CN118167991A - 一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，该燃烧器包括供给结构、爆震燃烧室以及水冷却结构；供给结构包括燃料补给结构与氧化剂进气结构；爆震燃烧室包括：点火器、燃烧室内壁以及燃烧室外壁；燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成环形腔室；点火器设置在燃烧室外壁上；燃烧室外壁与工业窑炉的炉膛相连接；燃料补给结构的出口与环形腔室的入口相连接；氧化剂进气结构的出口与环形腔室的入口相连接；水冷却结构设置在燃烧室内壁以及燃烧室外壁上。通过旋转爆震燃烧的过程中产生的燃气进入炉膛内；可以显著提高炉膛内的燃气温度，同时强化工业窑炉内的对流和传热过程，从而降低工业窑炉能耗、提高炉膛温度的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及工业窑炉技术领域，具体而言，涉及一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器。
背景技术
目前，工业窑炉在冶金、玻璃制备等工业生产领域有着广泛应用。为了降低窑炉能耗和污染物排放，富氧燃烧技术被引入工业窑炉的燃烧器中。富氧燃烧技术采用的氧化剂通常是富氧空气，也就是说燃烧过程中供给的氧气量大于燃料实际需要的氧气量，从而在富氧燃烧器中形成富氧环境。
在富氧燃烧器中，燃料与氧化剂中的氧气进行燃烧反应得到的燃气并在燃烧反应的过程中产生燃烧产物，燃烧产物中主要包括燃料与氧气燃烧反应后得到的生成物以及氮气。当提高氧化剂中氧气的含量后，会显著降低氧化剂中氮气的含量，从而减少富氧燃烧中的燃气量。
由于燃气量大幅减少，燃气对窑炉的炉膛内部的扰动作用也会显著减小。导致炉膛内部的对流换热能力大幅降低，从而影响炉膛内温度的均匀性。若炉膛内对流换热能力下降、温度场分布不均匀直接会导致炉膛中的工件受热不均从而影响炉膛的质量。例如：对于陶瓷烧结的炉膛而言，如果工件受热不均会导致陶瓷局部开裂，减低成品率。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例的目的在于提供一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器。
第一方面，本发明实施例提供了一种旋转爆震富氧燃烧器，旋转爆震富氧燃烧器的出口与工业窑炉的进风口相连接，包括：供给结构、爆震燃烧室以及水冷却结构；
供给结构包括燃料补给结构与氧化剂进气结构；
爆震燃烧室包括：点火器、燃烧室内壁以及燃烧室外壁；燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成环形腔室；点火器设置在燃烧室外壁上；
燃烧室外壁与工业窑炉的炉膛相连接；
燃料补给结构的出口与环形腔室的入口相连接；氧化剂进气结构的出口与环形腔室的入口相连接；
水冷却结构设置在燃烧室内壁以及燃烧室外壁上；
水冷却结构，用于给燃烧室内壁以及燃烧室外壁组成的环形腔室降温；
燃料补给结构用于向爆震燃烧室供应燃料；氧化剂进气结构用于向爆震燃烧室供应氧化剂气体；
燃料与氧化剂气体进入环形腔室之前进行混合，形成的混合气体进入环形腔室内；
点火器用于点燃混合气体；混合气体在环形腔室内被点燃后形成旋转爆震燃烧，并在旋转爆震燃烧的过程中产生燃气，旋转爆震燃烧的过程中产生的所述燃气进入所述炉膛内。
本申请实施例上述第一方面提供的方案中提供的一种旋转爆震富氧燃烧器中，燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成环形腔室；燃料补给结构的出口与环形腔室的入口相连接，氧化剂进气结构的出口与环形腔室的入口相连接；燃烧室外壁与工业窑炉的炉膛相连接；通过燃料补给结构向爆震燃烧室供应燃料，氧化剂进气结构向爆震燃烧室供应氧化剂气体；燃料与氧化剂气体进入环形腔室之前进行混合，形成的混合气体进入环形腔室内；通过点火器点燃混合气体；混合气体在环形腔室内被点燃后形成旋转爆震燃烧；与相关技术中富氧燃烧器的结构使得燃气在燃烧器中只能缓慢燃烧，燃气对炉膛内部的扰动作用较小相比，通过燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成的环形腔室实现旋转爆震，旋转爆震燃烧的过程中产生的燃气进入炉膛内；旋转爆震产生的燃气具有高频旋转、强剪切特性的特点，可以显著提高炉膛内的燃气温度，同时强化工业窑炉内的对流和传热过程，从而可以显著降低工业窑炉能耗、提高炉膛温度的均匀性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器的总体结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器的剖面图；
图3示出了本发明实施例所提供的旋转爆震富氧燃烧器中冷却水与水蒸汽流动方向示意图。
图标：1、供给结构；11、氧化剂进气结构；12、燃料补给结构；121、燃料入口通道；122、燃料贮存腔室；123、燃料喷注小孔；2、爆震燃烧室；21、掺混段；22、环形腔室；23、点火器；311、燃烧室内壁冷却水进水通道；312、燃烧室外壁冷却水进水通道；321、燃烧室内壁冷却水出水通道；322、燃烧室外壁冷却水出水通道；331、燃烧室内壁冷却通道；332、燃烧室外壁冷却通道；4、换热器；5、蒸汽喷射***；51、蒸汽贮存腔室；52、蒸汽电控阀；53、蒸汽输运管道；54、蒸汽喷射结构；6、炉膛转接件。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参见图1所示的一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器的总体结构示意图；图2所示的一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器的剖面图；如图1以及图2所示，本实施例提出一种旋转爆震富氧燃烧器，旋转爆震富氧燃烧器的出口与工业窑炉的进风口相连接，包括：供给结构1、爆震燃烧室2以及水冷却结构；
供给结构1包括燃料补给结构12与氧化剂进气结构11；
爆震燃烧室2包括：点火器23、燃烧室内壁以及燃烧室外壁；燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成环形腔室22；点火器23设置在燃烧室外壁上；燃烧室外壁与工业窑炉的炉膛相连接。
燃料补给结构12的出口与环形腔室22的入口相连接；氧化剂进气结构11的出口与环形腔室22的入口相连接；水冷却结构设置在燃烧室内壁以及燃烧室外壁上。
水冷却结构，用于给燃烧室内壁以及燃烧室外壁组成的环形腔室22降温。
燃料补给结构12用于向爆震燃烧室2供应燃料；氧化剂进气结构11用于向爆震燃烧室2供应氧化剂气体；燃料与氧化剂气体进入环形腔室22之前进行混合，形成的混合气体进入环形腔室22内。
点火器23用于点燃混合气体；混合气体在环形腔室22内被点燃后形成旋转爆震燃烧，并在旋转爆震燃烧的过程中产生燃气，旋转爆震燃烧的过程中产生的燃气进入炉膛内。
具体地，上述燃料包括但不限于：气体燃料和液体燃料。
气体燃料，可以是：氢气和甲烷；液体燃料，可以是：煤油和石油。
氧化剂气体可以是氧气体积分数在21%至100%之间的富氧空气。
燃气包括燃料燃烧产生的高温燃烧产物、氧化剂气体中可能含有的氮气以及氧化剂气体中未与燃料燃烧的氧气。
水冷却结构包括进水通道、冷却通道以及出水通道。冷却水通过进水通道进入燃烧器内，在燃烧室壁面夹层的冷却通道内流动实现对爆震燃烧室2的降温，接着通过出水通道流出燃烧室。
在爆震燃烧室2中，燃料和氧化剂气体从爆震燃烧室2的头部喷入，通过点火器23点火后在爆震燃烧室2的头部处形成一道可稳定自持、旋转的爆震波，爆震波后的高温燃气经过膨胀加速后从爆震燃烧室2的出口排出。环形腔室22是爆震波传播的空间。
其中，爆震燃烧室2的头部区域指的是爆震波传播区域。
根据炉膛的形状，爆震燃烧室2的形状可以是但不限于：环缝型、空桶型或者圆盘型。
传统燃烧室中燃料的释热慢、不集中，因此在高温环境下氧化剂中的氮气与氧气有充足的时间反应生成氮氧化物（NOx），氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。而本实施例中基于旋转爆震实现燃料的稳定富氧燃烧，利用旋转爆震燃烧温度高、释热快的燃烧特性以及爆震波后的气流流动速度快，可以大幅减少NOx生成。
可选地，旋转爆震富氧燃烧器，还包括：换热器4和蒸汽喷射***5；换热器4设置于环形腔室22的下侧，水冷却结构的出口与换热器4相连接。
蒸汽喷射***5，包括：蒸汽贮存腔室51、蒸汽输运管道53与蒸汽喷射结构54；换热器4与蒸汽贮存腔室51的一侧相连接；蒸汽贮存腔室51的另一侧与蒸汽输运管道53的一侧相连接；蒸汽输运管道53的另一侧与蒸汽喷射结构54的一侧相连接；蒸汽喷射结构54的另一侧与炉膛相连接。
换热器4用于将进入换热器4中的冷却水与环形燃烧器产生的燃气进行换热，得到蒸汽。
具体地，换热器4是由螺旋式的换热管道组成，位于燃烧器下游。冷却水进入换热管道中，通过吸收高温燃气传递给换热器4的热量汽化为蒸汽，从换热器4的出口流出。采用水冷却方式对燃烧器组件降温，通过换热器4使得生成的水蒸气可循环利用。
换热器4产生的蒸汽进入蒸汽贮存腔室51，通过彼此独立的蒸汽输运管道53进入蒸汽喷射结构54中，蒸汽作为辅助气体通过蒸汽喷射结构54喷注，与爆震燃烧室2排出的高温燃气掺混后进入炉膛的炉腔内。在蒸汽喷射结构54中沿周向方向分布多个蒸汽射流喷口，通过开启或关闭特定位置的喷口可以调节高温燃气流动形态。蒸汽与高温燃气的掺混可以强化燃气的辐射换热特性。具体来说，蒸汽与高温燃气掺混后温度进一步提高，由于蒸汽的热辐射系数高，蒸汽与高温燃气掺混后可以有效提升混合气的热辐射能力。
通过调节蒸汽喷射结构54不同周向位置的水蒸气喷注量、喷注角度等参数，对爆震燃烧室2出口的燃气扩张角、倾角等流动形态进行主动控制，从而实现对炉膛内温度分布的快速实时调控。
优选地，每个蒸汽喷射通道可以单独控制，以实现对于单一通道的开断以及蒸汽流量调节。且蒸汽射流出口流速越高，可以获得更好的流动控制效果。蒸汽喷射可以调整出口燃气的喷射方向，具体地，某一侧蒸汽喷射通道的蒸汽流量大、流速快，燃烧器出口燃气会更偏向那一侧。每个蒸汽喷射通道能够实现开断以及蒸汽流量调节，可以最大化提升对高温燃气的调控能力。
可选地，蒸汽喷射***5，还包括：蒸汽电控阀52；蒸汽电控阀52卡在蒸汽输运管道53外侧，用于控制蒸汽喷射***5的打开、关闭以及对蒸汽喷射***5的蒸汽流量进行调节。
可选地，燃料补给结构12包括：燃料入口通道121、燃料贮存腔室122以及燃料喷注小孔123；燃料入口通道121的一侧用于放入燃料；燃料入口通道121的另一侧与燃料贮存腔室122的一侧相连接；燃料贮存腔室122的另一侧与燃料喷注小孔123的一侧相连接。
燃料喷注小孔123沿燃料贮存腔室122的周向设置于燃料贮存腔室122的外侧；燃料喷注小孔123用于将燃料贮存腔室122内存储的燃料喷注到爆震燃烧室2内。
具体地，燃料贮存腔室122用于贮存燃料。
氧化剂通过氧化剂进气结构11的进气环缝进入爆震燃烧室2。
可选地，旋转爆震富氧燃烧器，还包括：掺混段21；掺混段21设置在燃料喷注小孔123以及氧化剂进气结构11的出口之间；掺混段21用于将燃料和氧化剂气体进行混合，从而在燃料与氧化剂气体进入环形腔室22之前进行混合，形成混合气体。
可选地，旋转爆震富氧燃烧器，还包括：炉膛转接件6；炉膛转接件6的一侧与燃烧室外壁靠近炉膛的一侧可拆卸连接，炉膛转接件6的另一侧与炉膛的一侧可拆卸连接。
具体地，炉膛转接件6设置于爆震燃烧器的出口，可以满足快速安装和检修等需求。
可选地，水冷却结构，包括：依次连接的燃烧室内壁冷却水进水通道311、燃烧室内壁冷却通道331以及燃烧室内壁冷却水出水通道321；燃烧室内壁冷却水进水通道311和燃烧室内壁冷却水出水通道321设置在燃烧室内壁上，燃烧室内壁冷却通道331设置在燃烧室内壁靠近燃烧室外壁的一侧；冷却水通过燃烧室内壁冷却水进水通道311进入燃烧室内壁冷却通道331，并通过燃烧室内壁冷却水出水通道321流出。
可选地，水冷却结构，还包括依次连接的燃烧室外壁冷却水进水通道312、燃烧室外壁冷却通道332以及燃烧室外壁冷却水出水通道322；燃烧室外壁冷却水进水通道312和燃烧室外壁冷却水出水通道322设置在燃烧室外壁上，燃烧室外壁冷却通道332设置在燃烧室外壁远离燃烧室内壁的一侧；冷却水通过燃烧室外壁冷却水进水通道312进入燃烧室外壁冷却通道332，并通过燃烧室外壁冷却水出水通道322流出。
具体地，参见图3所示的一种旋转爆震富氧燃烧器中冷却水与水蒸汽流动方向示意图，用于冷却燃烧室外壁的冷却水经由燃烧室外壁冷却水出水通道322流出燃烧室。用于冷却燃烧室内壁的冷却水一部分经由燃烧室内壁冷却水出水通道321流出爆震燃烧室2，另一部分冷却水进入换热器4中用于产生蒸汽。换热器4的入口对应燃烧室内壁冷却水出水通道321中的其中一个出口。
图3中的箭头代表的是冷却水或者水蒸气的流动方向。指向左侧的箭头指的是离开爆震燃烧器的冷却水，指向右侧的离开燃烧器的扩散型箭头指的是进入炉膛的水蒸气。
综上所述，本申请实施例提供的一种旋转爆震富氧燃烧器中，燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成环形腔室；燃料补给结构的出口与环形腔室的入口相连接，氧化剂进气结构的出口与环形腔室的入口相连接；燃烧室外壁与工业窑炉的炉膛相连接；通过燃料补给结构向爆震燃烧室供应燃料，氧化剂进气结构向爆震燃烧室供应氧化剂气体；燃料与氧化剂气体进入环形腔室之前进行混合，形成的混合气体进入环形腔室内；通过点火器点燃混合气体；混合气体在环形腔室内被点燃后形成旋转爆震燃烧；与相关技术中富氧燃烧器的结构使得燃气在燃烧器中只能缓慢燃烧，燃气对炉膛内部的扰动作用较小相比，通过燃烧室内壁以及燃烧室外壁形成的环形腔室实现旋转爆震，旋转爆震燃烧的过程中产生的燃气进入炉膛内；旋转爆震产生的燃气具有高频旋转、强剪切特性的特点，可以显著提高炉膛内的燃气温度，同时强化工业窑炉内的对流和传热过程，从而可以显著降低工业窑炉能耗、提高炉膛温度的均匀性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，所述旋转爆震富氧燃烧器的出口与工业窑炉的进风口相连接，其特征在于，包括：供给结构、爆震燃烧室以及水冷却结构；
所述供给结构包括燃料补给结构与氧化剂进气结构；
所述爆震燃烧室包括：点火器、燃烧室内壁以及燃烧室外壁；所述燃烧室内壁以及所述燃烧室外壁形成环形腔室；所述点火器设置在所述燃烧室外壁上；
所述燃烧室外壁与所述工业窑炉的炉膛相连接；
所述燃料补给结构的出口与所述环形腔室的入口相连接；所述氧化剂进气结构的出口与所述环形腔室的入口相连接；
所述水冷却结构设置在所述燃烧室内壁以及所述燃烧室外壁上；
所述水冷却结构，用于给所述燃烧室内壁以及所述燃烧室外壁组成的所述环形腔室降温；
所述燃料补给结构用于向所述爆震燃烧室供应燃料；所述氧化剂进气结构用于向所述爆震燃烧室供应氧化剂气体；
所述燃料与所述氧化剂气体进入所述环形腔室之前进行混合，形成的混合气体进入所述环形腔室内；
所述点火器用于点燃所述混合气体；所述混合气体在所述环形腔室内被点燃后形成旋转爆震燃烧，并在旋转爆震燃烧的过程中产生燃气，旋转爆震燃烧的过程中产生的所述燃气进入所述炉膛内。
2.根据权利要求1所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，还包括：换热器和蒸汽喷射***；
所述换热器设置于所述环形腔室的下侧，所述水冷却结构的出口与所述换热器相连接；
所述蒸汽喷射***，包括：蒸汽贮存腔室、蒸汽输运管道与蒸汽喷射结构；所述换热器与所述蒸汽贮存腔室的一侧相连接；所述蒸汽贮存腔室的另一侧与所述蒸汽输运管道的一侧相连接；所述蒸汽输运管道的另一侧与所述蒸汽喷射结构的一侧相连接；所述蒸汽喷射结构的另一侧与所述炉膛相连接；
所述换热器用于将进入所述换热器中的冷却水与所述环形燃烧器产生的燃气进行换热，得到蒸汽。
3.根据权利要求2所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，所述蒸汽喷射***，还包括：蒸汽电控阀；
所述蒸汽电控阀卡在所述蒸汽输运管道外侧，用于控制所述蒸汽喷射***的打开、关闭以及对所述蒸汽喷射***的蒸汽流量进行调节。
4.根据权利要求1所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，所述燃料补给结构包括：燃料入口通道、燃料贮存腔室以及燃料喷注小孔；
所述燃料入口通道的一侧用于放入燃料；所述燃料入口通道的另一侧与所述燃料贮存腔室的一侧相连接；所述燃料贮存腔室的另一侧与所述燃料喷注小孔的一侧相连接；
所述燃料喷注小孔沿所述燃料贮存腔室的周向设置于所述燃料贮存腔室的外侧；所述燃料喷注小孔用于将所述燃料贮存腔室内存储的燃料喷注到所述爆震燃烧室内。
5.根据权利要求4所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，还包括：掺混段；
所述掺混段设置在所述燃料喷注小孔以及所述氧化剂进气结构的出口之间；
所述掺混段用于将所述燃料和所述氧化剂气体进行混合，从而在所述燃料与所述氧化剂气体进入所述环形腔室之前进行混合，形成所述混合气体。
6.根据权利要求1所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，还包括：炉膛转接件；
所述炉膛转接件的一侧与所述燃烧室外壁靠近所述炉膛的一侧可拆卸连接，所述炉膛转接件的另一侧与所述炉膛的一侧可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，所述水冷却结构，包括：依次连接的燃烧室内壁冷却水进水通道、燃烧室内壁冷却通道以及燃烧室内壁冷却水出水通道；
所述燃烧室内壁冷却水进水通道和燃烧室内壁冷却水出水通道设置在所述燃烧室内壁上，所述燃烧室内壁冷却通道设置在所述燃烧室内壁靠近所述燃烧室外壁的一侧；
冷却水通过所述燃烧室内壁冷却水进水通道进入所述燃烧室内壁冷却通道，并通过所述燃烧室内壁冷却水出水通道流出。
8.根据权利要求7所述的适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器，其特征在于，所述水冷却结构，还包括依次连接的燃烧室外壁冷却水进水通道、燃烧室外壁冷却通道以及燃烧室外壁冷却水出水通道；
所述燃烧室外壁冷却水进水通道和燃烧室外壁冷却水出水通道设置在所述燃烧室外壁上，所述燃烧室外壁冷却通道设置在所述燃烧室外壁远离所述燃烧室内壁的一侧；
冷却水通过所述燃烧室外壁冷却水进水通道进入所述燃烧室外壁冷却通道，并通过所述燃烧室外壁冷却水出水通道流出。
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|---|---|---|---|
| CN202410521587.4A CN118167991A (zh) | 2024-04-28 | 2024-04-28 | 一种适用于工业窑炉的旋转爆震富氧燃烧器 |
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