一种弥散式蓄热燃烧系统的制作方法

本发明属于热工技术领域，特别涉及一种新式的蓄热式余热回收加热助燃空气的弥散式蓄热燃烧系统。

背景技术：

目前，热工技术领域主要有如下一些燃烧方式。

预混式燃烧：燃料和助燃空气在燃烧器的点火点之前完成均匀混合后点燃进入燃烧器的燃烧室里燃烧的燃烧方式。其优点是燃烧速度快，火焰短、强度高且刚劲有力，燃烧室体积小；能保证加热速度。但是，其燃烧火焰局部温度高(如用天然气为燃料，过剩空气系数α＝1的预混燃烧火焰中心局部温度可达2000℃以上)，伴随大量的nox产生，而nox是大气污染的主要元凶之一；且局部高温导致靠近燃烧器的炉体或炉墙易损，加速了财产的损失；存在回火的可能性。

扩散式燃烧：燃料不与任何助燃空气预先混合，而是让燃料流入/或高速射入空气，通过燃料在空气中扩散与空气中的氧气接触进而燃烧的燃烧方式。其优点是燃烧稳定，不会回火，运行可靠；nox污染物排放少；对燃烧器要求简单易制造。但是，其燃烧速度慢，火焰长、强度低且软弱无力，燃烧室体积大；加热速度慢。所以工业燃烧领域很少采用。

蓄热式燃烧：蓄热式燃烧是通过成对使用蓄热器交替储蓄尾气热量和释放热量加热助燃空气，用被加热的助燃空气参与燃烧的一种节能燃烧技术。

弥散式燃烧：弥散式燃烧是采取助燃空气速度高于燃料速度的射流方式将燃料(通常燃料和极少部分助燃空气混合以保持火焰稳定)和助燃空气分开注入炉内，快速助燃空气气流卷吸燃料和炉内燃烧产物，稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓度为3～15％(体积)的低氧气氛。燃料在这种高温低氧气氛中逐

渐与氧气结合燃烧，并伴随进行诸如裂解等重组过程，造成与预混燃烧和扩散燃烧过程完全不同的热力学条件，在与贫氧气体作延缓状燃烧下释出热能，不再存在传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区。这是一种有待大量研究的新的燃烧方式。

由于蓄热燃烧高效节能，而弥散式燃烧兼备预混式燃烧和扩散燃烧两种燃烧方式的优点，因此有人将蓄热燃烧和弥散式燃烧技术相结合，如图1所示，这种方式的燃烧技术采用一对蓄热器100加一只火嘴，但是这种方案存在诸多缺陷：

1、助燃风道和燃料通道角度、距离位置要求严格、两个蓄热器之间距离不可太大，否则助燃空气无法巻吸燃料，燃料在参与燃烧前就被吸入另一个处于排烟状态的蓄热器，因而不能充分燃烧。对于大炉或异形炉，这种方案无法满足整个炉膛均匀的加热要求，无法充分展现弥散式燃烧的优势，加热速度慢。

2、只能一对蓄热器对称使用，无法采用三个或三个以上的蓄热器非对称使用，无法灵活布置蓄热器。

3、蓄热系统在换向过程中炉膛处于缺氧状态，需要增加专门的技术解决。

4、火焰来回摆动两个方向不利于火焰的探测与安全控制。

故，针对上述目前现有技术存在的缺陷，实有必要进行开发研究，以提供一种方案，解决目前的弥散式蓄热燃烧系统只适合常规小炉型、无法非对称布置等问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种弥散式蓄热燃烧系统，以解决目前的弥散式蓄热燃烧系统只适合常规小炉型、无法非对称布置等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种弥散式蓄热燃烧系统，包括有炉膛、炉墙、炉顶、炉门、弥散式直燃组合、以及鼓风机；所述弥散式直燃组合包括有主风通道和火嘴，其中，主风通道为主要助燃空气输送通道；火嘴包括有燃料通道和辅风通道，辅风通道提供适量助燃空气在火嘴内与燃料通道提供的燃料混合，经点燃后产生稳定的不完全燃烧火焰；火嘴与主风通道分离布置在炉墙或炉顶上，火嘴中心线与主风通道中心线空间距离在0.25米～1.5米之间、空间夹角在0°～45°之间。

进一步地，所述弥散式直燃组合的火嘴的辅风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的5％～35％，主风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的65％～305％。

进一步地，弥散式直燃组合的主风通道单位面积空气流量为：10kg～50kg/秒·㎡。

进一步地，弥散式直燃组合的主风通道截面面积范围为60cm²～5000cm²。

其中，主风通道出口处可以为喇叭形。喇叭形部分最大截面面积为主风通道截面面积的1.1～3倍。

进一步地，所述弥散式直燃组合的火嘴内部或旁边设置有点火枪，点火枪用电子自动点火并提供长明火以确保蓄热系统反复切换时系统能平稳正常工作。

进一步地，所述火嘴孔出口段长度与当量直径(与火口面积相同的圆的直径)的比值为：0.5～4.0。

本发明另一技术方案为：

一种弥散式蓄热燃烧组合系统，包括有炉膛、炉墙、炉顶、炉门、至少只蓄热器、与蓄热器数量相同的弥散式直燃组合、鼓风机、引风机、气流换向系统、以及电脑控制系统；所述的弥散式直燃组合包括有主风通道和火嘴，其中主风通道为主要助燃空气输送通道；火嘴包括有燃料通道和辅风通道，辅风通道提供适量助燃空气在火嘴内与燃料通道提供的燃料混合，经点燃后产生稳定的不完全燃烧火焰；火嘴与主风通道分离布置在炉墙或炉顶上，火嘴中心线与主风通道中心线的空间距离在0.25米～1.5米之间、空间夹角在0°～45°之间；每个蓄热器的一端与一个弥散式直燃组合的主风通道相连、另一端与风向换向系统相连从而形成两个或多个“蓄热器+弥散式直燃组合”的大组合，所述大组合通过与风向换向系统连接，并由电脑控制系统控制形成蓄热式余热回收并用其加热主助燃空气的弥散式燃烧系统组合。

进一步地，所述弥散式直燃组合的火嘴内部或旁边设置有点火枪，点火枪用电子自动点火并提供长明火以确保蓄热系统反复切换时系统能平稳工作。

进一步地，所述弥散式直燃组合的火嘴面积设置如下：当燃料为天然气、重油、煤油、柴油时，火嘴面积为50cm²～1000cm²之间；而当燃料为煤气、固体粉状燃料时，火嘴面积为450cm²～6000cm²之间。

进一步地，所述弥散式直燃组合的火嘴的辅风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的5％～35％，主风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的65％～305％。

进一步地，弥散式直燃组合的主风通道单位面积空气流量为：10kg～50kg/秒·㎡。

进一步地，弥散式直燃组合的主风通道截面面积范围为60cm²～5000cm²。

进一步地，主风通道出口处可以为喇叭形减少排烟阻力。喇叭形部分截面面积为主风通道截面面积的1.1～3倍。

进一步地，系统布置在炉墙上时，主风通道中心线与水平面夹角为0°～25°；布置在炉顶时，主风通道中心线与垂线夹角为70°～90°。

进一步地，系统布置在炉墙上时，任意两个主风通道中心线的夹角0°～30°，任意两个主风通道中心线在水平面上的投影的夹角0°～20°；布置在炉顶时，任意两个主风通道中心线的夹角0°～15°。

进一步地，两个弥散式直燃组合的二个主风通道孔在炉膛内墙面上中心的距离范围为0.5～6米。

进一步地，所述火嘴孔出口段长度与当量直径(与火口面积相同的圆的直径)的比值为：0.5～4.0。

进一步地，火嘴的燃料通道与燃料输送管道连接，燃料输送管道与多级燃料控制(可以提供不同流量)装置连接。

进一步地，多级燃料控制与电脑控制系统相连。

特别地，如果炉膛需要火焰行程特别长的，可以通过增加空气过剩系数α值或减小主风通道面积从而提高进风风速的方式达到最好的弥散式燃烧效果。

相较于现有技术，本发明一种弥散式蓄热燃烧系统，解决了以前的弥散式蓄热燃烧系统只适合常规小炉型、无法非对称布置等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术图示。

图2为本发明弥散式蓄热燃烧系统的图示。

图3是本发明实施例弥散式蓄热燃烧组合系统图示。

图4是本发明弥散式蓄热燃烧组合另一实施例图示。

具体实施方式

为使得本发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

本发明解决了弥散式蓄热燃烧系统使用大炉型和非对称布置等问题。以下进行详细说明。

参照图2所示，图2为本发明的实施例一，本实施例采用天然气为燃料，可用于15吨铝保温炉，采用弥散式直燃组合安装在炉墙上。15吨熔铝炉设计天然气7的流量为150m/小时，为方炉，炉膛3长宽为3米x2.8米。具体地，包括炉膛3、炉墙1、炉顶(图中未示出)、炉门(图中未示出)、弥散式直燃组合、鼓风机(图中未示出)组成。其中，炉墙1上开设有安装火嘴的火嘴孔1-1和与鼓风机相连的主风通道孔1-2。弥散式直燃组合包括有主风通道6-1和火嘴，其中主风通道6-1与鼓风机和主风通道孔1-2连通，为主要助燃空气的输送通道。火嘴包括有燃料通道6-2-1和辅风通道6-2-2，辅风通道6-2-2提供适量助燃空气(即辅助风8)在火嘴内与燃料通道6-2-1提供的燃料7混合，经点燃后产生稳定的不完全燃烧火焰。火嘴与主风通道6-1分离布置在炉墙1上。火嘴中心线与主风通道孔1-2中心线空间距离选择为0.37米、空间夹角在0°(平行)布置。弥散式直燃组合的火嘴的辅风通道6-2-2中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的15％，即每小时空气供应量为225nm³。主风通道6-1中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的115％，即整个系统的的空气过剩系数为α＝1.3。主风通道6-1中单位面积空气流量为：19.67kg/秒·㎡，直径为φ200(面积314.16cm²)，确保主风通道6-1射入炉膛3的主风5-1的量和速度可以卷吸火嘴孔1-1流入的燃料和不完全燃烧产物2。

本实施例中，所述火嘴孔出口段长度与直径的比值为：0.5～4.0；本实施例中火嘴设计为圆形，外管径φ135(面积143.14cm²)，火嘴孔出口段(即火嘴出口至炉膛壁面)长度为200，长度与当量直径的比值为1.48。火嘴内部或者火嘴旁边可以增加设置有点火枪，点火枪用电子自动点火并提供长明火。

本实施例中，主风通道6-1中空气5-2的流速为15-16米/秒，火嘴中含燃料的气流2速度为7-8米/秒，主助燃风进入炉膛后的气流5-1的速度远远大于含燃料的气流2的速度，在主助燃风气流5-1向前推进的过程中逐渐巻吸含燃料的气流2产生无数大小不一的巻吸湍流4。湍流4中燃料与氧气混合并发生反应，反应的强度、速度、温度等相差不大，形成无数位置不同、大小不同、方向各异、随机变化的火团，这些火团连在一起形成需要的弥散式火焰。实际应用中，15吨铝炉的炉膛宽度一般在3米左右，因而采用这一设计的弥散式燃烧系统，火焰基本可以覆盖大部分炉膛，同时没有局部高温，降低了nox排放同时减少了铝的烧损。本实施例为一个具体的15吨熔铝保温炉的弥散式直燃系统，其结构简单造价低廉，可以满足保温炉保持炉内温度或偶尔小幅升温的目的。

参照图3所示，图3为本发明的实施例二，为一个使用天然气为燃料的30吨铝熔化炉的弥散式蓄热燃烧系统，每小时熔化5-6吨铝。如图2所示，系统包括有炉膛3、炉墙1、炉顶(图中未示出)、炉门(图中未示出)、蓄热器一15、蓄热器二15’、弥散式直燃组合一、弥散式直燃组合二、鼓风机18、引风机20、气流换向四通阀19、电脑控制系统(图中未示出)。电脑控制系统为现有成熟技术，故不详细描述。

其中，弥散式直燃组合一包括有主风通道一6-1和火嘴一，火嘴一包括有燃料通道一6-2-1和辅风通道一6-2-2。主风通道一6-1通过蓄热器一15连接四通阀19的通道一19-1，另一端与主风通道孔一1-2连通。四通阀19的通道二19-2与鼓风机18连通。主风通道孔设计为圆形。

弥散式直燃组合二包括有主风通道二6-1’和火嘴二，火嘴二包括有燃料通道二6-2-1’和辅风通道二6-2-2’。主风通道二6-1’通过蓄热器二15’连接四通阀19的通道四19-4，另一端与主风通道孔二1-2’连通。四通阀19的通道三19-3与引风机20连通。

小风机22通过管道21分两路分别向辅风通道一6-2-2和辅风通道二6-2-2’连通并提供适量辅风。辅风的大小可通过置于电脑控制之下的辅风阀门一13和辅风阀门二13’调节。

天然气通过天然气管道17分两路连接到燃料通道一6-2-1和燃料通道二6-2-1’。燃料阀门一16和燃料阀门二16’可以在电脑控制下开关或调节大小。

火嘴一6-2和火嘴二6-2’旁边设有点火器，点火器可以提供足够小的长明火12。

图3中所示的四通阀19处于第一工作位置时,通道一19-1与通道二19-2、通道三19-3、通道四19-4连通，其它的通道组合关闭(不通)。这时，鼓风机18提供的主要助燃空气5通过蓄热器一15进入弥散式直燃组合一6的主风通道一6-1。电脑关闭小风机开关13’和燃气开关16’，打开小风机开关13和燃气开关16使得弥散式直燃组合一6处于与实施例一中的弥散式组合6同样的状态，从而在炉膛3中形成弥散式燃烧火焰。引风机20的吸力将炉膛热气11吸入主风通道二6-1’，再经过蓄热器二15’变为冷烟气14。由于引风机20的吸力作用，弥散式火焰10向弥散式直燃组合二6-2’的方向偏移和回转，变为外廓线9围成的形状，这时弥散式火焰几乎覆盖半个炉膛。

当四通阀19在电脑的控制下变换为另外一个工作位置时，弥散式直燃组合一6、蓄热器一15和散式直燃组合二6’、蓄热器二15’以及相应风向、燃气供应等对换，这时弥散式火焰几乎覆盖另外半个炉膛,如此循环，实现余热的蓄热式回收和弥散式燃烧的结合。

本实施例中，火嘴与主风通道分离布置在炉墙上。火嘴中心线与主风通道孔中心线的空间距离为1.0米、空间夹角为5°；火嘴中心线与水平面的夹角为15°比主风通道孔中心线与水平面夹角10°大5°，二个主风通道孔中心线平行(夹角为0°)并间隔3米，主风通道孔中心线与水平面夹角9°。火嘴可以布置在主风通道孔位置靠近另一个弥散式直燃组合的一面、也可以是远离的一面，图3实施例中两者都布置为远离弥散式直燃组合的一面。

进一步地，所述火嘴孔出口段长度与当量直径(与火口面积相同的圆的直径)的比值为1.5。

进一步地，火嘴的燃料通道与燃料输送管道连接，燃料输送管道与多级燃料控制(可以提供不同流量)装置连接。

进一步地，多级燃料控制与电脑控制系统相连。

特别地，如果炉膛需要火焰行程特别长的，可以通过增加空气过剩系数α值或减小主风通道面积从而提高进风主风通道速度的方式达到最好的弥散式燃烧效果。

本实施例中燃料供应量设计为300nm³天然气/小时，辅风空气供应量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的7％，即每小时空气供应量为210nm³左右。主风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的143％，即整个系统的的空气过剩系数为α＝1.5。主风通道中单位面积空气流量为：19.11kg/秒·㎡，直径为φ320(面积804cm²)，确保主风通道射入炉膛3的主风5-1的量和速度可以卷吸火嘴孔流入的燃料和不完全燃烧产物2。

本实施例中，火嘴外管径为φ135(面积143.14cm²)。火嘴孔出口段(火嘴出口至炉膛壁面)长度为200，长度与直径的比值为1.48。

当系统到达稳定状态时，主风温度可以预热到800℃以上，按800℃计算，以上系统主风通道中空气5-2流速为52-53米/秒(标态下19.12kg/秒·㎡的流量换算为14.8米/秒，因受热膨胀速度增加)，火嘴中含燃料的气流2速度为10米/秒左右。30吨熔铝炉的炉膛宽度一般在3.5-4米，因而采用这一设计的弥散式燃烧系统，火焰基本可以覆盖大部分炉膛同时没有局部高温，降低了nox排放同时减少了铝的烧损。

火嘴的燃料通道与燃料输送管道17连接，燃料输送管道17与多级燃料量控制装置(图中未示出)连接。

在电脑控制系统的控制下，当系统切换时，先关闭当前燃烧火嘴的燃料供应，再切换气流系统、再通过多级燃料量控制装置打开并逐渐加大燃料供应量，保证在系统切换过程中炉膛压力平稳。

图4为本发明实施例三，图4中与图3中相同的在图3中已经标出的部件编号省略。组成和工作原理相同的也不再赘述。

本实施例为一个90吨铝熔化炉使用天然气为燃料的弥散式蓄热燃烧系统，要求每小时熔化铝锭10吨左右。炉膛面积尺寸为8米x6米。显然，如果采用实施例二的方案，火焰难以全面覆盖全部炉膛区域，采用本实施例的组合，安装在8米长的炉墙上，这时火焰向前需要到达6米的远处。本实施例的系统包括有炉膛3、炉墙1、炉顶(图中未示出)、炉门(图中未示出)、三只蓄热器(蓄热器一15、蓄热器二15’、蓄热器三15”)、三个弥散式直燃组合(组合一6、组合二6’、组合三6”)、鼓风机18、引风机20、气流换向系统、电脑控制系统(图中未示出)。

本实施例中气流换向系统采用三对蝶阀组成。第一对蝶阀包括蝶阀一23和蝶阀二24，第二对蝶阀包括蝶阀三23’和蝶阀四24’，第三对蝶阀包括蝶阀五23”和蝶阀六24”。

在电脑的控制下，当第一对蝶阀的蝶阀一23开和蝶阀二24关，另外两对蝶阀的开关状态与第一对相反，这时弥散式组合一6的工作状态与实施例二相同，产生弥散式火焰。实施例二的组合二6’的任务在实施例三中由组合二6’、组合三6”共同完成排出烟气的任务。这时实施例三的进风与排气就形成了非对称的工作状态。3个组合轮流承担点火形成弥散式燃烧火焰和排烟的工作，这样火焰的覆盖面积比实施例二至少增加50％。当燃料流量和气体流量相应增大时，火焰的覆盖面积比实施例二增加100％以上是容易实现的。

本实施例中，火嘴与主风通道分离布置在炉墙上。火嘴中心线与主风通道孔中心线空间距离选择为1.0米、空间夹角在4°(体现在火嘴中心线与水平面的夹角13°比主风通道孔中心线与水平面夹角9°大4°)，三个主风通道孔中心线平行并间隔3米，主风通道孔中心线与水平面夹角7.5°。火嘴可以布置在主风通道孔位置的上下左右任意一侧(根据物料、炉型大小、火力大小不同可以考虑不同位置)。图4中，组合一6的火嘴是布置在主风通道孔左侧，组合二6’和组合三6”的火嘴布置在主风通道孔右侧。

本实施例中燃料供应量设计为500nm³天然气/小时，辅风空气供应量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的5％左右，即每小时空气供应量为250nm³左右。主风通道中供应的空气量为过剩空气系数α＝1时燃料所需空气量的205％，即整个系统的的空气过剩系数为α＝2.1。主风通道孔直径为φ450(面积1590.43cm²)，确保了主风通道射入炉膛3的主风5-1的量和速度可以卷吸火嘴孔流入的燃料和不完全燃烧产物2。

火嘴外管径设计为φ170(面积226.98cm²)，火嘴孔出口段(火嘴出口至炉膛壁面)长度300，长度与直径的比值为1.76。

火嘴的燃料通道与燃料输送管道17连接，燃料输送管道17与多级燃料量控制装置(图中未示出)连接。

在电脑控制系统的控制下，当系统切换时，先关闭当前燃烧火嘴的燃料供应，再切换气流系统，再通过多级燃料量控制装置打开并逐渐加大燃料供应量，保证在系统切换过程中炉膛压力平稳。

本例中，火焰需要到达6米远处，火焰行程比较长。故整个系统的的空气过剩系数设计时需要选择偏大，故选为α＝2.1，目的就是增加风量从而提高主风通道出口风的总动量(风的速度×风的质量)，从而达到在离系统6米远的位置还能产生预期的弥散式燃烧效果。

当系统到达稳定状态时，各气流速度、流量等参数可以根据以上参数计算得出，在此不再赘述。

综上所述，以上三个实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。