CN106196056B - 烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，可有效完成气流的直流或旋流分级预混与燃烧，降低燃烧温度，有效控制氮氧化物含量，减少了煤气用量，节能，燃烧室开口端内有混合燃烧空间，混合燃烧空间封闭端连有分级燃烧器，燃烧室封闭端内的回流烟气分配环道外环上有回流烟气入口管，回流烟气分配环道和混合燃烧空间之间有回流烟气喷出管；分级燃烧器的每个环道内有支撑旋流片，分级燃烧器内端开口处有气流调节钝体；分级燃烧器侧壁上有一次和二次空气入口管，分级燃烧器内端开口内的一次空气预混合室中有助混均流板；本发明节能效果更为突出，有效控制了燃烧温度与氮氧化物生成量，减少对大气环境的污染。

Description

烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置

技术领域

本发明涉及工业炉窑类的热利用设备的燃烧装置，特别适合于燃烧气体燃料的锅炉、加热炉、热风炉、金属熔炼炉、回转窑、隧道窑、梭式窑等工业炉窑使用的一种烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置。

背景技术

当前，工业炉窑从节能与环保上考虑，要求燃烧装置在燃烧不同燃料与不同煤气下获得高效可控的完全燃烧的同时，还要求能有效降低燃烧过程中的氮氧化物（NOx）的生成量，以最终达到高效、节能、环保的目的。为此，在工业炉窑燃烧器的结构设计上除了必须实现快速均匀混合与稳定燃烧外，还应能适应不同的燃气品种使其具有燃烧过程的调节可控的特征。这就不仅要涉及到相应燃烧器与对应燃烧室的结构与相互间的合理配置，而更重要的是燃烧器本身结构的设计，从而产生出相应的技术效果。纵观目前各种工业炉窑使用的常规燃烧器，明显存在因设计理念问题而引起的结构上的各种问题，这就势必造成煤气与空气之间混合不均匀和燃烧不完全。尤其是一种燃烧与传热现象被人们长期忽略，这就是对于燃烧温度与使用温度之间的差异而导致的能量损失视而不见（能级损失暂不考虑），通常采取增大过量空气系数的办法去适应工艺温度的要求，这实际上是一种高温端能量的无形损失，这也是人们在能源梯级应用中所长期忽视的一个重要问题。为排烟温度200℃以下的低品位能源多有不舍，采用较大的投资去加以应用，而对高温段200℃及其以上温差却视而不见，使能量不能合理利用，那么如何在实现燃烧温度的合理控制的同时，将高温端的热量充分加以利用，达到节省燃料、节约成本和抑制氮氧化物生成的目的，是当前迫切要解决的问题。

发明内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提出一种烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，可以有效完成气流的直流或旋流分级预混与燃烧，并通过回流烟气的喷入实现燃烧温度的有效控制，在实现整体燃烧温度降低的条件下，在实现氮氧化物含量有效控制的同时，也有效减少了煤气的使用量而达到节能的效果。

本发明解决的技术方案是，包括一端封闭、一端开口的燃烧室，燃烧室的开口端内置有混合燃烧空间，混合燃烧空间的一端封闭，另一端开口，混合燃烧空间的开口端和燃烧室的开口端连通，燃烧室的开口端为气流出口，混合燃烧空间的封闭端上有穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室和混合燃烧空间连通的分级燃烧器，分级燃烧器穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室的一端为内端，另一端为外端，燃烧室的封闭端内有环绕在分级燃烧器内端外周的回流烟气分配环道，回流烟气分配环道在靠近燃烧室外壁的外环上连通有伸出燃烧室的回流烟气入口管，回流烟气分配环道和混合燃烧空间之间连通有沿分级燃烧器内端外周均布的多个回流烟气喷出管；分级燃烧器是由中心管、内管和外管至内向外依次同心套接在一起，中心管的外端伸出内管的外端，内管的外端伸出外管的外端，外管的外端伸出燃烧室的封闭端，构成阶梯状排列的相互间有环道的同心套管结构；内管和外管的外端均呈封闭状，内管和外管的内端均为开口状，中心管的内外两端均开口，中心管的内端和内管之间的环道内均布有多个内层支撑旋流片，每两个相邻的内层支撑旋流片之间的间隙为一次空气喷出口，内管和外管的内端之间的环道内均布有多个外支撑旋流片，每两个相邻的外支撑旋流片之间的间隙为二次空气喷出口，内管的内端开口处有同心的气流调节钝体；中心管为煤气入口管，中心管的内端为向内管的内端方向呈逐渐收缩状的煤气喷口，中心管和内管之间的环道为一次空气分配环道，一次空气分配环道和内管侧壁上的一次空气入口管连通，沿中心管的内端开口处直至内管的内端开口处的空间为一次空气预混合室，一次空气预混合室和一次空气分配环道连通，一次空气预混合室靠近气流调节钝体的一端内有将一次空气预混合室分隔成左右两部分的格栅状的助混均流板；内管和外管的环道为二次空气分配环道，二次空气分配环道和外管侧壁上的二次空气入口管连通。

本发明是根据现有工业炉窑常用的套筒燃烧装置的结构所做出的创新性的结构改进与性能调整，增加了二次空气分配环道和回流烟气分配环道，以及前部的混合燃烧空间，并在环形通道出口处设置支撑旋流片调节气流的旋流程度，且将气流调节钝体设置于分级燃烧器的出口处。这样，煤气以直流喷射与一次空气旋流喷射在一次空气预混合室形成初始混合均匀的气流，向前经气流调节钝体形成环形膜状初始混合均匀的气流，在混合燃烧空间中形成中心回流，在其自预热作用下实现高速燃烧气流的稳定燃烧，此时二次空气喷出气流能及时完成对燃烧气流的补燃（实现完全燃烧），同时，回流烟气以旋流方式在燃烧气流的四周不断加入并及时降低燃烧温度。助燃空气与煤气之间的分级混合燃烧达到有效控制燃烧过程中氮氧化物的生成，低温烟气的回流有效调节燃烧温度的高低，达到高温段热能的有效利用。由于回流烟气能有效调节燃烧温度，排烟温度可通过空气预热装置而进一步降低，节能效果更为突出。因此，优选了分级燃烧器的空燃比和燃烧强度且有效控制了燃烧温度与氮氧化物生成量。在工业炉窑上采用这种控温、低氮、节能的燃烧装置，就能在实现安全稳定燃烧的前提下合理控制燃烧温度与有效减少氮氧化物的排放量，在实现节省燃料与节约投资的前提下减少对大气环境的污染。

附图说明

图1为本发明的剖面主视图。

图2为本发明图1的A-A截面视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1及图2所示，本发明包括一端封闭、一端开口的燃烧室1，燃烧室的开口端内置有混合燃烧空间8，混合燃烧空间的一端封闭，另一端开口，混合燃烧空间的开口端和燃烧室的开口端连通，燃烧室的开口端为气流出口，混合燃烧空间的封闭端上有穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室和混合燃烧空间连通的分级燃烧器，分级燃烧器穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室的一端为内端，另一端为外端，燃烧室的封闭端内有环绕在分级燃烧器内端外周的回流烟气分配环道5a，回流烟气分配环道在靠近燃烧室外壁的外环上连通有伸出燃烧室的回流烟气入口管5，回流烟气分配环道5a和混合燃烧空间8之间连通有沿分级燃烧器内端外周均布的多个回流烟气喷出管5b；分级燃烧器是由中心管2a、内管2b和外管2c至内向外依次同心套接在一起，中心管的外端伸出内管的外端，内管的外端伸出外管的外端，外管的外端伸出燃烧室的封闭端，构成阶梯状排列的相互间有环道的同心套管结构；内管和外管的外端均呈封闭状，内管和外管的内端均为开口状，中心管的内外两端均开口，中心管的内端和内管之间的环道内均布有多个内层支撑旋流片3b，每两个相邻的内层支撑旋流片3b之间的间隙为一次空气喷出口3c，内管和外管的内端之间的环道内均布有多个外支撑旋流片4b，每两个相邻的外支撑旋流片4b之间的间隙为二次空气喷出口4c，内管的内端开口处有同心的气流调节钝体7；中心管为煤气入口管，中心管的内端为向内管的内端方向呈逐渐收缩状的煤气喷口，中心管和内管之间的环道为一次空气分配环道3a，一次空气分配环道和内管侧壁上的一次空气入口管3连通，沿中心管的内端开口处直至内管的内端开口处的空间为一次空气预混合室6，一次空气预混合室和一次空气分配环道连通，一次空气预混合室靠近气流调节钝体的一端内有将一次空气预混合室分隔成左右两部分的格栅状的助混均流板6a；内管和外管的环道为二次空气分配环道4a，二次空气分配环道和外管侧壁上的二次空气入口管4连通。

所述的燃烧室1为耐热钢板焊制的外壳内砌筑或浇注耐高温的耐火材料构成的一端封闭另一端开口的圆筒体，耐火材料的材质、厚度与形状，取决于燃烧温度和燃烧装置的热负荷。

所述的内层支撑旋流片3b、外支撑旋流片4b均由不少于四片、周向倾斜的耐热钢板制成的平板体，倾斜的角度由对应气流的旋流强度确定，内层支撑旋流片的两端分别固定在中心管和内管上，外支撑旋流片的两端分别固定在内管和外管上。

所述的助混均流板6a是由多条耐热钢片等距正交构成的格栅状结构，垂直安装在一次空气预混合室6内。

所述的气流调节钝体7为圆锥体，圆锥体的锥顶置于内管的内端开口处中心，圆锥体的中心张角为60°～90°角。

所述的气流调节钝体7为耐热钢壳体内用耐火浇注料浇注填实制成的圆锥体。

具体实施时，煤气通过煤气入口管内端的煤气喷口以直流喷射的形式进入一次空气预混合室6，而一次空气经由一次空气入口管3进入一次空气分配环道3a，再由经过一次空气喷出口3c以旋流或直流喷射形式进入一次空气预混合室，在此两种气流相混合而形成初始混合气流，在此经过助混均流板6a而变得更加均匀的气流分布流场；初始混合气流继续向前在一次空气预混合室6的出口处经过气流调节钝体7的作用而形成环形膜状初始混合均匀的气流，在混合燃烧空间8中形成带中心回流区的流场结构，在其作用下实现高速燃烧的稳定气流流场；此时，二次空气经由二次空气入口管4进入到二次空气分配环道4a，再从二次空气喷出口4c喷出进入混合燃烧空间8，及时与经过气流调节钝体7的已实现稳定燃烧的初始混合气流相遇而完成对燃烧气流的补充燃烧作用（实现完全燃烧）；同时，回流烟气经由回流烟气入口管5进入回流烟气分配环道5a，再经回流烟气喷出管5b以直流或旋流的方式在燃烧气流的四周不断加入，并及时与混合燃烧空间8中的完成或正在完成的燃烧气流相互混合，逐步降低流场的整体燃烧温度。这样，经由该燃烧装置的煤气与助燃空气在实现充分的分级混合燃烧的同时完成了温度可控的燃烧过程，实现了燃烧过程中氮氧化物的生成量的有效控制，因为采用了低温烟气的回流在有效调节燃烧温度的同时也达到高温段热能的有效利用。由于回流烟气能有效调节燃烧温度，排烟温度可通过空气预热装置而进一步降低，节能效果更为突出。因此，在工业炉窑上采用这种控温、低氮、节能的燃烧装置，就可以根据不同的燃气成分与组成，以及工业炉窑的具体结构与用途，在满足工艺使用温度要求的前提下，进一步选择与优化煤气量、一次与二次空气量以及回流烟气量，并通过实施过程的调节最终完成燃烧温度与氮氧化物生成量的有效控制，此外，烟气的回流在降低燃烧温度的同时，还能实现燃烧气流流场的合理分布，并能与燃烧装置外的热利用空间结合有条件地实现热利用空间的烟气流场的均匀分布。采用本发明这种煤气（燃气）、空气与回流烟气之间实现分级混合、稳定火焰、控制燃烧温度与降低氮氧化物的节能燃烧装置，在改善与优化燃烧过程的同时还能有效减小燃烧室乃至热利用装置的结构空间。

本发明是用低温烟气回流燃烧的方式利用燃烧过程中高温端的能量，在实现燃烧温度的合理控制的同时，将高温端的热量充分加以利用，达到有效实现节省燃料的目的。由于燃烧温度的降低也抑制了氮氧化物的生成，又进一步采用分级燃烧的方式，烟气中氮氧化物的含量会进一步下降。因此，本发明提出一种燃烧装置用以完成气体燃料燃烧的烟气回流燃烧与分级燃烧两个独特的燃烧过程，在节约燃料的同时减少氮氧化物的含量，真正实现燃烧设备的高效、节能与环保的技术目标。并经多次反复测试及实际应用，均取得了显著的效果，由于节省燃料的量取决于燃烧温度与工艺温度的差值，差值越大节能效果越好，而氮氧化物含量取决于温度的高低以及分级燃烧的欠氧程度，本发明的应用情况如下：用到铝熔炼炉上时，可使燃烧温度从1850℃降到1100℃，其能量的节省可以达到原来的50%，而相应的氮氧化物含量可以从3000ppm上下降低到300ppm左右；用到干馏瓦斯加热炉上时，可使燃烧温度从1300℃降到800℃，其能量的节省可达30%左右，氮氧化物浓度会从2000ppm上下降低到200ppm左右，更主要的是由于燃烧温度的降低，其瓦斯的高温裂解量会急剧减少，有效减小干馏工艺气体的用量。

显见，工业炉窑要达到环保要求和节能目标，采用这种控温、低氮、节能的燃烧装置是必然的选择，因为该燃烧装置具有极强的燃烧适应性和广泛的适用范围，且实现了工业炉窑的低氮燃烧与节能燃烧，有较为可观的经济效益和社会效益。

Claims (6)

1.一种烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，包括一端封闭、一端开口的燃烧室（1），其特征在于，燃烧室的开口端内置有混合燃烧空间（8），混合燃烧空间的一端封闭，另一端开口，混合燃烧空间的开口端和燃烧室的开口端连通，燃烧室的开口端为气流出口，混合燃烧空间的封闭端上有穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室和混合燃烧空间连通的分级燃烧器，分级燃烧器穿过燃烧室的封闭端伸进燃烧室的一端为内端，另一端为外端，燃烧室的封闭端内有环绕在分级燃烧器内端外周的回流烟气分配环道（5a），回流烟气分配环道在靠近燃烧室外壁的外环上连通有伸出燃烧室的回流烟气入口管（5），回流烟气分配环道（5a）和混合燃烧空间（8）之间连通有沿分级燃烧器内端外周均布的多个回流烟气喷出管（5b）；分级燃烧器是由中心管（2a）、内管（2b）和外管（2c）至内向外依次同心套接在一起，中心管的外端伸出内管的外端，内管的外端伸出外管的外端，外管的外端伸出燃烧室的封闭端，构成阶梯状排列的相互间有环道的同心套管结构；内管和外管的外端均呈封闭状，内管和外管的内端均为开口状，中心管的内外两端均开口，中心管的内端和内管之间的环道内均布有多个内层支撑旋流片（3b），每两个相邻的内层支撑旋流片（3b）之间的间隙为一次空气喷出口（3c），内管和外管的内端之间的环道内均布有多个外支撑旋流片（4b），每两个相邻的外支撑旋流片（4b）之间的间隙为二次空气喷出口（4c），内管的内端开口处有同心的气流调节钝体（7）；中心管为煤气入口管，中心管的内端为向内管的内端方向呈逐渐收缩状的煤气喷口，中心管和内管之间的环道为一次空气分配环道（3a），一次空气分配环道和内管侧壁上的一次空气入口管（3）连通，沿中心管的内端开口处直至内管的内端开口处的空间为一次空气预混合室（6），一次空气预混合室和一次空气分配环道连通，一次空气预混合室靠近气流调节钝体的一端内有将一次空气预混合室分隔成左右两部分的格栅状的助混均流板（6a）；内管和外管的环道为二次空气分配环道（4a），二次空气分配环道和外管侧壁上的二次空气入口管（4）连通。

2.根据权利要求1所述的烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，其特征在于，所述的燃烧室（1）为耐热钢板焊制的外壳内砌筑或浇注耐高温的耐火材料构成的一端封闭另一端开口的圆筒体。

3.根据权利要求1所述的烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，其特征在于，所述的内层支撑旋流片（3b）、外支撑旋流片（4b）均由不少于四片、周向倾斜的耐热钢板制成的平板体，内层支撑旋流片的两端分别固定在中心管和内管上，外支撑旋流片的两端分别固定在内管和外管上。

4.根据权利要求1所述的烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，其特征在于，所述的助混均流板（6a）是由多条耐热钢片等距正交构成的格栅状结构，垂直安装在一次空气预混合室（6）内。

5.根据权利要求1所述的烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，其特征在于，所述的气流调节钝体（7）为圆锥体，圆锥体的锥顶置于内管的内端开口处中心，圆锥体的中心张角为60°～90°角。

6.根据权利要求5所述的烟气回流与分级预混燃烧的控温低氮节能的燃烧装置，其特征在于，所述的气流调节钝体（7）为耐热钢壳体内用耐火浇注料浇注填实制成的圆锥体。