超低NOx火焰燃烧技术蓄热式烧嘴的制作方法

本发明涉及蓄热式烧嘴领域，尤指一种超低NOx火焰燃烧技术蓄热式烧嘴。

背景技术：

早在十九世纪中期蓄热式燃烧技术就得到了应用，但由于其蓄热室占用面积大，换向时间长，操作复杂，逐渐被其他燃烧技术替代。直到二十世纪八十年代，蓄热体的小型化和换向时间缩短，才使得蓄热式燃烧技术得到一定的发展。目前，由于世界能源的短缺以及能源的不可再生性，为了节约能源以及降低生产成本，在热处理加热炉中，蓄热式燃烧技术得到广泛的推广和应用。蓄热式燃烧技术其工作原理是：蓄热式烧嘴成对设置，利用蓄热体作载体，交替地被废气热量加热，再将蓄热体蓄存的热量用于加热空气或燃气，蓄热体周期性地加热、放热使空气或燃气预热到高温，既保证了炉膛加热的连续性又达到节能的效果。但是由于蓄热体将助燃空气或燃气加热到高温后，并且随着助燃空气或燃气预热温度的大幅升高，火焰燃烧温度也会升高，使得燃烧过程中产生的NOx也变多，加大了对大气环境造成的污染，目前国内工业炉窑环保排放标准为NOx的排放量在8%氧含量时小于150ppm。因此如何降低蓄热式烧嘴燃烧过程中NOx排放成为蓄热式燃烧技术的一个难点。

此外常规的蓄热式烧嘴一般只能用在中低温热处理炉（炉温低于850℃）或只能用在高温加热炉（炉温高于850℃），不同的工艺温度要求必须配备不同使用温度的蓄热式烧嘴，因此必须额外建设许多工业炉，且工业炉占地面积大，不仅浪费宝贵的土地资源，同时也导致投资成本急剧增加。因此如何扩展蓄热式烧嘴的适用性也成为一个重点。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种可有效降低NOx排放量，且可以同时适用于中低温热处理、高温热处理，减少多种工业炉的使用，降低占地面积，降低投资使用成本的超低NOx火焰燃烧技术蓄热式烧嘴。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超低NOx火焰燃烧技术蓄热式烧嘴，包括内设有蓄热体的空中烧嘴壳体、设置在烧嘴壳体内尾端并与烧嘴壳体连通的空燃混合头、设置在烧嘴壳体前端的空气口、设置在空燃混合头外侧并与空燃混合头连通的烧砖、燃气管、点火烧嘴，空燃混合头内设置有第一燃烧室，燃气管设置在烧嘴壳体外侧，燃气管的下端为燃气入口，其中还包括低温燃气管、高温燃气管，所述低温燃气管的一端与燃气管的侧面连通，低温燃气管的另一端设置在烧嘴壳体内并与第一燃烧室连通，所述高温燃气管的一端与燃气管的上端连通，高温燃气管的另一端设置在烧嘴壳体内并贯穿烧砖并连通炉膛，低温燃气管、高温燃气管与燃气管的连通处分别设置有低温燃气阀、高温燃气阀，所述烧砖内设有第二燃烧室并与第一燃烧室连通，烧嘴壳体内设有分别连通至第一燃烧室及第二燃烧室的一次风道、二次风道。

本发明的有益效果在于：本发明通过设置有适于炉膛低温加热的低温燃气管以及适于炉膛高温加热的高温燃气管，可根据具体的加热工艺温度需要选用从低温燃气管通入燃气或从高温燃气管通入燃气，无需再额外建设工业炉和辅助设备，减少占用面积，降低投资使用成本，其中低温燃气管与第一燃烧室连通且烧嘴壳体内设置将助燃空气分级供给的一次风道、二次风道，使得燃气分别多次燃烧，提高火焰速率，使得能卷吸周围的烟气参与燃烧，可以有效地降低火焰燃烧温度，极大的降低NOx的排放，减少燃烧过程中排放物对大气的污染；而高温燃气管即直接贯穿烧嘴并连通至炉膛，燃料和空气高速度喷入炉内，卷吸炉内烟气参与燃烧，在炉内形成超低NOx火焰燃烧，超低NOx火焰燃烧时整个炉膛透亮，无局部高温火焰存在，超低NOx火焰燃烧与传统燃烧相比，燃烧反应在大区域、甚至整个炉膛内进行，火焰锋面消失，无局部高温火焰存在；炉内对流换热和辐射换热效率提高使得炉内温度均匀性极好；NOx和CO等污染物的生成显著减少；超低NOx火焰燃烧不仅能有效的提高热利用效率，同时极大地减少NOx排放，比常规的蓄热式烧嘴降低80-90%的NOx排放，在炉温1300℃时，预热空气温度约1100℃，炉内烟气中3%氧含量时NOx的浓度在30ppm以下，远低于国家烟气中8%氧含量时NOx排放150ppm的环保排放标准，实现NOx的超低量排放。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图；

图2 是本发明低温燃烧时的工作原理示意图；

图3 是本发明高温燃烧时的工作原理示意图；

图4是UV检测头和点火烧嘴的结构示意图。

附图标号说明：1-烧嘴壳体；11-蓄热体；12-空燃混合头；121-第一燃烧室；13-空气口；14-点火烧嘴；15-一次风道；16-二次风道；17-UV检测头；18-保温层；19-隔热层；20-冷却管；2-烧砖；21-第二燃烧室；22-三次风道；3-燃气管；31-燃气入口；32-低温燃气管；321-低温燃气阀；33-高温燃气管；331-高温燃气阀；4-炉膛。

具体实施方式

请参阅图1-3所示，本发明关于一种超低NOx火焰燃烧技术蓄热式烧嘴，包括内设有蓄热体11的空中烧嘴壳体1、设置在烧嘴壳体1内尾端并与烧嘴壳体1连通的空燃混合头12、设置在烧嘴壳体1前端的空气口13、设置在空燃混合头12外侧并与空燃混合头12连通的烧砖2、燃气管3、点火烧嘴14，空燃混合头12内设置有第一燃烧室121，燃气管3设置在烧嘴壳体1外侧，燃气管3的下端为燃气入口31，其中还包括低温燃气管32、高温燃气管33，所述低温燃气管32的一端与燃气管3的侧面连通，低温燃气管32的另一端设置在烧嘴壳体1内并与第一燃烧室121连通，所述高温燃气管33的一端与燃气管3的上端连通，高温燃气管33的另一端设置在烧嘴壳体1内并贯穿烧砖2并连通炉膛4，低温燃气管32、高温燃气管33与燃气管3的连通处分别设置有低温燃气阀321、高温燃气阀331，所述烧砖2内设有第二燃烧室21并与第一燃烧室121连通，烧嘴壳体1内设有分别连通至第一燃烧室121及第二燃烧室21的一次风道15、二次风道16。

相较于现有的技术，本发明通过设置有适于炉膛4低温加热的低温燃气管32以及适于炉膛4高温加热的高温燃气管33，可根据具体的加热工艺温度需要选用从低温燃气管32通入燃气或从高温燃气管33通入燃气，无需再额外建设工业炉和辅助设备，减少占用面积，降低投资使用成本，其中低温燃气管32与第一燃烧室121连通且烧嘴壳体1内设置将助燃空气分级供给的一次风道15、二次风道16，使得燃气分别多次燃烧，提高火焰速率，使得能卷吸周围的烟气参与燃烧，可以有效地降低火焰燃烧温度，极大的降低NOx的排放，减少燃烧过程中排放物对大气的污染；而高温燃气管33即直接贯穿烧嘴并连通至炉膛4，燃料和空气高速度喷入炉内，卷吸炉内烟气参与燃烧，在炉内形成超低NOx火焰燃烧，超低NOx火焰燃烧时整个炉膛透亮，无局部高温火焰存在。超低NOx火焰燃烧与传统燃烧相比，燃烧反应在大区域、甚至整个炉膛4内进行，火焰锋面消失，无局部高温火焰存在；炉内对流换热和辐射换热效率提高使得炉内温度均匀性极好；NOx和CO等污染物的生成显著减少；超低NOx 火焰燃烧不仅能有效的提高热利用效率，同时极大地减少NOx排放，比常规的蓄热式烧嘴降低80-90%的NOx排放，在炉温1300℃时，预热空气温度约1100℃，炉内烟气中3%氧含量时NOx的浓度在30ppm以下，远低于国家烟气中8%氧含量时NOx排放150ppm的环保排放标准，实现NOx的超低量排放。

作为本发明更优的实施方式，所述烧砖2内还设有三次风道22，所述三次风道22的一端连通至烧嘴壳体1另一端连通至炉膛4。

采用上述方案，燃气与助燃空气在第二燃烧室21二次燃烧后产生的火焰经嘴砖2喷入炉膛4内，由于产生的火焰速度很快，快速的火焰能卷吸部分烟气，部分助燃空气从三次风道22进入炉膛4，与二次燃烧后产生的火焰和卷吸过来的烟气形成三次燃烧，混入烟气后燃烧过程中氧的浓度降低，能进一步降低火焰燃烧温度，从而减少NOx的产生。

作为本发明更优的实施方式，所述高温燃气管33为两条。

采用上述方案，通过设置两条高温燃气管33，可将燃气分散地进入炉膛4，更加均匀地卷吸炉膛内烟气参与燃烧，使得炉内无局部高温火焰存在，使得热流分布更加均匀，不仅提高热利用效率，同时极大地减少NOx排放。

作为本发明更优的实施方式，还包括控制阀门、控制系统、UV检测头17，所述控制阀门设置在燃气入口31处,所述UV检测头17的检测端设置在烧砖2内，所述点火烧嘴14、控制阀门、UV检测头17、低温燃气阀321、高温燃气阀331分别与控制系统连接。

采用上述方案，通过在燃气入口31、空气口13处设置控制阀门，并设置控制系统与点火烧嘴14、控制阀门、UV检测头17连接，可通过控制系统实现空气及燃气的进气量控制，点火烧嘴14的点火控制，并在实际使用过程中控制两烧嘴的交替工作，通过UV检测头17可实现对烧嘴火焰的检测，将检测信号传送至控制系统，通过控制系统与其它控制阀门相应连锁控制，保证烧嘴在使用过程中的安全性，此外低温燃气阀321、高温燃气阀331与控制系统连接，可实根据燃烧温度对相应阀门进行控制，如高温燃烧时，控制高温燃气阀331打开，低温燃烧阀321关闭。

作为本发明更优的实施方式，所述烧嘴壳体1内壁设置有保温层18，所述蓄热体11固定设置在保温层18内。

采用上述方案，通过在烧嘴壳体1内壁设置保温层18，可将有效防止热量散出，提高保温性。

作为本发明更优的实施方式，所述设置在烧嘴壳体1内的低温燃气管32的表面套设有隔热层19，设置在烧嘴壳体1内的高温燃气管33的表面套设有冷却管20。

采用上述方案，通过低温燃气管32的表面套设有隔热层19，在高温燃气管33的表面套设有冷却管20，均用于保护低温燃气管32、高温燃气管33防止高温损坏。

更进一步地，可根据具体需要设置不同类型的烧砖，具体包括缩口烧砖、敞口烧砖、平焰烧砖；其中缩口烧砖内的第二燃烧室为渐窄结构，燃气燃烧后通过渐窄结构的第二燃烧室之后产生高速火焰，能卷吸周围的烟气参与燃烧，能有效地降低火焰温度，进一步的降低NOx的排放；其中敞口烧砖内的第二燃烧室为为渐宽结构且截面宽度大于第一燃烧室的截面宽度，燃气燃烧后在渐宽接口的第二燃烧室形成扩散燃烧，由于火焰速度较慢，燃气和空气混合充分，燃烧剧烈，能极快的升高炉温，保证炉内坯料在短时间内达到轧制或锻造温度；其中平焰烧砖内的第二燃烧室21为喇叭形螺旋结构，燃料燃烧喷出的不是直焰而是紧贴炉壁向四周均匀伸展的圆盘形火焰，能在很大的平面内造成均匀的温度场，并具有很强的辐射能力。

下面对本发明的具体工作原理进行说明。

本发明成对使用，分别对称地设置在炉膛的两侧并通过烧砖2与炉膛连通，本实施例中，烧砖2采用的是缩口式烧砖2，其中第二燃烧室21为渐窄结构。

一、低温燃烧（炉内温度低于850℃时）工作原理，如图2所示：

1）燃气由位于左侧燃气管3的燃气入口31进入，此时燃气入口31处的控制阀门打开，位于右侧的燃气入口31处的控制阀门关闭，燃气经过控制阀门，进入燃气管3，位于左侧的低温燃气阀32打开，高温燃气阀33关闭，燃气从燃气管3进入低温燃气管32，经过低温燃气管32进入第一燃烧室121；

2）助燃空气由位于左侧的烧嘴的空气口13进入，助燃空气经过烧嘴壳体1内部蓄热体11预热，此时预热后的助燃空气进入烧嘴壳体1内部的腔体，一部分助燃空气通过一次风道15进入第一燃烧室121与燃气混合，并通过点火烧嘴14点火燃烧；一部分通助燃空气过二次风道16进入第二燃烧室21内；一部助燃空气分通过三次风道22进入炉膛4；

3）一次燃烧后产生的不完全燃烧气体继续往前，助燃空气从二次风道16进入烧砖2的第二燃烧室21内与不完全燃烧的气体混合形成二次燃烧；

4）二次燃烧后产生的火焰经烧砖喷入炉膛4内，二次燃烧后产生的火焰速度很快，快速的火焰能卷吸部分烟气火焰与通过三次风道22进入炉膛4内的助燃空气成三次燃烧；

5）燃气在炉膛4内经过充分燃烧后产生的烟气在炉膛4内流动通过位于右侧的嘴砖2以及三次风道22进入第二燃烧室21，然后到达空燃混合头12，一部分烟气经过第一燃烧室121进入一次风道15，另一部分烟气经过二次风道16汇集到位于右侧的烧嘴壳体1内部腔体，然后到达烧嘴壳体1内部蓄热体11，此时高温烟气将加热蓄热体11，高温烟气将热量传递给蓄热体11后变为低温烟气，经过热交换后的低温烟气从空气口13排出，两侧的烧嘴交替工作；

6）在燃气入口31、空气口13处连接控制阀门，并将控制阀门、点火烧嘴14、UV检测头17、低温燃气阀321、高温燃气阀331与控制系统连接，通过控制系统设定炉膛4两侧烧嘴工作的周期，譬如左侧烧嘴工作时，位于左侧烧嘴处燃气入口31、空气口13的控制阀门、低温燃气阀321打开，高温燃气阀331关闭，位于右侧烧嘴处燃气入口31的控制阀门关闭，空气口13的的控制阀门打开，右侧的烧嘴经空气口13将烟气排出，达到设定的切换周期后，两烧嘴的工作方式进行切换，此时右侧烧嘴工作，左侧烧嘴排烟，同时UV检测头17用于检测火焰，并且UV检测信号与其它控制阀门的控制方式相应连锁，保证烧嘴在使用过程中的安全性。

二、高温燃烧（炉内温度高于850℃时）工作原理，如图3所示：

1）燃气由位于左侧燃气管3的燃气入口31进入，此时燃气入口31处的控制阀门打开，位于右侧的燃气入口31处的控制阀门关闭，燃气经过控制阀门，进入燃气管3，位于左侧的高温燃气阀33打开，低温燃气阀32关闭，燃气从燃气管3进入高温燃气管33，直接进入炉膛4；

2）助燃空气由位于左侧的烧嘴的空气口13进入，助燃空气经过烧嘴壳体1内部蓄热体11预热，此时预热后的助燃空气进入烧嘴壳体1内部的腔体，助燃空气分别通过一次风道15、二次风道16、三次风道22后汇入炉膛4；

3）燃气与助燃空气高速进入炉膛4内，卷吸炉内烟气参与燃烧，在炉内形成空间燃烧，燃烧时整个炉膛透亮，无局部高温火焰存在，有效的提高炉内对流换热和辐射换热效率，使得炉内温度均匀性极好，能极大地减少NOx排放；

4）燃气在炉膛内经过充分燃烧后产生的烟气在炉膛4内流动通过位于右侧的嘴砖2以及三次风道22进入第二燃烧室21，然后到达空燃混合头12，一部分烟气经过第一燃烧室121进入一次风道15，另一部分烟气经过二次风道16汇集到位于右侧的烧嘴壳体1内部腔体，然后到达烧嘴壳体1内部蓄热体11，此时高温烟气将加热蓄热体11，高温烟气将热量传递给蓄热体11后变为低温烟气，经过热交换后的低温烟气从空气口13排出，两侧的烧嘴交替工作；

5）在燃气入口31、空气口13处连接控制阀门，并将控制阀门、点火烧嘴14、UV检测头17、低温燃气阀321、高温燃气阀331与控制系统连接，通过控制系统设定炉膛4两侧烧嘴工作的周期，譬如左侧烧嘴工作时，位于左侧烧嘴处燃气入口31、空气口13的控制阀门、高温燃气阀331打开，低温燃气阀321关闭，位于右侧烧嘴处燃气入口31的控制阀门关闭，空气口13的的控制阀门打开，右侧的烧嘴经空气口13将烟气排出，达到设定的切换周期后，两烧嘴的工作方式进行切换，此时右侧烧嘴工作，左侧烧嘴排烟，同时UV检测头17用于检测火焰，并且UV检测信号与其它控制阀门的控制方式相应连锁，保证烧嘴在使用过程中的安全性。

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。