專利名稱：用于高溫空氣燃燒工業(yè)爐的旋流式燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬工業(yè)爐燃燒器噴嘴領(lǐng)域，特別是涉及一種蓄熱式(高溫空氣燃燒技術(shù)) 工業(yè)爐的同心式軸向旋流燃燒器。
背景技術(shù)：
工業(yè)爐在鋼鐵、冶金、機(jī)械、陶瓷、玻璃等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，是進(jìn)行熱加工的關(guān)鍵 設(shè)備。在熱處理和各類熱加工過程的工業(yè)爐中，越來越多地采用燃?xì)馊紵姆绞阶鳛榧訜?的技術(shù)途徑。高溫空氣燃燒(High temperature air combustion, HTAC)是一種采用高預(yù) 熱空氣在超低氧濃度條件下的先進(jìn)燃燒技術(shù)，以天然氣或煤氣為燃料，以射流的方式送入 工業(yè)爐內(nèi)進(jìn)行燃燒，并且通過采用高效的蓄熱陶瓷材料極限回收燃燒后的煙氣中的余熱， 并用來加熱進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣，從而大幅度地節(jié)約了能量。同時，由于它是在超低氧濃度 下的高強(qiáng)度燃燒，因此在燃燒過程生成的熱力型氮氧化物(N4)濃度可以很低，具有很低的 N0X排放特性，因而其環(huán)保優(yōu)勢十分顯著。此外，在超低氧條件下，使得金屬元件的被氧化程 度降低，從而在一定程度上提高了金屬的熱加工品質(zhì)。高溫空氣燃燒技術(shù)在過去20年里得 到了迅速發(fā)展，在鋼鐵冶金、玻璃、陶瓷、水泥等行業(yè)的工業(yè)爐中具有廣闊的應(yīng)用前景。從有關(guān)的實(shí)驗(yàn)來看，由于改變氣體燃料和預(yù)熱空氣的噴入條件，可以有效改變它 們在爐內(nèi)的混合過程，對超低氧條件下的穩(wěn)定燃燒、溫度分布的均勻性以及N0X的局部生成 量影響很大。目前，工程中應(yīng)用的高溫空氣燃燒工業(yè)爐的燃燒器結(jié)構(gòu)通常都是高溫預(yù)熱空氣和 氣體燃料以直射流的方式高速噴入爐膛，這幾股射流在爐膛的有限空間內(nèi)的湍流運(yùn)動引起 煙氣回流和燃料、空氣與煙氣之間的混合，來保證爐內(nèi)的溫度分布、局部氧濃度分布等特 性，從而維持在低氧條件下的穩(wěn)定燃燒和局部熱力型N0X的生成。多股直射流的相互干擾 引起的爐內(nèi)的回流范圍和程度比較有限。如果能使高溫預(yù)熱空氣和燃料在爐內(nèi)能更充分地 混合，則將使?fàn)t內(nèi)的局部氧濃度和溫度分布更加合理，從而使燃燒能夠在更低的進(jìn)口氧濃 度下實(shí)現(xiàn)燃燒和降低局部N0X的生成量。旋流能夠起到更好地混合作用。在本發(fā)明設(shè)計(jì)的燃燒器噴嘴結(jié)構(gòu)中，外層為幾股 旋流高溫預(yù)熱空氣射流，中心為燃?xì)庵鄙淞?，它們在進(jìn)入爐膛后，多股旋流射流包圍一股直 流射流，在爐膛的有限空間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)比直射流更充分的混合，從而實(shí)現(xiàn)在更低氧濃度下 的穩(wěn)定燃燒和更低的N4排放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù)的同心式軸向 旋流燃燒器，以解決現(xiàn)有技術(shù)中直射流難以使?fàn)t內(nèi)氣體間的更充分混合和使溫度分布更均 勻、N0X生成量更低的難題。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù) 的同心式軸向旋流燃燒器，由中心圓形直通管，外層套管，旋轉(zhuǎn)通道，螺旋肋片組成，所述的
3中心圓形直通管位于外層套管內(nèi)部同軸位置。所述的旋轉(zhuǎn)通道的高溫空氣進(jìn)口和出口的旋轉(zhuǎn)角度為0度到360度變化。所述的旋轉(zhuǎn)通道由2-4條螺旋肋片沿軸向按0度到360度螺旋角度和1 3無因 次螺旋伸展長度R(R = 1/h，1為螺旋肋片的軸向長度，h為螺旋肋片高度)旋轉(zhuǎn)布置于中 心圓形直通管與外層套管之間。有益效果本發(fā)明可強(qiáng)化氣體燃料和高溫空氣在工業(yè)爐爐膛內(nèi)的充分混合，從而保證了在更 低的進(jìn)口空氣氧濃度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒，室爐膛內(nèi)的溫度分布更加均勻，減少局部高溫，同 時極大地降低了氮氧化物(N0X)的排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)。


圖1為同心式軸向旋流燃燒器主視圖。圖2為同心式軸向旋流燃燒器進(jìn)氣示意圖。圖3為軸向螺旋肋片結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為旋轉(zhuǎn)角度(0 )和燃料和空氣速度比(a)對N0X排放濃度的影響數(shù)據(jù)圖。圖5為肋片伸展因子R對N0X排放的影響數(shù)據(jù)圖。圖6為NOx排放隨燃/空速度比的變化數(shù)據(jù)圖。圖7為NOx排放隨過量空氣系數(shù)的變化數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。實(shí)施例1同心式軸向旋流燃燒器，由中心圓形直通管1，外層套管2，旋轉(zhuǎn)通道3，螺旋肋片4 組成，中心圓形直通管1位于外層套管2內(nèi)部同軸位置。旋轉(zhuǎn)通道3的高溫空氣進(jìn)口和出 口的旋轉(zhuǎn)角度為0度到360度變化。旋轉(zhuǎn)通道3由3條螺旋肋片4沿軸向按0度到360度 螺旋角度和無因次螺旋伸展長度R = 2(R = 1/h, 1為螺旋肋片的軸向長度，h為螺旋肋片 高度)旋轉(zhuǎn)布置于中心圓形直通管1與外層套管2之間。在下述條件下燃料為城市天然氣，中心圓管燃料氣射流速度29. 5m/s ；空氣旋轉(zhuǎn) 通道射流速度35. 6m/s。預(yù)熱空氣1273K，過量空氣系數(shù)1. 2，空氣中氧濃度8%，爐膛底部散 熱為恒定熱流密度，大小為28580W/m2。燃料和空氣速度比a(a = vf/va)分別為0. 56,0. 73、 1. 09 ；通過數(shù)值計(jì)算得到燃燒器出口的氮氧化物排放濃度的結(jié)果，如圖4所示。在不同的旋流情況下整個燃燒室內(nèi)的平均溫度和最高溫度的計(jì)算結(jié)果如表1所 列。旋流使燃燒室內(nèi)的平均溫度和最高溫度都增加，這是由于高溫空氣采用旋流時，燃燒室 內(nèi)各組份的混合更加充分，延緩了燃料的燃燒放熱過程，同時高溫?zé)煔獾幕亓魇範(fàn)t膛溫度 變得均勻，擴(kuò)大燃燒區(qū)域，說明旋流強(qiáng)化了燃燒室內(nèi)的燃燒過程。旋流使燃燒室內(nèi)出口 CO 濃度降低，使燃燒更加充分。
對比圖4和表1的結(jié)果可知，當(dāng)采用旋流式燃燒器時，在相同的條件下，燃燒室內(nèi) 的平均溫度增大，N0X最終的排放量減少，而燃料的燃燼程度(以CO的濃度表征)提高，結(jié) 果表明，旋流式燃燒器能使采用高溫空氣燃燒技術(shù)工業(yè)爐的性能得到顯著改善。表1旋流角度對溫度場和CO摩爾分?jǐn)?shù)的影響 燃燒室內(nèi)平均溫度(K) 15751604 1633 1660 出口 CO 摩爾分?jǐn)?shù)(10-4%) 372 187 29 21實(shí)施例2在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，空氣旋轉(zhuǎn)通道旋流角度為9 = 180°時，進(jìn)口參數(shù)分別為 燃料為城市天然氣，中心圓管燃料氣射流速度29. 5m/s ；空氣旋轉(zhuǎn)通道射流速度35. 6m/s。 預(yù)熱空氣1273K，過量空氣系數(shù)1. 2，空氣中氧濃度8%，爐膛底部散熱為恒定熱流密度，大 小為28580W/m2，燃料和空氣的速度比a = 1. 09。通過數(shù)值計(jì)算得到的燃燒器出口的氮氧 化物排放濃度隨螺旋伸展因子的分布結(jié)果，如圖5所示。實(shí)施例3在實(shí)施例1和2的基礎(chǔ)上，保持燃燒器肋片螺旋角度為0 =180°、肋片伸展長度 因子R = 2不變，進(jìn)口參數(shù)分別為燃料為城市天然氣，中心圓管燃料氣射流速度29. 5m/s ； 空氣旋轉(zhuǎn)通道射流速度35. 6m/s。預(yù)熱空氣1273K，過量空氣系數(shù)1.2，空氣中氧濃度8%， 爐膛底部散熱為恒定熱流密度，大小為28580W/m2。通過數(shù)值計(jì)算得到的燃燒器出口的氮氧 化物排放濃度隨燃料和空氣的速度比的分布結(jié)果，如圖6所示。 比較可知，旋流燃燒器在相同條件下其N0X排放比直流燃燒器低。實(shí)施例4在實(shí)施例1、2和3的基礎(chǔ)上，保持燃燒器肋片螺旋角度為0 =180°、肋片伸展長 度因子R = 2，進(jìn)口參數(shù)分別為燃料為城市天然氣，中心圓管燃料氣射流速度29. 5m/s ；空 氣旋轉(zhuǎn)通道射流速度35. 6m/s。預(yù)熱空氣1273K，過量空氣系數(shù)1. 1，燃料和空氣的速度比a =1.09。爐膛底部散熱為恒定熱流密度，大小為28580W/m2。，對進(jìn)口預(yù)熱空氣含氧體積濃 度對N0X排放的影響特點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。
權(quán)利要求
一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù)的同心式軸向旋流燃燒器，由中心圓形直通管(1)，外層套管(2)，旋轉(zhuǎn)通道(3)，螺旋肋片(4)組成，其特征是所述的中心圓形直通管(1)位于外層套管(2)內(nèi)部同軸位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù)的同心式軸向旋流燃燒器，其 特征是所述的旋轉(zhuǎn)通道⑶的高溫空氣進(jìn)口和出口的旋轉(zhuǎn)角度為90度到360度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2所述的一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù)的同心式軸向旋流燃燒器， 其特征是所述的旋轉(zhuǎn)通道(3)由2-4條螺旋肋片(4)沿軸向按90度到360度螺旋角度和 1 3無因次螺旋伸展長度R旋轉(zhuǎn)布置于中心圓形直通管(1)與外層套管(2)之間，其中R =1/h，1為螺旋肋片的軸向長度，h為螺旋肋片高度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工業(yè)爐高溫空氣燃燒技術(shù)的同心式軸向旋流燃燒器，由中心圓形直通管(1)，外層套管(2)，旋轉(zhuǎn)通道(3)，螺旋肋片(4)組成，所述的中心圓形直通管(1)位于外層套管(2)內(nèi)部同軸位置。本發(fā)明可強(qiáng)化氣體燃料和高溫空氣在工業(yè)爐爐膛內(nèi)的充分混合，從而保證了在更低的進(jìn)口空氣氧濃度下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燃燒，室爐膛內(nèi)的溫度分布更加均勻，減少局部高溫，同時極大地降低了氮氧化物(NOX)的排放，實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的目標(biāo)。
文檔編號F23D14/70GK101852434SQ20101020773
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者汪文輝, 蘇亞欣, 鄧文義 申請人:東華大學(xué)