一种自身预热式高速烧嘴及其控制方法与流程

本发明属于燃烧器领域，涉及一种自身预热式高速烧嘴及其控制方法。

背景技术：

自身预热式高速烧嘴在冶金热处理炉上有较为广泛的使用，但其小空间燃烧室内较大的燃烧强度导致了其通常具有相对较高的nox排放值，而且也有相当一部分产品存在低温下火焰不稳定的缺点。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明为了解决上述现有自身预热式高速烧嘴存在的问题，提供一种自身预热式高速烧嘴，既确保低温下烧嘴的火焰稳定，同时又能控制较高温度条件下的局部高温和nox排放指标。

为达到上述目的，本发明提供一种自身预热式高速烧嘴，包括燃气供应管、空气供应管、预热器、排烟管、烟气导流器和燃烧室，燃气供应管包括由外向内套装而成的径向喷射燃气供应管和轴向喷射燃气供应管，烟气导流器出气口外侧为主燃烧空间，径向喷射燃气供应管靠近主燃烧空间的一端设置燃烧室，其另一端设置用于调整进入径向喷射燃气供应管和轴向喷射燃气供应管燃料比例的风门结构，风门结构由燃气调节板和隔板组成；烟气导流器固定在预热器上，并套设于燃烧室外且不固定在燃烧室上，由预热器隔开的空气供应管和排烟管分别与烟气导流器的内、外侧相通，烟气导流器与燃烧室之间形成一圈环缝h1；燃烧室包括内径逐渐变小的缩口段和前端直段，前端直段与缩口段相连且穿过烟气导流器，缩口段连接在径向喷射燃烧管上，燃烧室与烟气导流器间的最小距离随主燃烧空间温度的升高而增大。

进一步，烟气导流器包括内径逐渐变小的缩颈段和前颈直段，缩颈段的两端与预热器和前颈直段分别连接，环缝h1位于烟气导流器的前颈直段和燃烧室的前端直段之间；燃烧室的缩口段的缩口角度a不大于所述烟气导流器的缩颈段的缩口角度b。

进一步，燃烧室还包括与缩口段在背离前端直段一端连接并将缩口段固定在径向喷射燃烧管上的后端直段；烟气导流器还包括与缩颈段在背离前颈直段的一端连接并将缩颈段固定在预热器上的后颈直段。

进一步，烟气导流器的缩颈段与前颈直段和后颈直段的连接处均采用弧形圆角过渡；烟气导流器的前颈直段外接为d1，缩颈段与前颈直段和后颈直段间连接处的圆角半径分别为r1、r2，且r1＝(1.3～1.5)r2，r2＝(0.4～0.5)d1；烧嘴点火前，燃烧室的缩口段与烟气导流器内壁相接触，其接触点位于烟气导流器的缩颈段与前颈直段间连接处的圆弧段上。

进一步，径向喷射燃气供应管在伸入至燃烧室内的前端端部设有圆形挡板，且径向喷射燃气供应管前端上在燃烧室入口与圆形挡板之间设有空气分配盘，在空气分配盘和圆形挡板之间设有径向燃气喷口，轴向喷射燃气供应管在伸入至燃烧室内的前端设有轴向燃气喷口，且轴向燃气喷口贯穿于圆形挡板。

进一步，径向燃气喷口的个数≥3个，径向燃气喷口周向均布在径向喷射燃气供应管上，径向燃气喷口的轴线与烧嘴轴线垂直，轴向燃气喷口的轴线与烧嘴轴线重合，轴向燃气喷口截面积与径向燃气喷口总截面积的比为1∶2～2∶1。

进一步，空气分配盘为圆盘结构，其周向均布有至少三个空气喷射圆孔，空气喷射圆孔的轴线与烧嘴轴线平行，且空气喷射圆孔的轮廓线与圆形挡板的外圈轮廓相切。

进一步，空气分配盘与燃烧室的后端直段内壁之间形成一圈环缝h2；空气喷射圆孔的总面积与环缝h2的截面面积之比为1∶1～1∶3；环缝h1的截面积与环缝h2的截面积之比为1∶1～1∶4。

一种自身预热式高速烧嘴的控制方法，包括如下步骤：

a、根据主燃烧空间温度调节燃气调节板所处角度，主燃烧空间温度低于设定最低温度值t1时，燃气调节板处于0°位置，燃气调节板封堵轴向喷射燃气供应管，从径向燃气喷口进来的燃气和从空气供应管进来的空气全部流入燃烧室，径向喷射的燃气与空气在燃烧室内发生扩散燃烧反应，实现低温状态下的稳定燃烧；

b、随着燃料的燃烧，主燃烧空间的温度逐渐升高，空气开始被预热，燃烧室和烟气导流器内壁之间因膨胀量不同而开始出现缝隙，部分空气开始从该缝隙流过并经环缝h1流入主燃空间；

c、当主燃烧室的温度介于最低温度值t1和最高温度值t2时，调节燃气调节板，燃气从径向燃气喷口和轴向燃气喷口以不同的方向喷入燃烧室；径向燃气喷口和轴向燃气喷口喷出的燃气以及从空气供应管流入的空气在燃烧室发生扩散燃烧并稳定火焰，另有部分燃气从燃烧室流出进入主燃空间继续燃烧；温度越高，从轴向燃气喷口喷射的燃气比例越大，从环缝h1流入主燃烧空间的空气比例越大，即在主燃空间燃烧的比例越大；

d、当主燃烧空间的温度达到或高于最高温度值t2时，不再需要低温燃烧的稳定性，燃气调节板调节到c°位置，燃气调节板封堵部分径向喷射燃气供应管，燃气从轴向燃气喷口喷入燃烧室的比例达到最大；同时随着主燃烧空间温度的不断升高，烟气导流器与燃烧室之间的流通间隙受环缝h1控制，从环缝h1流过的空气比例也达到上限；由于流入燃烧室的空气比例减少和大量燃气的轴向喷射方式，燃气主要在主燃烧空间发生燃烧反应，燃烧室内保留一定的燃烧强度，产生一定的背压，实现气体从燃烧室和环缝h1的高速喷出。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的自身预热式高速烧嘴中燃气的分级燃烧主要根据主燃烧空间的温度进行调整，主燃烧空间的温度较低时，燃气调节板封堵轴向喷射燃气供应管，从径向喷射燃气供应管进来的燃气和空气供应管进来的空气全部进入燃烧室，燃气与空气在燃烧室内发生燃烧反应，实现低温状态下燃烧室内燃气的稳定燃烧，nox排放值处于较低水平，烧嘴以确保火焰稳定为目标，实现中低温状态下烧嘴燃烧的稳定性；

主燃烧空间处于高温状态下时，燃气调节板封堵部分径向喷射燃气供应管，燃气主要从轴向燃气喷口喷入燃烧室内，少部分燃气与空气在燃烧室内反应，在燃烧室内形成一定的温度，实现气体在燃烧室的受热膨胀，使得气体以较高的喷出速度喷出，这样大部分燃气从燃烧室进入主燃空间与空气发生燃烧反应，燃气射流与空气射流相互平行，可以实现较慢的反应速度，得到较长的火焰和较为均匀的温度，并有效控制nox排放指标。燃气和空气在主燃烧空间燃烧时，烟气导流器与燃烧室之间空气的流量受环缝h1控制，从环缝h1流过的空气达到上限，这样能够控制主燃烧空间中火焰的大小，在确保火焰稳定性的同时，一定程度上降低燃烧强度和保护燃烧室。

2、本发明的自身预热式高速烧嘴，始终确保了较高的气体喷射速度，对主燃烧空间的气体起到引射作用，实现了较高的烟气自循环倍率，可以应用于明火加热，也可以用于辐射管间接加热装置，用于辐射管间接加热装置时，能有效提高辐射管表面温度均匀性，大幅提高了辐射管使用寿命。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明自身预热式烧嘴的剖面示意图；

图2为本发明自身预热式烧嘴点火前燃气调节板状态示意图；

图3为本发明自身预热式烧嘴高温状态时燃气调节板状态示意图；

图4为本发明自身预热式烧嘴高工作时各种气体流动示意图；

图5为图1的m-m向视图；

图6为图1的f向视图；

图7为图1的e-e向视图；

图8为高温状态下燃烧室与烟气导流器之间相对位置示意图。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

说明书附图中的附图标记包括：

燃气供应管1、空气供应管2、预热器3、排烟管4、烟气导流器5、燃烧室6、主燃烧空间7、径向喷射燃气供应管8、轴向喷射燃气供应管9、燃气调节板10、隔板11、空气分配盘12、圆形挡板13、径向燃气喷口14、轴向燃气喷口15、空气喷射圆孔16。

如图1所示的自身预热式高速烧嘴，从左到右依次为燃气供应管1，安装在烧嘴壳体上的空气供应管2和排烟管4，将空气供应管2和排烟管4隔开的预热器3，设置在预热器3上并靠近主燃烧空间7的烟气导流器5，燃烧室6和主燃烧空间7。燃气供应管1包括由外向内套装而成的径向喷射燃气供应管8和轴向喷射燃气供应管9，径向喷射燃气供应管8和轴向喷射燃气供应管9通过隔板11隔开，燃气供应管1的燃气入口处安装可以根据温度自动调节的燃气调节板10，燃气调节板10可以调整进入径向喷射燃气供应管8和轴向喷射燃气供应管9的燃料比例；燃气调节板10根据主燃烧空间7的温度自动切换燃气调节板10所处角度，主燃烧空间7温度低于某一温度值t1时，燃气调节板10处于如图2所示的0°位置，封堵轴向喷射燃气供应管9；当主燃烧空间7温度高于某一温度值t2时，燃气调节板10处于如图3所示的c°位置，封堵部分径向喷射燃气供应管8；c的范围介于90～180°之间；当主燃烧空间7温度介于t1和t2之间时，燃气调节板10在0°到c°之间按照一定的比例函数进行转换；温度值t1和t2可以根据需要自主设定。

燃气分级燃烧的分级比例根据主燃烧空间7的温度调整。当处于低温状态时，nox排放值处于较低水平，烧嘴以确保火焰稳定为目标，燃气主要从径向燃气喷口14喷入燃烧室6内燃烧；空气也流入燃烧室6内与燃气发生燃烧反应；当主燃烧空间7的温度达到一定值，空气被预热到一定温度，燃料在主燃烧空间7可以自发稳定燃烧时，烧嘴以降低局部高温、提高温度均匀性和降低nox排放为目标，燃气主要从轴向燃气喷口15喷入燃烧室6内，少部分燃气与空气在燃烧室6内反应，在燃烧室6内形成一定的温度，实现气体在燃烧室6的受热膨胀，实现较高的喷出速度；大部分燃气从燃烧室6流入到主燃烧空间7继续与空气发生燃烧反应；燃气射流与空气射流相互平行，可以实现较慢的反应速度，得到较长的火焰和较为均匀的温度，并有效控制nox排放指标。由于燃料热值或成分的不同，其燃烧速度或燃烧特性也不同，因此需要根据不同的燃料条件设定不同的c角度和不同的温度值t1和t2。

燃气供应管1包括由外向内套装而成的径向喷射燃气供应管8和轴向喷射燃气供应管9，径向喷射燃气供应管8的燃气出口处与燃烧室6连接，径向喷射燃气供应管8延伸到燃烧室6内，径向喷射燃气供应管8伸入燃烧室6入口的位置设置空气分配盘12，空气分配盘12为圆盘结构，空气分配盘12与燃烧室6后段内壁之间形成一道环缝h2。径向喷射燃气供应管8喷射末端设置圆形挡板13，在空气分配盘12和圆形挡板13之间的径向喷射燃气供应管8上设置径向燃气喷口14，轴向燃气喷管的末端设置轴向燃气喷口15，轴向燃气喷口15从圆形挡板13中部穿过，空气分配盘12上周向均布一圈如图5所示的空气喷射圆孔16，空气喷射圆孔16的数量为6个，空气喷射圆孔16的轴线与烧嘴轴线平行；在如图6所示的烧嘴侧视图上，圆形挡板13外圈轮廓与空气喷射圆孔16的轮廓线相切。空气喷射圆孔16的总面积与环缝h2的截面面积之比为1∶3。

进入燃烧室6内空气分成了外环空气和内部的多个小孔空气，在燃烧室6实现空气的分级燃烧，以控制燃烧室6内燃气的燃烧强度和燃烧的稳定性，外环空气还能起到降低燃烧室6内壁温度的作用。径向燃气喷口设在空气分配盘12和圆形挡板13之间，在圆形挡板13的作用下，径向喷出的燃气能够更稳定地与空气喷射圆孔16喷出的空气发生燃烧，达到稳定燃烧的目的。为了更好的确保燃烧室6内的燃烧稳定性，径向燃气喷口14的个数不少于3个，周向均布在径向喷射燃气供应管8上。轴向燃气喷管的末端设置轴向燃气喷口15，轴向燃气喷口15从圆形挡板13中部穿过。为了更好确保高温状态下的火焰长度和温度均匀性，轴向燃气喷口15为一个，轴向燃气喷口15截面积与径向燃气喷口14总截面积的比为2∶1。

预热器3把空气供应管2和排烟管4隔开，空气从空气供应管2进入烧嘴喉流过预热器3内侧，主燃烧空间7的烟气则从预热器3外侧流过然后经排烟管4排出；烟气导流器5设置在预热器3上并靠近主燃烧空间7，燃烧室6中段为缩口结构，缩口角度为a，燃烧室6前段和后段都为直管结构，燃烧室6后段固定在径向喷射燃气供应管8上，燃烧室6前段从烟气导流器5中间穿过，并与烟气导流器5之间形成一圈如图7所示的环缝h1，环缝h1的截面积与环缝h2的截面积之比为1∶2，燃烧室6和烟气导流器5之间不固定，由于预热器3、烟气导流器5、径向喷射燃气供应管8和燃烧室6所处位置温度的不同和材料热膨胀系数的不同，燃烧室6中段缩口部分到烟气导流器5的最小距离随主燃烧空间7温度的升高而增大。

如图4所示的自身预热式烧嘴工作时，燃气被燃气调节板10分配到径向喷射燃气供应管8和轴向喷射燃气供应管9，然后进入燃烧室6开始发生燃烧反应并进入主燃烧空间7；空气经过预热器3预热到一定温度之后被烟气导流器5阻挡，部分进入燃烧室6内与燃气发生燃烧反应后进入主燃烧空间7；部分空气则从烟气导流器5和燃烧室6之间的缝隙流过后经环缝h1进入主燃烧空间7进一步与燃气发生燃烧反应。

烟气导流器5中间部分为缩口结构，缩口角度为b，烟气导流器5缩口角度b大于燃烧室6缩口角度a；烟气导流器5前后两段均为直管段结构，烟气导流器5后颈直段与预热器3相接，烟气导流器5前颈直段与主燃烧空间7接触；烟气导流器5中间缩颈段和烟气导流器5前后两颈段相连接的部分均采用圆角连接；烟气导流器5的缩颈段与前颈直段和后颈直段的连接处均采用弧形圆角过渡；烟气导流器5的前颈直段外接为d1，缩颈段与前颈直段和后颈直段间连接处的圆角半径分别为r1、r2，且r1＝(1.3～1.5)r2，r2＝(0.4～0.5)d1。烧嘴点火前，燃烧室6中段的缩口部分与烟气导流器5内壁相接触，接触点位于烟气导流器5的缩颈段与前颈直段间连接处的圆弧段上。

烧嘴点火后，随着温度的增加，烟气导流器5和燃烧室6之间漏出缝隙，且缝隙随着温度的升高而增大，从环缝h1直接进入主燃烧空间7的空气比例逐渐增大，在燃烧室6内与燃气发生反应的空气的比例逐渐减小，实现了空气分级燃烧，有效控制燃烧室6内的燃烧强度和燃烧温度，控制局部高温和nox的排放量。

烟气导流器5中段缩颈结构以及前后两个连接处的圆角连接，在烧嘴燃烧室6和环缝h1的高速气流的喷射效应下，可以更好地带动主燃烧空间7的气体顺着烟气导流器5的外壁回流，达到提高烟气自循环倍率的目的，以实现更均匀的反应温度和更低的nox排放。

燃气可以通过径向燃气喷口14和轴向燃气喷口15以不同的方向喷到燃烧室6内与空气发生燃烧反应，以达到燃气分级燃烧的目的，进一步降低燃烧室6内燃烧强度；其中从径向燃气喷口14喷出的燃气因其喷射方向与烧嘴轴线垂直，也就是与空气在燃烧室6内的推进方向垂直，其能够在燃烧室6内更好的与空气发生过氧燃烧反应，达到稳定火焰的目的；从轴向燃气喷口15喷出的燃气因其喷射方向与空气推进的方向平行，能够有效减缓这部分燃料与空气的燃烧进程，以达到拉长火焰、降低局部燃烧、提高温度均匀性和降低nox排放的目的。

如图8所示，当主燃烧空间7温度达到t2℃时，燃烧室6中段的缩口部分与烟气导流器5内壁之间的最小距离为l1，l1大于环缝h1的宽度l2。环缝h1的面积控制了从燃烧室6和烟气导流器5之间进入主燃烧空间7的空气量，以防止进入燃烧室6内空气的进一步降低，以确保燃烧室6内有足够的燃烧强度来提供较高的喷射速度。烟气导流器5和燃烧室6的缩口导向结构还可以引导烟气循环，在环缝h1高速空气流的喷射作用下，烟气与环缝h1喷射出的空气混合，大幅降低氧气浓度，实现低氧燃烧；烟气与燃烧室6出口高速气流的一同向前流动，增大了气体流量，可以进一步降低燃气燃烧的燃烧温度并控制局部高温，提高温度均匀性，还可以进一步降低从燃烧喷出的未完成反应气体的浓度，降低燃烧的强度，起到拉长火焰和提高温度均匀性的目的。

一种自身预热式高速烧嘴的控制方法，包括如下步骤：

a、根据主燃烧空间7温度调节燃气调节板10所处角度，主燃烧空间7温度低于设定最低温度值t1时，燃气调节板10处于0°位置，燃气调节板10封堵轴向喷射燃气供应管9，从径向燃气喷口14进来的燃气和从空气供应管2进来的空气全部流入燃烧室6，径向喷射的燃气与空气在燃烧室6内发生扩散燃烧反应，实现低温状态下的稳定燃烧；

b、随着燃料的燃烧，主燃烧空间7的温度逐渐升高，空气开始被预热，燃烧室6和烟气导流器5内壁之间因膨胀量不同而开始出现缝隙，部分空气开始从该缝隙流过并经环缝h1流入主燃空间；

c、当主燃烧室6的温度介于最低温度值t1和最高温度值t2时，调节燃气调节板10，燃气从径向燃气喷口14和轴向燃气喷口15以不同的方向喷入燃烧室6；径向燃气喷口14和轴向燃气喷口15喷出的燃气以及从空气供应管2流入的空气在燃烧室6发生扩散燃烧并稳定火焰，另有部分燃气从燃烧室6流出进入主燃空间继续燃烧；温度越高，从轴向燃气喷口15喷射的燃气比例越大，从环缝h1流入主燃烧空间7的空气比例越大，即在主燃空间燃烧的比例越大；

d、当主燃烧空间7的温度达到或高于最高温度值t2时，不再需要低温燃烧的稳定性，燃气调节板10调节到c°位置，燃气调节板10封堵部分径向喷射燃气供应管8，燃气从轴向燃气喷口15喷入燃烧室6的比例达到最大；同时随着主燃烧空间7温度的不断升高，烟气导流器5与燃烧室6之间的流通间隙受环缝h1控制，从环缝h1流过的空气比例也达到上限；由于流入燃烧室6的空气比例减少和大量燃气的轴向喷射方式，燃气主要在主燃烧空间7发生燃烧反应，燃烧室6内保留一定的燃烧强度，产生一定的背压，实现气体从燃烧室6和环缝h1的高速喷出。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。