溫度與氮氧化物生成量的有效控制，此外，煙氣的回流在降低燃燒溫度的同時，還能實現燃燒氣流流場的合理分布，並能與燃燒裝置外的熱利用空間結合有條件地實現熱利用空間的煙氣流場的均勻分布。採用本發明這種煤氣（燃氣）、空氣與回流煙氣之間實現分級混合、穩定火焰、控制燃燒溫度與降低氮氧化物的節能燃燒裝置，在改善與優化燃燒過程的同時還能有效減小燃燒室乃至熱利用裝置的結構空間。

本發明是用低溫煙氣回流燃燒的方式利用燃燒過程中高溫端的能量，在實現燃燒溫度的合理控制的同時，將高溫端的熱量充分加以利用，達到有效實現節省燃料的目的。由於燃燒溫度的降低也抑制了氮氧化物的生成，又進一步採用分級燃燒的方式，煙氣中氮氧化物的含量會進一步下降。因此，本發明提出一種燃燒裝置用以完成氣體燃料燃燒的煙氣回流燃燒與分級燃燒兩個獨特的燃燒過程，在節約燃料的同時減少氮氧化物的含量，真正實現燃燒設備的高效、節能與環保的技術目標。並經多次反覆測試及實際應用，均取得了顯著的效果，由於節省燃料的量取決於燃燒溫度與工藝溫度的差值，差值越大節能效果越好，而氮氧化物含量取決於溫度的高低以及分級燃燒的欠氧程度，本發明的應用情況如下：用到鋁熔煉爐上時，可使燃燒溫度從1850℃降到1100℃，其能量的節省可以達到原來的50%，而相應的氮氧化物含量可以從3000ppm上下降低到300ppm左右；用到乾餾瓦斯加熱爐上時，可使燃燒溫度從1300℃降到800℃，其能量的節省可達30%左右，氮氧化物濃度會從2000ppm上下降低到200ppm左右，更主要的是由於燃燒溫度的降低，其瓦斯的高溫裂解量會急劇減少，有效減小乾餾工藝氣體的用量。

顯見，工業爐窯要達到環保要求和節能目標，採用這種控溫、低氮、節能的燃燒裝置是必然的選擇，因為該燃燒裝置具有極強的燃燒適應性和廣泛的適用範圍，且實現了工業爐窯的低氮燃燒與節能燃燒，有較為可觀的經濟效益和社會效益。