專利名稱：一種低氧高溫空氣燃燒裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高效節(jié)能和極低NOx排放的低氧高溫空氣燃燒裝置。
背景技術：
能源是人類生活不可缺少的重要資源。我國工業(yè)部門能源的消耗占全國能源總消耗量的70%以上，而各類工業(yè)爐所耗能源約占其中的三分之一。如果全國的工業(yè)爐熱效率平均提高10%的話，則相當于節(jié)約一億噸標準煤。為了提高熱效率，通常的做法是提高助燃空氣預熱溫度和采用富氧(甚至純氧)燃燒。但是這些常規(guī)的手段會造成NOx排放量的增加。 另一方面，人們日益關注燃料燃燒過程產生的環(huán)境污染。發(fā)達國家已將燃燒污染從限制酸雨的生成擴大到限制C0x、N0x的排放。1997年底聯(lián)合國氣候變化框架公約締約各方在日本京都簽訂的“京都議定書”，通過了減少溫室氣體排放規(guī)定。這樣，燃燒要求既低NOx排放又高效節(jié)能。近年來燃燒界興起的低氧(含氧低于15%)高溫(助燃空氣預熱溫度高于800 IOO(TC)空氣燃燒，具有不再出現(xiàn)局部高溫高氧區(qū)，燃燒室內溫度分布更均勻，爐內高溫燒損減弱、CO2排放大幅度減少，NOx生成受到明顯抑制等技術優(yōu)勢，較好地緩解了當今社會發(fā)展對燃燒技術發(fā)展的壓力。我國在上世紀末吸收引進低氧高溫空氣燃燒技術，但目前國內主要是應用它的高溫蓄熱體加熱助燃空氣(或燃氣)實現(xiàn)余熱回收的功能，未能良好組織低氧燃燒而收到良好的環(huán)保效益。因此，低氧高溫空氣燃燒工程應用報道也只針對它的節(jié)能率，不提及或回避NOx排放問題。目前國內外工業(yè)爐窯應用的低氧高溫空氣燃燒裝置(見學術論文“周懷春，盛鋒，姚洪等.高溫空氣燃燒技術一21世紀關鍵技術之一.工業(yè)爐， 1998，(1): 19-31. ”和“祁海鷹，李宇紅，由長福等.高溫空氣燃燒技術的國際發(fā)展動態(tài).工業(yè)加熱，2003，(1): 1-7. ”)如圖2所示。燃燒裝置主要由四通換向閥、兩個蜂窩陶瓷蓄熱式燒嘴、爐膛、冷卻管和控制柜組成。通常成對地選用結構相同的兩個蓄熱式燒嘴。當?shù)谝粺旃ぷ鲿r，高溫煙氣經由另一第二燒嘴排出，與第二燒嘴的蓄熱體換熱后大幅度降低溫度，最終被排入大氣。普通空氣(含氧體積濃度為21%)經四通換熱向閥進入第一燒嘴吸熱，溫度升到燃料自燃點后噴入爐膛。在爐膛內經燃氣管噴入的燃氣和高溫低濃度的氧氣分子混合接觸發(fā)生體積燃燒。一定的時間間隔后，由控制柜發(fā)出指令使得四通換向閥動作，空氣進入第二燒嘴，經過第二燒嘴的高溫蓄熱體時被加熱，在極短時間內被加熱到接近爐膛的溫度水平。第二燒嘴啟動的同時，第一燒嘴停止工作，而轉換為排煙和蓄熱裝置。燃氣管可設位置固定的一組(見圖2)， 也可分別圍繞兩蓄熱式燒嘴設置。在兩蓄熱式燒嘴都設有燃氣管時，燃氣的周期性通斷需要由控制柜發(fā)出信號控制，實現(xiàn)和四通換向閥同步協(xié)調工作。由圖2可知，蓄熱式高溫空氣燃燒技術關鍵有A、爐膛內助燃空氣射流要卷吸大量燃燒煙氣，才能在較大空間范圍內形成均勻的低氧氣流。此過程需要優(yōu)化經過第一燒嘴或第二燒嘴射入爐膛的高溫助燃空氣速度和射入方向。此速度和射入方向隨爐膛結構的不同而不同，無疑加大了燃燒系統(tǒng)的建設投資。另外并卷吸的煙氣量和位置難于準確控制，使得燃燒反應速率難于定量確定，決定燃燒節(jié)能和NOx排放特征的爐內燃燒火焰行為不可調控。B、借助蓄熱式燃燒來高效率回收高溫煙氣顯熱和預熱助燃空氣。在煙氣通過蓄熱體的一段很短的時間內，煙氣需降溫到常溫水平，這就要求有大的換熱強度和高的換熱頻率。目前是設置比表面積大的蜂窩陶瓷蓄熱體來實現(xiàn)大的換熱強度，基于PLC控制技術設置快速動作的四通換向閥來實現(xiàn)高頻率換熱。蜂窩蓄熱體氣流通道過小，易積灰被堵塞，這就限制了它只能以氣體為燃料，而且通道內部壓力變化過大，必須加大動力機的功率，才能保證氣流的穩(wěn)定，從而增加了運行費用。要求蓄熱體高溫性能好，能耐大溫差和高頻變換時無脆裂剝落變形。另外，蜂窩蓄熱體還需要抗氧化和腐蝕，有一定的使用壽命?？焖偾袚Q導致爐膛內燃燒火焰不穩(wěn)定和傳熱不穩(wěn)定。四通換向閥易燒損，需要高壓氣源。要求配置控制柜，增加了燃燒系統(tǒng)對自動控制技術和設備要求。氣流切換還導致爐膛的壓力不穩(wěn)定，在爐內微負壓控制上存在一定的難度。增加了運動部件而產生噪音污
^fe ο分析可知，蓄熱式低氧高溫空氣燃燒關鍵技術是制約其工程應用的關鍵。絕大多數(shù)工業(yè)爐窯沒有注意到優(yōu)化爐內氣流組織的重要性。蜂窩陶瓷蓄熱體和四通換熱閥的設計生產制作很大程度上受制于國外壟斷。
發(fā)明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種爐膛內燃燒火焰穩(wěn)定、傳熱穩(wěn)定、爐膛內的壓力穩(wěn)定且燃燒系統(tǒng)結構簡單、性能可靠的低氧高溫空氣燃燒裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型采用的低氧高溫空氣燃燒裝置，包括爐膛和助燃空氣管，所述的助燃空氣管通過換熱器相連通所述的爐膛，所述的爐膛的煙氣排放管與所述的換熱器相連通并設有煙氣流量調節(jié)閥，在所述的爐膛和所述的換熱器之間的助燃空氣管和煙氣排放管之間設有從所述的煙氣排放管流向所述的助燃空氣管的止回閥。所述的換熱器為間壁式換熱器。所述的止回閥為陶瓷止回閥。采用上述技術方案的低氧高溫空氣燃燒裝置，新鮮助燃空氣進入換熱器，并高溫煙氣預熱后和經止回閥過來的高溫煙氣混合，送入爐膛，空氣和煙氣混合后，一方面使空氣含氧濃度降低到8% 15%，另一方面助燃空氣溫度進一步升高，使得低氧助燃混合氣流溫度達到超過燃氣自燃點溫度水平。在爐膛內和經燃氣管送過來的燃氣相遇而發(fā)生低氧高溫空氣燃燒，部分燃燒熱量經冷卻管里的冷卻介質吸收。從爐膛出來的煙氣一部分煙氣流經換熱器預熱助燃空氣并降溫到接近環(huán)境溫度水平，經過煙氣流量調節(jié)閥進入環(huán)境；剩余部分煙氣流經止回閥和被預熱的空氣混合，以定量調節(jié)空氣含氧濃度。調節(jié)煙氣流量調節(jié)閥開啟度，可調節(jié)爐外循環(huán)利用煙氣比率，調節(jié)空氣預熱溫度和入爐助燃混合氣流含氧濃度， 滿足低氧高溫空氣燃燒所要求的含氧濃度和預熱溫度雙重要求。綜上所述，本實用新型是一種爐膛內燃燒火焰穩(wěn)定、傳熱穩(wěn)定、爐膛內的壓力穩(wěn)定且燃燒系統(tǒng)結構簡單、性能可靠的低氧高溫空氣燃燒方法其裝置結構簡單、性能可靠、制造方便。
圖1為實用新型所涉及的低氧高溫空氣燃燒裝置結構示意圖；圖2為常規(guī)的蓄熱式低氧高溫空氣燃燒裝置結構示意圖。
具體實施方式
如圖1，實用新型主要由高效間壁式換熱器1、陶瓷止回閥2、燃氣管3、爐膛4、助燃空氣管11、煙氣排放管12、冷卻管5和煙氣流量調節(jié)閥6組成，在爐膛4上設有冷卻管5、燃氣管3和煙氣排放管12，助燃空氣管11經過高效間壁式換熱器1后和爐膛4相連通，爐膛 4的煙氣排放管12經過高效間壁式換熱器1并設有煙氣流量調節(jié)閥6，在爐膛4和高效間壁式換熱器1之間的助燃空氣管11和煙氣排放管12之間設有從煙氣排放管12流向助燃空氣管11的止回閥2。參見圖1，新鮮空氣從助燃空氣管11進入高效間壁式換熱器1，并被高溫煙氣預熱后和經陶瓷止回閥2過來的高溫煙氣混合，進入爐膛4。預熱后的空氣和高溫煙氣混合后， 一方面使空氣含氧濃度降低，另一方面助燃空氣溫度進一步升高，使得低氧助燃混合氣流溫度達到超過燃氣自燃點溫度水平。低氧高溫助燃氣流在爐膛4內和經燃氣管3送過來的燃氣相遇而發(fā)生容積式低氧高溫空氣燃燒。燃料燃燒熱量一部分被冷卻管5里的冷卻介質吸收，剩余熱量變成煙氣顯熱從經煙氣排放管12離開爐膛4。從爐膛4經煙氣排放管12出來的高溫煙氣一部分流經高效間壁式換熱器1，預熱助燃空氣后降溫到接近環(huán)境溫度水平， 再經過煙氣流量調節(jié)閥6排入環(huán)境；剩余部分流經陶瓷止回閥2和已被預熱的助燃空氣混合，以稀釋助燃空氣，并進一步提高燃燒氣流溫度。參見圖1，實用新型的爐膛4上裝有冷卻管5，以調節(jié)燃燒溫度。冷卻管5可以是水冷壁或空氣冷卻壁，也可以是固體或液體受熱件。用于回收高溫煙氣顯熱和預熱助燃空氣使用的間壁式換熱器1，可以是順流、逆流或叉流布置。爐膛4和間壁式換熱器1之間的助燃空氣管11和煙氣排放管12需保溫。和爐膛4相連接的助燃空氣管11和煙氣排放管 12可集中設置，也可分散設置。低溫煙氣經過煙氣流量調節(jié)閥6可調節(jié)爐外循環(huán)利用的煙氣比率，調節(jié)助燃空氣預熱溫度和入爐助燃混合氣流含氧濃度，滿足低氧高溫空氣燃燒所要求的含氧濃度和預熱溫度雙重要求。陶瓷止回閥2是一個單向閥，可有效地防止預熱空氣逆向流進煙氣排放管12。陶瓷止回閥2熱膨脹小，高溫時無脆裂、剝落和變形。爐膛4具有一定的密封性能。本實用新型在燃用烷烴類燃料如CH4、C2H6或C3H8時，調節(jié)燃燒氣流含氧濃度在 8% 13%之間，有效能效率可達到最大值，如入爐燃燒氣流溫度為630°C，含氧濃度為13% 時，最大有效能效率達到57% ；入爐燃燒氣流溫度為650°C，含氧濃度為13%時，最高熱效率達到95%。本實用新型在燃用吐時，調節(jié)燃燒氣流含氧濃度在10% 13%之間，熱效率和有效能效率都達到最大值。如入爐助燃氣流溫度為650°C，含氧濃度為10%時，最大熱效率達到96. 5%，最高有效能效率達到68%。本實用新型避免燃用CO。在燃用CO時，有效能效率和熱效率出現(xiàn)最小值。如入爐燃燒氣流溫度為1200°C，含氧濃度為11% 13%之間時，最小有效能效率只有觀％。入爐燃燒氣流溫度位置1350°C，含氧濃度為13% 15%之間時，最小熱效率只有75%。[0024]參見圖1和圖2，本實用新型創(chuàng)新在于a、用煙氣與空氣之間的高效間壁式換熱替換快速切換的蜂窩蓄熱式換熱。圖2 中，兩蓄熱式燒嘴9和10、四通換向閥8和基于PLC原理的控制柜7被簡化為實用新型的高效間壁式換熱器1。實用新型去掉了兩蓄熱式燒嘴9和10，根本上解決了煙氣粉塵堵塞氣流通道難題，使低氧高溫空氣燃燒可燃用液體甚至固體燃料。實用新型去掉了快速動作的四通換向閥8，消除了機械噪音。和受國外技術封鎖的圖2相比，實用新型所用的高效間壁式換熱設備簡單，相關設計和操作運行經驗豐富，而且投資大幅度降低。b、建立低氧濃度燃燒的途徑發(fā)生了根本性變化。在圖2中，大量煙氣在爐膛4內循環(huán)，不可能定量調節(jié)燃燒氣流流量和溫度，不可能控制空氣和煙氣混合位置和混合程度。 由于燃燒時的燃燒氣流溫度和燃燒氣流含氧濃度不能準確地調節(jié)，燃燒反應速度也就不能準確調節(jié)，爐內燃燒火焰體積、火焰溫度和燃燒傳熱等都不能準確調節(jié)。實用新型調節(jié)處于低溫管道上的煙氣流量調節(jié)閥6的開度可改變旁通煙氣的流量，從而可方便調節(jié)助燃氣流含氧濃度。設計高效間壁式換熱器1的換熱面積可保證低氧燃燒必需的煙氣余熱回收和空氣預熱效果，加上旁通煙氣流量的控制可方便控制入爐燃燒氣流溫度。由于燃燒氣流溫度和燃燒氣流含氧濃度在爐外能準確調節(jié)，燃燒反應速度也就可準確地調節(jié)，從而實現(xiàn)燃燒反應速度可調，燃燒行為可控的低氧高溫空氣燃燒。C、由于低氧高溫燃燒氣流送入爐內的位置固定，可固定燃氣送入位置。燃氣管3 位置固定，實用新型可實現(xiàn)固定型單火焰式燃燒，爐內燃燒和傳熱穩(wěn)定，燃燒控制方便。在以溫度均勻，高溫燒損減弱、高效節(jié)能和低NOx排放為主要使用目的的鍛造爐， 加熱爐，保護氣氛熱處理爐，鋼包烘烤爐，反射熔煉爐和玻璃熔爐，以及機械、石油化工、玻璃陶瓷、鍋爐和垃圾焚燒領域的工業(yè)爐窯上，均可實施本實用新型。
權利要求1.一種低氧高溫空氣燃燒裝置，包括爐膛(4)和助燃空氣管(11)，其特征是所述的助燃空氣管(11)通過換熱器和所述的爐膛(4)相連通，所述的爐膛的煙氣排放管(12) 和所述的換熱器相連通并在所述的換熱器后設有煙氣流量調節(jié)閥(6)，在所述的爐膛(4) 和所述的換熱器之間的助燃空氣管(11)和煙氣排放管(1 之間設有從所述的煙氣排放管 (12)流向所述的助燃空氣管(11)的止回閥。
2.根據權利要求1所述的低氧高溫空氣燃燒裝置，其特征是所述的換熱器為間壁式換熱器(1)。
3.根據權利要求1或2所述的低氧高溫空氣燃燒裝置，其特征是所述的止回閥為陶瓷止回閥O)。
專利摘要本實用新型公開一種低氧高溫空氣燃燒裝置，由間壁式換熱器(1)、陶瓷止回閥(2)、燃氣管(3)、爐膛(4)、冷卻管(5)和煙氣流量調節(jié)閥(6)組成?？諝膺M入間壁式換熱器(1)被預熱，再和由陶瓷止回閥(2)送來的高溫煙氣混合，變成低氧高溫空氣后進爐膛(4)，并發(fā)生反應速度可控的體積式燃燒。部分煙氣在換熱器(1)釋放顯熱后經煙氣流量調節(jié)閥(6)排入環(huán)境?？諝夂蜔煔饣旌峡山档涂諝夂鯘舛?，并使助燃氣流升溫到燃氣自燃點。爐外循環(huán)利用煙氣比率由煙氣流量調節(jié)閥控制。爐內火焰位置固定，火焰體積和峰值溫度可人工調節(jié)，爐內溫度均勻、高溫燒損減弱、節(jié)能和NOx排放極低。燃料可是液體或固體燃料。
文檔編號F23L15/00GK202012940SQ20112009280
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月1日 優(yōu)先權日2011年4月1日
發(fā)明者侯智軍, 劉波, 楊圣 申請人:湖南潤豐能源科技發(fā)展有限公司