CN1902441B - 低污染排放的气体燃烧器 - Google Patents

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Abstract

气体燃烧器(1)，其包括金属主体(6)，用于燃气的内喷管(11)，至少两个用于燃气的外喷管(10)，用于输送预热空气的单管道(8)，用于燃气的调节***，耐火单元(30)，其特征在于所述气体燃烧器(1)包括多个用于将预热空气喷射入燃烧室的喷嘴(20)，通过操作气体调节***，可以连续地从燃烧器的火焰功能模式切换至无焰功能模式，后者的特征在于低污染物排放。

Description

低污染排放的气体燃烧器
技术领域
本发明涉及一种气体燃烧器，尤其是涉及一种低氮氧化物污染排放的燃烧器。
背景技术
在高温下操作的燃烧室情况下，通过预热助燃空气从燃烧烟气中恢复部分热量是司空见惯的。
为了提高炉的效率，现在的趋势是提高预热温度。
该目标与NOx污染排放的增加趋势相冲突，已经知道NOx污染排放的增加是最大火焰温度的函数。
而且，必须尽可能地减少污染排放，这是因为为了遵守国家和国际规定燃烧器制造商所必须保证的排放烟气中NOx浓度的极限持续降低，这主要是因为美国市场需要的结果。
目前要求排放低于100ppm，且可以预测在不久的将来，即使在空气预热到500℃，排放的值将必须处于20-30ppm范围内。
为了实现这一目标，最近几年已经采用“稀薄燃烧”，且更近几年，采用元焰燃烧。
为了能够根据上述燃烧制度操作，必须采用恒高于可燃烧材料自燃温度的操作温度，在天然气的情况中，大约为850℃。
从而通常必须采用配备有“引燃器”的燃烧器，即能够将炉预热到上述温度的装置。
无焰燃烧器的一个特点是在燃烧室中提供特别均匀的热流和温度曲线的能力，这对于加热炉和热处理炉无疑是优点。
但是，通常决定炉子性能的燃烧器，特别是用于连续运行的设备的燃烧器，必须在充气调节(减小)和热曲线方面允许较大的灵活性。
已经广泛地公知，在工业炉中使用的燃烧***(燃烧器)中，其中燃气与助燃空气中存在的氧气反应，NOx排放几乎完全是因为热NOx，其形成受每一单独燃烧器特征几何因素和例如空气过量、助燃空气的预热温度和炉子的操作温度等操作因素二者的影响。
已经广泛地公知，在制度化燃烧反应过程中，在气态燃料无束缚氮的情况下，NOx的产生是由于极高的温度峰值存在，该峰值是由于高的局部氧浓度造成的，而高的局部氧浓度是由于可燃烧物质、助燃物和燃烧产物的不充分混合。
用于控制热NOx形成的可能手段通常为：
分级燃烧(“空气分级”型和“燃料分级”型)和稀薄燃烧。
近年来开发了一种新技术，称为元焰燃烧，其可以被认为是稀薄燃烧的发展，且在技术上基于再循环在炉子燃烧室中燃烧过的气体，这通过加剧空气分级而获得。
但是这种方案由于使用控制阀从而具有较高的成本，这些控制阀安装在热助燃空气的供应管道上，适于分配进入分级的部分中的空气流速。
当前允许火焰模式结合无焰模式的燃烧器需要助燃空气的分配***。
发明内容
本发明的总目标是以非常简单、经济和非常实用的方式解决上面提及的现有技术的缺点。
另一个目标是提供一种气体燃烧器，能够在较广的功能范围内维持所述非常低的排放，且其还能够易于修改燃烧室中的热曲线。
考虑到上述目标，根据本发明，设计了一种气体燃烧器，具有所附权利要求中表示的特征。
附图说明
参考附图，根据下面说明的分析，本发明的结构和功能特征及其相对于现有技术的优点将变得更加清楚和显而易见，附图表示了根据本发明自身的创新原理制造的低污染排放燃烧器。
在附图中：
-图1表示从根据本发明的气体燃烧器的一个实施例上方的右侧正面透视图；
-图2是图1中气体燃烧器的前视图；
-图3是图2的放大视图；
-图4是图3的放大正面侧视图；
-图5是图2的放大视图；
-图6是图1中燃烧器的分解视图；
-图7是用在炉子内的图1中燃烧器后部透视图；
-图8是图7中燃烧器的前视图；
-图9是图1中燃烧器的正面左侧视图；
-图10是图1中燃烧器的正面右侧视图；
-图11是图10的局部正面右侧视图；
-图12和13是根据本发明的第一和第二燃烧器的两个优选示意图。
具体实施方式
参考附图，所讨论的污染排放非常低的气体燃烧器整体用附图标记1表示，且在图示的例子中，根据本发明，其包括内部衬有一层耐火材料覆层4的中空圆柱形金属主体6，用于预热空气引入的单管道8，用于喷射燃气的内中心喷管11，至少两个用于喷射燃气的外侧喷管10，一组整体用附图标记30表示的耐火元件，和一些用于将预热空气喷射入炉子燃烧室中的喷嘴20。
中空圆柱形金属主体6具有一个侧面，用于引入预热空气的单管道8连接到该侧面上。
所述金属主体6还包含绝热纤维3。
所述金属主体6在第一底端敞开，而在第二底端其具有用于燃气分配器14的壳体。
“压力通风区”表示覆层4内部的空间，覆层4由耐火材料制成以保护金属主体6；所述内部空间具有在空气气流穿过位于耐火元件中的孔之前使其均匀的功能，孔和耐火元件分别用附图标记31和32表示。
所讨论的燃烧器既可以在“火焰”模式中作为引燃器(即，其可以将炉子加热到期望温度)，又可以用在氮氧化物排放很低的“无焰”模式。
所述燃烧器1还包括一些用于预热空气的校准吸气孔16，用于为燃烧器1点火的引燃装置的壳体17，以及用于火焰探测器的壳体18。
所述壳体17和18分别与金属部分中获得的由12和13表示的壳体相通。
所述壳体12和13分别为燃烧器1的点火装置和火焰探测器的正确定位提供机械支撑。
所述多个用于预热空气喷射的喷嘴20优选地包括十个喷嘴，而优选地所述多个校准吸气孔16包括三个孔。
为了便于识别，耐火单元30被拓扑分为三个区域：第一区域31，第二区域32和第三区域33，所有的区域均同心。
第一区域31包括与压力通风区和炉子燃烧室相通的腔体34，多个校准吸气孔16，用于燃烧器1点火装置的壳体17，用于火焰探测器的壳体18，和中心孔19，气体从中心孔19流出，且从该孔可选地实现空气的校准吸入，以冷却可燃物的中心喷管11。
腔体34相对于耐火单元30第二区域32的底面处于后方位置，其朝向炉子的燃烧室。
所述第二区域32包括多个用于将预热空气喷射入炉子燃烧室的喷嘴20，这些喷嘴位于第二区域32的底面上。
该区域32为环形，并位于内部的第一区域31和外部的第三区域33之间。
所述第三区域33，相对于第二区域32更靠外，也为环形，并位于区域32和耐火锥外部极限之间，耐火锥连接燃烧器1燃烧室的内壁。
第三区域33由耐火琢石50制成，且还包括至少两个位于第三区域底面上的贯通孔21，燃气从这些孔通过所述至少两个外喷管10流入燃烧室。
耐火单元30的第二区域32底面和第三区域33底面优选地为平的且相互对齐。
而且，耐火单元30的第二区域32底面和第三区域33底面优选地与炉子的内壁70对齐。
燃烧器在“引燃”模式工作所需的特定量预热空气，通过多个校准孔16吸取。为了限制内喷管11末端部分的过热，可选地在中心孔19和中心喷管11之间具有空气吸取部分。
由此，区域119被限定为从容纳燃气喷管的中心孔19表面和由喷管11外径包围的表面之间的差中获得的自由部分(环形冠)。
一旦比值k在容纳燃气喷管的中心孔19的水力直径和喷管11的外径之间已被定义，则所述k比值的范围为0.3-3，所述k比值的范围优选地为0.5-1.5。
当必须在“引燃”模式中使用燃烧器时，即，当炉子燃烧室的温度没有达到可燃物的自燃温度时，燃烧器在燃气离开中心喷管11的情况下操作。
当炉子燃烧室达到燃气在空气中的自燃温度时(即，对于天然气大约为850℃)，可以切换成无焰模式：通过使用燃气控制***上的启动装置操作，以20-150m/s的速率通过所述至少两个外侧喷管10喷射燃气。
从管道8进入的预热空气通过多个喷嘴20、校准孔16以及可选地通过区域119加速，并相关于空气本身的预热温度达到50-200m/s的速率。
然后所述预热空气进入炉子的燃烧室。
气体燃烧器1既能够在所谓的火焰模式中操作，也能在无焰模式下操作，无需在燃烧器本身内部或外部安装昂贵的热空气分配***。
根据本发明，实际上，一旦由燃烧器1提供的热力建立后，可以通过仅改变中心内喷管11和所述至少两个燃气的外侧喷管10之间的可燃流体分配百分比，通过仅操作可燃物的分配和控制***(包括一个或多个阀、致动器、传输器等)，无需以任何方式改变助燃空气的供应，就可从一个模式连续地过渡到另一个模式。
通过操作可燃流体的分配***，从而可以通过从多个喷嘴20、多个校准孔16和优选地还通过区域119导入预热空气，而获得均质的气氛，其中混合有燃气、预热空气和燃烧过的气体，从而燃烧反应以稀薄的方式发生，而不形成火焰锋。
在燃气与助燃物和燃烧产物混合的区域中，由于上游已经产生反应，氧气含量降低，低于大气水平。氧气浓度的限制允许反应能在更大的空间中进行。这使得反应能在更稀薄的反应物之间进行，且反应随后变得更加缓慢。这限制了温度峰值的产生，该温度峰值促进氮氧化物(热NOx)形成。
已知百分比的预热空气通过多个校准喷嘴20被吸入腔体34，相对于供应给燃烧器的空气总量，所述百分比范围为0-30％，其确保了完全燃烧反应所需的氧化剂流速和燃烧过的气体再循环。
在引燃(或火焰)功能模式中，燃气只通过中心内喷管11喷射入燃烧室。
在无焰模式中，燃气可以被如此喷射：
-平行于预热空气流
或
-其可以被这样喷射，以便燃气和预热空气的射流在预定距离相遇或
-其可以被这样喷射，以便燃气和预热空气的射流在几何学上(扩散形外喷管10)不相遇。
由于离开多个喷嘴20、多个校准孔16和可能的喷射区域119的空气射流的强烈冲力，空气本身和燃气与燃烧过的气体混合，允许在炉子燃烧室的整个空间中稀薄燃烧。
燃烧器可以在燃气通过中心内喷管11或所述至少两个外侧喷管10喷射的情况下操作。
通过控制阀分配的在内喷管11和所述至少两个外喷管10之间的燃气百分比的变化，允许调节燃烧室内部的热曲线，且如上所述，允许从火焰功能模式连续转变为无焰功能模式。
相对于燃气中心内喷管11的喷射轴线，燃气以-10°～10°的喷射倾角通过侧喷管喷射。
通过所述至少两个喷管10的燃气分配百分比的范围从火焰模式下的0％至无焰模式下的100％。
腔体34优选地具有外径Da2，长度La1，和内径Da1。
多个校准孔16的形状不需要必须为圆形。
热助燃空气从区域31流出的总截面定义为Ai。
一旦腔体34的深度La1和腔体34的内径Da1之间的比率s已定义，则所述比率s的范围为0-5；所述比率s的范围优选地为0-1.5。
而且，外径Da2大于或等于内径Da1。
一旦比率x已定义，等于多个校准孔16中第一孔的重心和多个校准孔中第二孔的重心之间的距离除以从第一孔的水力直径和第二孔的水力直径中选出的最小直径，则所述比率x至少等于1。
所述比率x优选地至少等于2。
多个喷嘴20中每个喷嘴的截面也不需要必须为圆形。
热助燃空气从第二区域32流出的总截面定义为Ae。
空气从多个校准孔16流出的总截面Ai相对于空气从多个喷嘴20流出的总截面Ae具有0.01-0.9范围内的比率；其优选地具有0.05-0.5范围内的比率。
一旦比率y已定义，等于多个喷嘴20中第一喷嘴的重心和多个喷嘴20中第二喷嘴的重心之间的距离除以从第一喷嘴的内水力直径和第二喷嘴的内水力直径中选出的最小直径，则所述比率y处于1-10范围内。
所述比率y优选地处于2-5范围内。
一旦比率z已定义，等于所述至少两个孔21中一个孔的重心和所述多个喷嘴20中一个喷嘴的重心之间的距离除以从该孔的水力直径和该喷嘴的内水力直径中选出的最小直径，则所述比率z处于1-50范围内。
所述比率z优选地处于3-30范围内。
燃烧器1还包括至少两个用于所述至少两个外侧喷管10的保护装置7，连接到用于预热空气引入的管道8上的法兰9，用于支撑所述至少两个外喷管10的穿孔法兰5。
所述至少两个用于所述至少两个燃气外侧喷管10的侧部保护装置7装在所述金属主体6的侧面上。
根据上面参考附图所说明的，根据本发明的气体燃烧器如何特别有用和有利是显而易见的。从而在说明书前序部分中指明的目标已经实现。
图12和13分别表示了用于本发明两个优选非限制实施例的用于单管道8的流速阀，和一个或两个用于燃气的阀。
本发明的气体燃烧器的形式和材料自然能够与在附图中所示的用于示例性和非限制性的燃烧器不同。
从而本发明的保护范围由所附的权利要求界定。

Claims (29)

1.一种气体燃烧器(1)，其包括金属主体(6)，用于燃气的中心内喷管(11)，至少两个用于燃气的外喷管(10)，用于引入预热空气的单管道(8)，用于燃气的调节***，耐火单元(30)，其特征在于所述气体燃烧器(1)包括多个用于将预热空气喷射入燃烧室的环形分布的喷嘴(20)，其中，所述喷嘴位于中心内喷管与外喷管之间，通过操作燃气调节***，能从气体燃烧器的火焰功能模式连续切换到无焰功能模式，后者的特征在于低污染物排放。
2.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述耐火单元(30)包括第一区域(31)，第二区域(32)，第三区域(33)，它们是同心的，所述第一区域包括多个校准孔(16)和包括自由环形冠(119)，自由环形冠用于允许适于防止中心内喷管(11)过热的足量空气通过。
3.根据权利要求2所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述用于空气的多个喷嘴(20)容纳在第二区域(32)中。
4.根据权利要求2所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述多个喷嘴(20)包括十个喷嘴，以及所述多个校准孔(16)包括三个校准孔。
5.根据权利要求2所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述第一区域包括与燃烧室相通的腔体(34)，来自于所述多个校准孔的空气与通过中心内喷管(11)喷射的燃气一起流入燃烧室中。
6.根据权利要求2所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述第一区域(31)包括用于容纳火焰探测器的壳体(18)和用于气体燃烧器(1)点火装置的壳体(17)。
7.根据权利要求5所述的气体燃烧器(1)，其特征在于，所述用于空气的多个喷嘴(20)容纳在第二区域(32)中；所述多个校准孔(16)中的孔沿着与中心内喷管(11)同轴的圆周等距离设置，并位于第一区域(31)腔体(34)的底部上。
8.根据权利要求2-4任意一项所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述多个喷嘴(20)中的喷嘴沿着与中心内喷管(11)同轴的圆周等距离设置，并位于第二区域(32)的底面上。
9.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述气体燃烧器(1)包括至少两个用于容纳所述至少两个外喷管(10)的贯通孔(21)。
10.根据权利要求2所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述气体燃烧器(1)包括至少两个用于容纳所述至少两个外喷管(10)的贯通孔(21)；所述至少两个贯通孔(21)沿着与中心内喷管(11)同轴的圆周等距离设置，并位于第三区域(33)的底面上。
11.根据权利要求3所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述多个喷嘴(20)包括十个喷嘴，以及所述多个校准孔(16)包括三个校准孔；所述空气从多个校准孔(16)流出的总截面相对于空气从多个喷嘴(20)流出的总截面具有范围为0.01-0.9的比值。
12.根据权利要求11所述的气体燃烧器(1)，其特征在于空气从多个校准孔(16)流出的总截面相对于空气从多个喷嘴(20)流出的总截面具有范围为0.05-0.5的比值。
13.根据权利要求7所述的气体燃烧器(1)，其特征在于一旦比率(x)已定义为等于多个校准孔(16)中第一孔的重心和多个校准孔(16)中第二孔的重心之间的距离除以从第一孔的水力直径和第二孔的水力直径中选出的最小直径，则所述比率(x)至少等于1。
14.根据权利要求13所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述比率(x)至少等于2。
15.根据权利要求8所述的气体燃烧器(1)，其特征在于一旦比率(y)已定义为等于多个喷嘴(20)中第一喷嘴的重心和多个喷嘴(20)中第二喷嘴的重心之间的距离除以从第一喷嘴的内水力直径和第二喷嘴的内水力直径中选出的最小直径，则所述比率(y)处于1-10范围内。
16.根据权利要求15所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述比率(y)处于2-5范围内。
17.根据权利要求10所述的气体燃烧器(1)，其特征在于一旦比率(z)已定义为等于所述至少两个贯通孔(21)中一个贯通孔的重心和所述多个喷嘴(20)中一个喷嘴的重心之间的距离除以从该贯通孔的水力直径和该喷嘴的内水力直径中选出的最小直径，则所述比率(z)处于1-50范围内。
18.根据权利要求17所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述比率(z)处于3-30范围内。
19.根据权利要求5所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述腔体(34)具有外径(Da2)，深度(La1)，和内径(Da1)，一旦腔体(34)的深度(La1)和腔体(34)的内径(Da1)之间的比率(s)已定义，则所述比率(s)处于0-5范围内。
20.根据权利要求19所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述腔体(34)的外径(Da2)大于所述腔体(34)的内径(Da1)。
21.根据权利要求19所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述比率(s)处于0-1.5范围内。
22.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述金属主体(6)包括由耐火材料制成的内部覆层(4)和由纤维制成的绝热层(3)。
23.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于其包括至少两个用于所述至少两个燃气外喷管(10)的侧部保护装置(7)。
24.根据权利要求23所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述侧部保护装置(7)位于金属主体(6)上。
25.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于该气体燃烧器包括用于支撑所述至少两个外喷管(10)的穿孔法兰(5)。
26.根据权利要求1所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述气体燃烧器包括具有水力直径的中心孔(19)，该中心孔容纳所述中心内喷管，所述中心内喷管(11)具有外径，比值(k)在中心孔(19)的水力直径和中心内喷管(11)的外径之间定义，所述比值(k)处于0.3-3范围内。
27.根据权利要求26所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述比值(k)处于0.5-1.5范围内。
28.根据权利要求10所述的气体燃烧器(1)，其特征在于所述多个喷嘴(20)中的喷嘴沿着与中心内喷管(11)同轴的圆周等距离设置，并位于第二区域(32)的底面上；耐火单元(30)第二区域(32)的底面和第三区域(33)的底面是平的且对齐。
29.根据权利要求28所述的气体燃烧器(1)，其特征在于耐火单元(30)第二区域(32)的底面和第三区域(33)的底面与炉子的内壁(70)对齐。
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