一种分级燃烧天然气烧嘴及其使用方法与流程

本发明属于工业炉热工技术领域，同时涉及气体分级燃烧及传质、传热应用技术领域，具体涉及一种分级燃烧天然气烧嘴及其使用方法。

背景技术：

目前国内用于工业炉窑的天然气烧嘴，一般采用空气包裹燃气的套管式结构，燃气由中心的管子喷出，助燃空气通过在外围的套管，在旋流器的旋转作用下，以旋转气流的形式喷入炉膛，二者在炉膛内边混合边燃烧，形成圆柱形或喇叭形的回转体火焰，属于典型的非预混燃烧火焰。火焰内部是以燃料为主的还原性气氛，外部是以空气、二氧化碳、水蒸气等燃烧产物为主的氧化性气氛。一方面，坯料在加热过程中始终被该氧化性气氛包围，致使坯料氧化烧损严重；另一方面，这种回转体火焰在水平方向上铺展度较短，致使高温区集中在较小的区域，在被加热坯料上的垂直投射面积小、辐射角系数较低，既影响了坯料的加热效果，也极易形成局部高温区，而局部高温区的存在，给热力型氮氧化物的生成提供了便利条件，致使燃烧产物中的氮氧化物含量较高，极易造成环境污染。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能有效解决传统天然气烧嘴所产生的回转体火焰加热质量差、钢坯氧化烧损严重、燃烧产物中氮氧化物等污染物含量高等技术难题，集节能环保为一体的一种分级燃烧天然气烧嘴及其使用方法。

一种分级燃烧天然气烧嘴，包括主进风管、次进风管和进燃气管，所述主进风管出口端与烧嘴外壳进口端相连，所述烧嘴外壳其余两端口的其中一个端口通过螺栓与背板固定安装，所述次进风管出口端与中心风管相连，所述进燃气管出口端与燃气喷管进口端相连，中心风管位于燃气喷管内，且中心风管轴线与燃气喷管轴线重合，所述燃气喷管贯穿背板的通孔延伸至烧嘴外壳内腔，且燃气喷管靠近喷口端内侧壁设置有旋流器ⅰ，所述燃气喷管外圆面套设有风套组件，且风套组件通过异型法兰和螺栓与烧嘴外壳另一端固定安装，所述烧嘴外壳另一端口内壁设置有内烧嘴砖，且内烧嘴砖中部开设有内燃烧腔和内燃烧产物通道，且内燃烧腔出口端与内燃烧产物通道相连，所述燃气喷管的喷口位于内燃烧腔内，且靠近内燃烧腔的入口，所述内烧嘴砖边缘通过轴线对称设置有两条二次风通道，二次风通道进口与主进风管连通，二次风通道出口与炉膛连通。

所述风套组件包括固定风套和活动风套，所述固定风套套设于燃气喷管的外侧，且燃气喷管外壁与固定风套内壁之间形成一次风通道，固定风套内壁靠近内燃烧腔一端装配有旋流器ⅱ，固定风套装配有旋流器ⅱ一端通过异型法兰和螺栓与烧嘴外壳另一端固定安装，固定风套另一端外圆面套设有活动风套，活动风套与固定风套在其重叠部分分别开设有风口ⅰ和风口ⅱ，通过旋转活动风套调节风口ⅰ和风口ⅱ所形成开口的大小，所述一次风通道一端通过所述开口与主进风管相连，所述一次风通道另一端与内燃烧腔连通。

所述活动风套一端为小直径管，另一端为大直径管，所述活动风套小直径管外圆面套设有固定圈和风套圈，且固定圈与风套圈均位于烧嘴外壳外部，所述固定圈与背板固定安装，固定圈与活动风套小直径管通过定位螺钉固定安装，所述风套圈与活动风套小直径管固定安装，所述活动风套大直径管内壁套设有固定风套。

所述次进风管的助燃空气进入量占全部助燃空气进入量的10-20％。

所述风口ⅰ和风口ⅱ为矩形、圆形、椭圆形或三角形，当风口ⅰ和风口ⅱ之间的重合面积达到最大值时，一次助燃空气所占的比例达到40％。

一种分级燃烧天然气烧嘴的使用方法，采用一种分级燃烧天然气烧嘴，包括以下步骤：

步骤1，加工制备分级燃烧天然气烧嘴的组成部件，根据热负荷的大小，制作主进风管，次进风管，进燃气管，烧嘴外壳，背板，中心风管，燃气喷管，旋流器ⅰ，内烧嘴砖，固定风套，活动风套，固定圈，风套圈，风口ⅰ，风口ⅱ，旋流器ⅱ和异型法兰，将组成部件依次组装到一起，制备分级燃烧天然气烧嘴；

步骤2，首先将烧嘴的主进风管和次进风管分别通过法兰与炉前供风管道相连，其次进燃气管通过法兰与炉前供气管道相连，最后将烧嘴安装在火焰炉的炉体上；

步骤3，烧嘴安装于炉体上后，通过燃烧计算算出所需天然气和助燃空气的流量，并根据实际的燃烧情况通过松拧定位螺钉，旋转风套圈转动活动风套调节风口ⅰ和风口ⅱ之间的重合面积来调节开口的大小，进而调节一次助燃空气和二次助燃空气的比例；天然气由进燃气管进入烧嘴，通过旋流器ⅰ的旋转作用后，喷入内燃烧腔；助燃空气通过主进风管和次进风管进入烧嘴；进入主进风管的助燃空气一部分通过固定风套和活动风套管壁上的风口ⅰ与风口ⅱ之间的重合部分的开口，进入固定风套和活动风套的内腔，这部分助燃空气和来自中心风管的助燃空气构成烧嘴的一次助燃空气，这部分助燃空气通过旋流器ⅱ的旋转作用后，以旋转流的形式和燃气喷管的喷口喷出的天然气一起喷入内燃烧腔；天然气和一次助燃空气在内燃烧腔内发生不完全燃烧，然后通过内燃烧产物通道喷入炉膛；进入主进风管的助燃空气的另一部分为二次助燃空气，通过二次风通道直接喷入炉膛，这部分助燃空气与通过内燃烧产物通道喷入的内燃烧腔内产生的不完全燃烧产物再次混合，并在炉膛内完成整个燃烧过程。

本发明的有益效果为：

1)本发明烧嘴采用固定风套和活动风套结构的空气分级燃烧技术，使一、二次助燃空气比例调节方便简单。

2)本发明烧嘴可有效消除火焰中的局部高温区，燃烧产物中氮氧化物排放量可减少55％左右。

3)本发明烧嘴火焰流为扁平状，覆盖在坯料表面，辐射角系数大，可提高热效率12％左右。

4)近坯料的火焰面为弱还原性气氛，可有效减少了钢坯的氧化烧损25％左右，坯料加热质量得以大幅度提高。

附图说明

图1为本发明烧嘴整体结构示意图；

1-主进风管，2-次进风管，3-进燃气管，4-烧嘴外壳，5-背板，6-中心风管，7-燃气喷管，8-旋流器ⅰ，9-风套组件，10-内烧嘴砖，11-内燃烧腔，12-内燃烧产物通道，13-二次风通道，14-固定风套，15-活动风套，16-固定圈，17-风套圈，18-风口ⅰ，19-风口ⅱ，20-旋流器ⅱ，21-异型法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种分级燃烧天然气烧嘴，包括主进风管1、次进风管2和进燃气管3，所述主进风管1出口端与烧嘴外壳4进口端相连，所述烧嘴外壳4其余两端口的其中一个端口通过螺栓与背板5固定安装，所述次进风管2出口端与中心风管6相连，所述进燃气管3出口端与燃气喷管7进口端相连，中心风管6位于燃气喷管7内，且中心风管6轴线与燃气喷管7轴线重合，所述燃气喷管7贯穿背板5的通孔延伸至烧嘴外壳4内腔，且燃气喷管7靠近喷口端内侧壁设置有旋流器ⅰ8，所述燃气喷管7外圆面套设有风套组件9，且风套组件9通过螺栓与烧嘴外壳4另一端固定安装，所述烧嘴外壳4另一端口内壁设置有内烧嘴砖10，且内烧嘴砖10中部开设有内燃烧腔11和内燃烧产物通道12，且内燃烧腔11出口端与内燃烧产物通道12相连，所述燃气喷管7的喷口位于内燃烧腔11内，且靠近内燃烧腔11的入口，所述内烧嘴砖10边缘通过轴线对称设置有两条二次风通道13，二次风通道13进口与主进风管1连通，二次风通道13出口与炉膛连通。

所述风套组件9包括固定风套14和活动风套15，所述固定风套14套设于燃气喷管7的外侧，且燃气喷管7外壁与固定风套14内壁之间形成一次风通道，固定风套14内壁靠近内燃烧腔11一端装配有旋流器ⅱ20，固定风套14装配有旋流器ⅱ20一端通过异型法兰21和螺栓与烧嘴外壳4另一端固定安装，固定风套14另一端外圆面套设有活动风套15，活动风套15与固定风套14在其重叠部分分别开设有风口ⅰ18和风口ⅱ19，通过旋转活动风套15调节风口ⅰ18和风口ⅱ19所形成开口的大小，所述一次风通道一端通过所述开口与主进风管1相连，所述一次风通道另一端与内燃烧腔11连通。

所述活动风套15一端为小直径管，另一端为大直径管，所述活动风套15小直径管外圆面套设有固定圈16和风套圈17，且固定圈16与风套圈17均位于烧嘴外壳4外部，所述固定圈16与背板5固定安装，固定圈16与活动风套15小直径管通过定位螺钉固定安装，所述风套圈17与活动风套15小直径管固定安装，所述活动风套15大直径管内壁套设有固定风套14。

所述次进风管2的助燃空气进入量占全部助燃空气进入量的10-20％。

所述风口ⅰ18和风口ⅱ19为矩形、圆形、椭圆形或三角形，当风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积达到最大值时，一次助燃空气所占的比例达到40％。

本实施例中以低发热量为34621kj/m³的天然气为燃料，其成分的百分比为ch492.1％，c2h63％，c3h81.5％，c4h100.1％，co22.0％，n21.0％，o20.3％，烧嘴额定热负荷为215kw；取空气消耗系数为1.02。

一种分级燃烧天然气烧嘴的使用方法，采用一种分级燃烧天然气烧嘴，包括以下步骤：

步骤1，加工制备分级燃烧天然气烧嘴的组成部件，根据烧嘴额定热负荷为215kw，制作主进风管1，次进风管2，进燃气管3，烧嘴外壳4，背板5，中心风管6，燃气喷管7，旋流器ⅰ8，内烧嘴砖10，固定风套14，活动风套15，固定圈16，风套圈17，风口ⅰ18，风口ⅱ19，旋流器ⅱ20和异型法兰21，将组成部件依次组装到一起，制备分级燃烧天然气烧嘴；

步骤2，首先将烧嘴的主进风管1和次进风管2分别通过法兰与炉前供风管道相连，其次进燃气管3通过法兰与炉前供气管道相连，最后将烧嘴安装在火焰炉的炉体上；

步骤3，烧嘴安装于炉体上后，通过燃烧计算算出所需天然气和助燃空气的流量，并根据实际的燃烧情况通过松拧定位螺钉，旋转风套圈17调节风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积来调节开口的大小，进而调节一次助燃空气和二次助燃空气的比例；天然气由进燃气管3进入烧嘴，通过旋流器ⅰ8的旋转作用后，喷入内燃烧腔11，天然气在进燃气管3前的压力为3500pa，助燃空气通过主进风管1和次进风管2进入烧嘴，助燃空气在进主进风管1和次进风管2前压力为4500pa；进入主进风管1的助燃空气一部分通过固定风套14和活动风套15管壁上的风口ⅰ18与风口ⅱ19之间的重合部分的开口，进入固定风套14和活动风套15的内腔，这部分助燃空气和来自中心风管6的助燃空气构成烧嘴的一次助燃空气，这部分助燃空气通过旋流器ⅱ20的旋转作用后，以旋转流的形式和燃气喷管7的喷口喷出的天然气一起喷入内燃烧腔11，天然气和一次助燃空气在内燃烧腔11内发生不完全燃烧，然后通过内燃烧产物通道12喷入炉膛；进入主进风管1的助燃空气的另一部分为二次助燃空气，通过二次风通道13直接喷入炉膛，这部分助燃空气与通过内燃烧产物通道12喷入的内燃烧腔11内产生的不完全燃烧产物再次混合，并在炉膛内完成整个燃烧过程，在天然气的燃烧过程中通过转动风套圈17旋转活动风套15不断改变开口的大小，实现天然气分级燃烧；靠与燃气喷管7同轴的中心风管6来调节火焰的刚度、控制火焰的形状，同时加大一次助燃空气和天然气的扰动，促进二者的混合。

本实施例中次进风管2的助燃空气进入量占全部助燃空气量的15％时，风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积达到最大值的90％，一次助燃空气所占的比例达30％时，可实现天然气的分级燃烧，有效消除火焰中的局部高温区，燃烧产物中氮氧化物排放量可减少45％，火焰流为扁平状，热效率可提高12％，贴近坯料的火焰面为弱还原性气氛，可降低了钢坯的氧化烧损31％。

实施例2

如图1所示，一种分级燃烧天然气烧嘴，包括主进风管1、次进风管2和进燃气管3，所述主进风管1出口端与烧嘴外壳4进口端相连，所述烧嘴外壳4其余两端口的其中一个端口通过螺栓与背板5固定安装，所述次进风管2出口端与中心风管6相连，所述进燃气管3出口端与燃气喷管7进口端相连，中心风管6位于燃气喷管7内，且中心风管6轴线与燃气喷管7轴线重合，所述燃气喷管7贯穿背板5的通孔延伸至烧嘴外壳4内腔，且燃气喷管7靠近喷口端内侧壁设置有旋流器ⅰ8，所述燃气喷管7外圆面套设有风套组件9，且风套组件9通过螺栓与烧嘴外壳4另一端固定安装，所述烧嘴外壳4另一端口内壁设置有内烧嘴砖10，且内烧嘴砖10中部开设有内燃烧腔11和内燃烧产物通道12，且内燃烧腔11出口端与内燃烧产物通道12相连，所述燃气喷管7的喷口位于内燃烧腔11内，且靠近内燃烧腔11的入口，所述内烧嘴砖10边缘通过轴线对称设置有两条二次风通道13，二次风通道13进口与主进风管1连通，二次风通道13出口与炉膛连通。

所述风套组件9包括固定风套14和活动风套15，所述固定风套14套设于燃气喷管7的外侧，且燃气喷管7外壁与固定风套14内壁之间形成一次风通道，固定风套14内壁靠近内燃烧腔11一端装配有旋流器ⅱ20，固定风套14装配有旋流器ⅱ20一端通过异型法兰21和螺栓与烧嘴外壳4另一端固定安装，固定风套14另一端外圆面套设有活动风套15，活动风套15与固定风套14在其重叠部分分别开设有风口ⅰ18和风口ⅱ19，通过旋转活动风套15调节风口ⅰ18和风口ⅱ19所形成开口的大小，所述一次风通道一端通过所述开口与主进风管1相连，所述一次风通道另一端与内燃烧腔11连通。

所述活动风套15一端为小直径管，另一端为大直径管，所述活动风套15小直径管外圆面套设有固定圈16和风套圈17，且固定圈16与风套圈17均位于烧嘴外壳4外部，所述固定圈16与背板5固定安装，固定圈16与活动风套15小直径管通过定位螺钉固定安装，所述风套圈17与活动风套15小直径管固定安装，所述活动风套15大直径管内壁套设有固定风套14。

所述次进风管2的助燃空气进入量占全部助燃空气进入量的10-20％。

所述风口ⅰ18和风口ⅱ19为矩形、圆形、椭圆形或三角形，当风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积达到最大值时，一次助燃空气所占的比例达到40％。

本实施例中以低发热量为34529kj/m³的天然气为燃料，其成分的百分比为ch493.1％，c2h61.5％，c3h80.5％，c4h100.05％，co22.5％，n21.5％，o20.85％，烧嘴额定热负荷为300kw；取空气消耗系数为1.03。

一种分级燃烧天然气烧嘴的使用方法，采用一种分级燃烧天然气烧嘴，包括以下步骤：

步骤1，加工制备分级燃烧天然气烧嘴的组成部件，根据烧嘴额定热负荷为215kw，制作主进风管1，次进风管2，进燃气管3，烧嘴外壳4，背板5，中心风管6，燃气喷管7，旋流器ⅰ8，内烧嘴砖10，固定风套14，活动风套15，固定圈16，风套圈17，风口ⅰ18，风口ⅱ19，旋流器ⅱ20和异型法兰21，将组成部件依次组装到一起，制备分级燃烧天然气烧嘴；

步骤2，首先将烧嘴的主进风管1和次进风管2分别通过法兰与炉前供风管道相连，其次进燃气管3通过法兰与炉前供气管道相连，最后将烧嘴安装在火焰炉的炉体上；

步骤3，烧嘴安装于炉体上后，通过燃烧计算算出所需天然气和助燃空气的流量，并根据实际的燃烧情况通过松拧定位螺钉，旋转风套圈17调节风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积来调节开口的大小，进而调节一次助燃空气和二次助燃空气的比例；天然气由进燃气管3进入烧嘴，通过旋流器ⅰ8的旋转作用后，喷入内燃烧腔11，天然气在进燃气管3前的压力为2500pa，助燃空气通过主进风管1和次进风管2进入烧嘴，助燃空气在进主进风管1和次进风管2前压力为3500pa；进入主进风管1的助燃空气一部分通过固定风套14和活动风套15管壁上的风口ⅰ18与风口ⅱ19之间的重合部分的开口，进入固定风套14和活动风套15的内腔，这部分助燃空气和来自中心风管6的助燃空气构成烧嘴的一次助燃空气，这部分助燃空气通过旋流器ⅱ20的旋转作用后，以旋转流的形式和燃气喷管7的喷口喷出的天然气一起喷入内燃烧腔11，在内燃烧腔11内发生不完全燃烧，然后通过内燃烧产物通道12喷入炉膛；进入主进风管1的助燃空气的另一部分为二次助燃空气，通过二次风通道13直接喷入炉膛，这部分助燃空气与通过内燃烧产物通道12喷入的内燃烧腔11内产生的不完全燃烧产物再次混合，并在炉膛内完成整个燃烧过程，在天然气的燃烧过程中通过转动风套圈17旋转活动风套15不断改变开口的大小，实现天然气分级燃烧；靠与燃气喷管7同轴的中心风管6来调节火焰的刚度、控制火焰的形状，同时加大一次助燃空气和天然气的扰动，促进二者的混合。

本实施例中次进风管2的助燃空气进入量占全部助燃空气量的18％时，风口ⅰ18和风口ⅱ19之间的重合面积达到最大值的95％，一次助燃空气所占的比例达37％时，可实现天然气的分级燃烧，有效消除火焰中的局部高温区，燃烧产物中氮氧化物排放量可减少51％，火焰流为扁平状，热效率可提高15％，贴近坯料的火焰面为弱还原性气氛，可降低了钢坯的氧化烧损29％。