CN110285418A - 一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，能够更加充分的回收烟气余热，最大限度地提高预热空气温度、降低排烟温度，将烧嘴的换热效率提升至80%以上，极大地提高自预热烧嘴的节能水平；同时该烧嘴在低温时使用空气燃气双分级燃烧技术、高温时使用无焰燃烧技术，最优化地解决了烧嘴在整个燃烧过程中由于空气预热温度升高后火焰燃烧温度升高导致NOx排放上升的问题，节能且环保。
Description
技术领域
本发明涉及自身预热式烧嘴领域，尤指一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴。
背景技术
能源与环境，一直都是世界工业发展的矛盾话题。我国是世界上资源较为匮乏的国家之一，工业发展的基础原料短缺，既要绿水青山，也要金山银山成为我国今后工业生态文明发展建设的新理念，因此如何更加高效的利用现有能源，并且符合国家的环保标准成为工业发展的新趋势。
自身预热式烧嘴是一类典型的工业炉窑烧嘴，烧嘴既充当燃烧装置，也充当排烟装置，并且同时进行，但常规自身预热式烧嘴的燃烧方式单一，换热效率一直较低；同时传统结构在用于有空气预热的常规燃烧模式时，NOx等污染物生成量较大，难以满足环保标准。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，能够更加充分的回收烟气余热，最大限度地提高预热空气温度、降低排烟温度，将烧嘴的换热效率提升至80%以上，极大地提高自预热烧嘴的节能水平；同时该烧嘴在低温时使用空气燃气分级燃烧技术、高温时使用无焰燃烧技术，最优化地解决了烧嘴在整个燃烧过程中由于空气预热温度升高后火焰燃烧温度升高导致NOx排放上升的问题，节能又环保。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：包括空气管、燃气通道、烟气管、燃烧室和点火电极，燃烧室置于空气管内前端开口处，燃烧室与空气管间形成第一环缝隙，点火电极的点火端设置在燃烧室内，空气管表面套装有换热管，且空气管表面开设有风孔，换热管的一端延伸至燃烧室处与燃烧室出口处形成第二环缝隙，空气管后端外部套装有带空气进口和烟气出口的空气壳体，烟气管套装在换热管表面，空气壳体外表面固定设置有带燃气口的燃气壳体，燃气通道的一端套装有弹簧并通过弹簧固定在空气管内与燃气口连通，燃气通道另一端连接有分流器，分流器表面设有连通燃烧室和燃气通道的分流道，且燃气通道延伸至燃烧室的出口处，燃气通道内设置有燃气管，燃气管一端延伸至燃气壳体外，空气壳体内设置有紧凑型换热器并套装在空气管表面，紧凑型换热器设有空气换热进端、空气换热出端、烟气换热进端和烟气换热出端，空气换热进端与空气进口连通，空气换热出端与换热管连通，烟气换热进端与烟气管连通，烟气换热出端与烟气出口连通。
优选地，所述紧凑型换热器包括外壳、第一法兰、第二法兰、若干平行设置的绕流挡板、换热导管, 换热导管贯穿绕流挡板，第一法兰和第二法兰环套在空气管表面并分别固定在外壳的两端，绕流挡板固定在外壳内并沿外壳延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰上，换热导管的另一端固定在第二法兰上。
优选地，所述若干换热导管的前端与空气进口连通，换热导管的后端与换热管连通；外壳前端的外壁与烟气出口连通，紧凑型换热器后端的内壁与烟气管连通。
优选地，外壳后端的外壁与空气进口连通，紧凑型换热器前端的内壁与换热管连通；若干换热导管的前端与烟气管连通，换热导管的后端与烟气出口连通。
优选地，所述紧凑型换热器包括第一法兰、第二法兰、若干平行设置的绕流挡板、换热导管, 换热导管贯穿绕流挡板，第一法兰和第二法兰环套在空气管表面并固定的空气壳体内两端，绕流挡板固定在空气壳体内并沿空气壳体延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰上，换热导管的另一端固定在第二法兰上。
优选地，所述若干换热导管的前端与空气进口连通，换热导管的后端与换热管连通；紧凑型换热器前端的外壁与烟气出口连通，紧凑型换热器后端的内壁与烟气管连通。
优选地，紧凑型换热器后端的外壁与空气进口连通，紧凑型换热器前端的内壁与换热管连通；若干换热导管的前端与烟气管连通，换热导管的后端与烟气出口连通。
优选地，还包括风盘，所述风盘套接在分流器表面，风盘表面沿圆周方向设置有风道，风道连通燃烧室和烧嘴管。
优选地，所述换热管外表面均匀设有多组凹凸状翅片。
优选地，所述分流器中，分流道为环形风道或由多个沿环形分布的孔道。
本发明的有益效果在于：
1.通过在现有常规一级换热器的自预热烧嘴基础上增加紧凑型换热器置于空气壳体内集成型二级换热器，助燃空气进入紧凑型换热器后与高温燃气换热，烟气降低温度排出，助燃空气经过了一次的换热升温，同时在空气管的表面设置换热管，在空气管外表面套装换热器，烧嘴燃烧后的高温燃气回流至烧嘴时经过换热管对空气管内的助燃空气二次换热升温，，即对助燃空气进行两级的换热，有效提高了换热的效率，最大化地提高预热空气温度，利用烟气的余热对助燃空气充分预热，提高燃烧效率，极大地提高自预热烧嘴的节能水平；
2.通过在燃烧室内设置有分流器，分流器上设置有分流道，可根据燃烧方式的需要，设置单一的燃气通道或燃气管进燃气或者同时进燃气，根据需要设置不同的燃烧方式，提高燃烧效率，降低NOx的产生，达到节能减排的目的；
3.在燃气分级的前提下再结合空气分级技术，通过在空气管表面设置有风孔，大部分助燃空气从换热管进入空气管到达燃烧室，部分助燃空气从风孔进入空气管，与进入到燃烧室内的燃气混合，部分助燃空气从第二环缝隙进入加热空间，与燃烧室出口附近的燃气、一级燃烧产物和加热空间内的部分回流烟气混合后进行二次燃烧，成高速火焰，高速火焰能卷吸周围的烟气参与燃烧，能有效的降低火焰燃烧温度，从而减少NOx的产生；
4.通过在燃气通道表面套装弹簧并通过弹簧固定在空气壳体内，可以在烧嘴内部装置有热膨胀性移位时保证燃气***结构的安全性与稳固性，进而提高整体设备的实用寿命和使用的安全性。
附图说明
图1 是实施例一的内部结构剖面图；
图2 是实施一中助燃空气和烟气流向示意图；
图3 是实施例一中助燃空气和烟气另一流向方式示意图；
图4 是实施例二中助燃空气和烟气另一流向示意图；
图5 是实施例二中采用辐射管间接加热的安装示意图；
图6 是第一法兰或第二法兰的正视图；
图7 是紧凑式换热器结构的侧视图；
图8是紧凑式换热器中换热管的安装示意图；
图9 是紧凑式换热器中换热管的结构侧视图其一；
图10 是紧凑式换热器中换热管的结构侧视图其二；
图11 是紧凑式换热器中换热管的结构侧视图其三；
图12 是图11的正视图。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1所示，本实施例关于一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，包括空气管25、燃气通道26、烟气管21、燃烧室28和点火电极3，燃烧室28置于空气管25内前端开口处，燃烧室28与空气管25间形成第一环缝隙，点火电极3的点火端设置在燃烧室28内，空气管25表面套装有换热管23，且空气管25表面开设有风孔18，换热管23的一端延伸至燃烧室28处与燃烧室28出口处形成第二环缝隙，空气管25后端外部套装有带空气进口8和烟气出口9的空气壳体7，烟气管21套装在换热管23表面，空气壳体7外表面固定设置有带燃气口1的燃气壳体5，空气壳体7与燃气壳体5之间布置保温内衬6；燃气通道26的一端套装有弹簧19并通过弹簧19固定在空气管25内与燃气口1连通，燃气通道26另一端连接有分流器，分流器表面设有连通燃烧室28和燃气通道26的分流道30，且燃气通道26延伸至燃烧室28的出口处，燃气通道26内设置有燃气管2，燃气管2一端延伸至燃气壳体5外，空气壳体7内设置有紧凑型换热器12并套装在空气管25表面，
请参阅图4-5所示，本实施例中，紧凑型换热器12包括外壳13、第一法兰16、第二法兰17、若干平行设置的绕流挡板15、换热导管14, 换热导管14贯穿绕流挡板15，第一法兰16和第二法兰17环套在空气管25表面并分别固定在外壳13的两端，绕流挡板15固定在外壳13内并沿外壳13延伸方向交替间隔分布，换热导管14的一端固定设置在第一法兰16上，换热导管14的另一端固定在第二法兰17上，紧凑型换热器12设有空气换热进端、空气换热出端、烟气换热进端和烟气换热出端，空气换热进端与8连通，空气换热出端与换热管23连通，烟气换热进端与烟气管21连通，烟气换热出端与烟气出口9连通。
空气换热进端、空气换热出端、烟气换热进端和烟气换热出端的连接可根据具体需要设置。
请参阅图2所示，本实施例中若干换热导管14的前端作为空气换热进端与空气进口8连通，换热导管14的后端作为空气换热出端与换热管23连通；外壳13前端的外壁作为烟气换热出端与烟气出口9连通，紧凑型换热器12后端的内壁作为烟气换热进端与烟气管21连通。则助燃空气进入换热导管14内，而烟气在换热导管14外经绕流挡板15绕流，空气与烟气相互逆流进行热交换。
本实施例的工作原理如下
（1）低温时(即低于特定的温度，本实施例为850℃），烧嘴控制器给出运行信号，外部供燃气***供给燃气，燃气经燃气壳体5的燃气口1进入燃气导管26后到燃烧室28内，助燃空气由空气进口8进入空气壳体7，一部分进入紧凑型换热器12的换热导管14与回流烟气进行换热后进入换热管23，随后从换热管23端部的第二环缝隙进入空气管25，再通过第一环缝隙后经风盘29进入燃烧室28，另一部分助燃空气从空气管25表面风孔18进入空气管28，进入空气管25的助燃空气经过风盘29后进入燃烧室28，燃气由分流器的分流道30部分喷出后与经过风盘29的一次助燃空气混合，经自冷却电极3点燃（同时检测火焰信号）后燃烧，燃烧产物与从燃气导管26末端喷出的二次燃气混合继续燃烧，再与换热管23的出口处的二级空气混合再次燃烧，此时可根据实际热负荷可选从燃气管2供给燃气，进行燃气三级燃烧。采用空气燃气双分级的燃烧方式配合特定烧嘴结构，能够在低温负荷或者低温升温时满足超低NOx排放。
（2）高温时（高于850℃），关闭燃气从燃气口1供给，只留燃气管2供给，同时电极3不点火，空气仍旧分两级分别从燃烧室和换热管23出口进入加热空间，燃气直接由燃气管2进入加热空间，在高温环境下进行弥散的无焰燃烧，无局部高温区，实现超低NOx排放。
（3）两种温度工作模式下，烟气均由烟气管21与换热管23内的的空气进行一级热交换，之后进入紧凑型换热器12中与换热导管14中的空气进行二级换热，此时烟气流道会经过绕流挡板15，增加行程，增加换热时间，之后由排烟口9排出低温的烟气。
（4）两种温度工作模式下，空气均由空气口8后进入空气壳体7，之后进入紧凑型换热器12中，进入紧凑型换热器12的换热导管14，与管外侧烟气进行换热，之后进入空气壳体7中后再次经过换热管23与烟气管21中的烟气进行换热，之后进行助燃。
请参阅图3所示，本实施例中与图2的不同之处在于，外壳13后端的外壁作为空气换热进端与空气进口8连通，紧凑型换热器12前端的内壁作为空气换热出端与换热管23连通；若干换热导管14的前端作为烟气换热进端与烟气管21连通，换热导管14的后端作为烟气换热出端与烟气出口9连通。则烟气进入换热导管14内，而助燃空气在换热导管14外经绕流挡板15绕流，空气与烟气相互逆流进行热交换。
实施例二
请参阅图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于，紧凑型换热器12不包括外壳，第一法兰16和第二法兰17环套在空气管25表面并固定的空气壳体7内两端，绕流挡板15固定在空气壳体7内并沿空气壳体7延伸方向交替间隔分布，换热导管14的一端固定设置在第一法兰16上，换热导管14的另一端固定在第二法兰17上，具体实施时，必须在空气壳体7的内壁加保温内衬6。
如图4所示，本实施例中若干换热导管14的前端作为空气换热进端与空气进口8连通，换热导管14的后端作为空气换热出端与换热管23连通；紧凑型换热器12前端的外壁作为烟气换热进端与烟气出口9连通，紧凑型换热器12后端的内壁作为烟气换热出端与烟气管21连通。则助燃空气进入换热导管14内，而烟气在换热导管14外经绕流挡板15绕流，空气与烟气相互逆流进行热交换。
如图5所示，本实施例中紧凑型换热器12后端的外壁为空气换热进端与空气进口8连通，紧凑型换热器12前端的内壁为空气换热出端与换热管23连通；若干换热导管14的前端为空气换热进端与烟气管21连通，换热导管14的后端为空气换热出端与烟气出口9连通。则烟气进入换热导管14内，而助燃空气在换热导管14外经绕流挡板15绕流，空气与烟气相互逆流进行热交换。
换热管14采用如不锈钢管类较硬质管时采用钎焊等金属熔融方式连接；换热管14采用铜管等软质管时可选采用翻头压紧固定等挤压式机械力连接（图8），此时每一侧安装法兰分为a/b两块薄法兰。
紧凑型换热器的换热管14采用直管布置也可采用弹簧型螺旋状环形布置以增大换热面积；换热管14的形式包括但不限于光滑圆管（图9）、粗糙管（表面进行加工以增大换热面积，请参考图10）和翅片管（管上平行、螺旋或垂直布置翅片，请参考图11-12）。
为满足更低NOx排放可选燃气通道26短于燃气管2先行喷出。
为满足紧凑型换热器12和换热管23的整体换热效率，实现设计效率和排烟温度。
紧凑型换热器12换热面积A与换热管23的换热面积B满足A=0.793e2.314B关系。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，包括空气管、燃气通道、烟气管、燃烧室和点火电极，燃烧室置于空气管内前端开口处，燃烧室与空气管间形成第一环缝隙，点火电极的点火端设置在燃烧室内，空气管表面套装有换热管，且空气管表面开设有风孔，换热管的一端延伸至燃烧室处与燃烧室出口处形成第二环缝隙，空气管后端外部套装有带空气进口和烟气出口的空气壳体，烟气管套装在换热管表面，空气壳体外表面固定设置有带燃气口的燃气壳体，燃气通道的一端套装有弹簧并通过弹簧固定在空气管内与燃气口连通，燃气通道另一端连接有分流器，分流器表面设有连通燃烧室和燃气通道的分流道，且燃气通道延伸至燃烧室的出口处，燃气通道内设置有燃气管，燃气管一端延伸至燃气壳体外，空气壳体内设置有紧凑型换热器并套装在空气管表面，紧凑型换热器设有空气换热进端、空气换热出端、烟气换热进端和烟气换热出端，空气换热进端与空气进口连通，空气换热出端与换热管连通，烟气换热进端与烟气管连通，烟气换热出端与烟气出口连通。
2.根据权利要求1所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述紧凑型换热器包括外壳、第一法兰、第二法兰、若干平行设置的绕流挡板、换热导管, 换热导管贯穿绕流挡板，第一法兰和第二法兰环套在空气管表面并分别固定在外壳的两端，绕流挡板固定在外壳内并沿外壳延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰上，换热导管的另一端固定在第二法兰上。
3.根据权利要求2所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述若干换热导管的前端与空气进口连通，换热导管的后端与换热管连通；外壳前端的外壁与烟气出口连通，紧凑型换热器后端的内壁与烟气管连通。
4.根据权利要求2所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，外壳后端的外壁与空气进口连通，紧凑型换热器前端的内壁与换热管连通；若干换热导管的前端与烟气管连通，换热导管的后端与烟气出口连通。
5.根据权利要求1所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述紧凑型换热器包括第一法兰、第二法兰、若干平行设置的绕流挡板、换热导管, 换热导管贯穿绕流挡板，第一法兰和第二法兰环套在空气管表面并固定的空气壳体内两端，绕流挡板固定在空气壳体内并沿空气壳体延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰上，换热导管的另一端固定在第二法兰上。
6.根据权利要求5所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述若干换热导管的前端与空气进口连通，换热导管的后端与换热管连通；紧凑型换热器前端的外壁与烟气出口连通，紧凑型换热器后端的内壁与烟气管连通。
7.根据权利要求5所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，紧凑型换热器后端的外壁与空气进口连通，紧凑型换热器前端的内壁与换热管连通；若干换热导管的前端与烟气管连通，换热导管的后端与烟气出口连通。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，还包括风盘，所述风盘套接在分流器表面，风盘表面沿圆周方向设置有风道，风道连通燃烧室和烧嘴管。
9.根据权利要求1-7任一项所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述换热管外表面均匀设有多组凹凸状翅片。
10.根据权利要求1-7任一项所述的高效低NOx紧凑型自身预热式烧嘴，其特征在于，所述分流器中，分流道为环形风道或由多个沿环形分布的孔道。
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