专利名称：用于高温空气燃烧工业炉的旋流式燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明属工业炉燃烧器喷嘴领域，特别是涉及一种蓄热式(高温空气燃烧技术) 工业炉的同心式轴向旋流燃烧器。
背景技术：
工业炉在钢铁、冶金、机械、陶瓷、玻璃等行业应用十分广泛，是进行热加工的关键 设备。在热处理和各类热加工过程的工业炉中，越来越多地采用燃气燃烧的方式作为加热 的技术途径。高温空气燃烧(High temperature air combustion, HTAC)是一种采用高预 热空气在超低氧浓度条件下的先进燃烧技术，以天然气或煤气为燃料，以射流的方式送入 工业炉内进行燃烧，并且通过采用高效的蓄热陶瓷材料极限回收燃烧后的烟气中的余热， 并用来加热进入炉膛内的空气，从而大幅度地节约了能量。同时，由于它是在超低氧浓度 下的高强度燃烧，因此在燃烧过程生成的热力型氮氧化物(N4)浓度可以很低，具有很低的 N0X排放特性，因而其环保优势十分显著。此外，在超低氧条件下，使得金属元件的被氧化程 度降低，从而在一定程度上提高了金属的热加工品质。高温空气燃烧技术在过去20年里得 到了迅速发展，在钢铁冶金、玻璃、陶瓷、水泥等行业的工业炉中具有广阔的应用前景。从有关的实验来看，由于改变气体燃料和预热空气的喷入条件，可以有效改变它 们在炉内的混合过程，对超低氧条件下的稳定燃烧、温度分布的均勻性以及N0X的局部生成 量影响很大。目前，工程中应用的高温空气燃烧工业炉的燃烧器结构通常都是高温预热空气和 气体燃料以直射流的方式高速喷入炉膛，这几股射流在炉膛的有限空间内的湍流运动引起 烟气回流和燃料、空气与烟气之间的混合，来保证炉内的温度分布、局部氧浓度分布等特 性，从而维持在低氧条件下的稳定燃烧和局部热力型N0X的生成。多股直射流的相互干扰 引起的炉内的回流范围和程度比较有限。如果能使高温预热空气和燃料在炉内能更充分地 混合，则将使炉内的局部氧浓度和温度分布更加合理，从而使燃烧能够在更低的进口氧浓 度下实现燃烧和降低局部N0X的生成量。旋流能够起到更好地混合作用。在本发明设计的燃烧器喷嘴结构中，外层为几股 旋流高温预热空气射流，中心为燃气直射流，它们在进入炉膛后，多股旋流射流包围一股直 流射流，在炉膛的有限空间内能够实现比直射流更充分的混合，从而实现在更低氧浓度下 的稳定燃烧和更低的N4排放。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工业炉高温空气燃烧技术的同心式轴向 旋流燃烧器，以解决现有技术中直射流难以使炉内气体间的更充分混合和使温度分布更均 勻、N0X生成量更低的难题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种工业炉高温空气燃烧技术 的同心式轴向旋流燃烧器，由中心圆形直通管，外层套管，旋转通道，螺旋肋片组成，所述的
3中心圆形直通管位于外层套管内部同轴位置。所述的旋转通道的高温空气进口和出口的旋转角度为0度到360度变化。所述的旋转通道由2-4条螺旋肋片沿轴向按0度到360度螺旋角度和1 3无因 次螺旋伸展长度R(R = 1/h，1为螺旋肋片的轴向长度，h为螺旋肋片高度)旋转布置于中 心圆形直通管与外层套管之间。有益效果本发明可强化气体燃料和高温空气在工业炉炉膛内的充分混合，从而保证了在更 低的进口空气氧浓度下实现稳定的燃烧，室炉膛内的温度分布更加均勻，减少局部高温，同 时极大地降低了氮氧化物(N0X)的排放，实现节能和环保的目标。
图1为同心式轴向旋流燃烧器主视图。图2为同心式轴向旋流燃烧器进气示意图。图3为轴向螺旋肋片结构示意图。图4为旋转角度(0 )和燃料和空气速度比(a)对N0X排放浓度的影响数据图。图5为肋片伸展因子R对N0X排放的影响数据图。图6为NOx排放随燃/空速度比的变化数据图。图7为NOx排放随过量空气系数的变化数据图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。实施例1同心式轴向旋流燃烧器，由中心圆形直通管1，外层套管2，旋转通道3，螺旋肋片4 组成，中心圆形直通管1位于外层套管2内部同轴位置。旋转通道3的高温空气进口和出 口的旋转角度为0度到360度变化。旋转通道3由3条螺旋肋片4沿轴向按0度到360度 螺旋角度和无因次螺旋伸展长度R = 2(R = 1/h, 1为螺旋肋片的轴向长度，h为螺旋肋片 高度)旋转布置于中心圆形直通管1与外层套管2之间。在下述条件下燃料为城市天然气，中心圆管燃料气射流速度29. 5m/s ；空气旋转 通道射流速度35. 6m/s。预热空气1273K，过量空气系数1. 2，空气中氧浓度8%，炉膛底部散 热为恒定热流密度，大小为28580W/m2。燃料和空气速度比a(a = vf/va)分别为0. 56,0. 73、 1. 09 ；通过数值计算得到燃烧器出口的氮氧化物排放浓度的结果，如图4所示。在不同的旋流情况下整个燃烧室内的平均温度和最高温度的计算结果如表1所 列。旋流使燃烧室内的平均温度和最高温度都增加，这是由于高温空气采用旋流时，燃烧室 内各组份的混合更加充分，延缓了燃料的燃烧放热过程，同时高温烟气的回流使炉膛温度 变得均勻，扩大燃烧区域，说明旋流强化了燃烧室内的燃烧过程。旋流使燃烧室内出口 CO 浓度降低，使燃烧更加充分。
对比图4和表1的结果可知，当采用旋流式燃烧器时，在相同的条件下，燃烧室内 的平均温度增大，N0X最终的排放量减少，而燃料的燃烬程度(以CO的浓度表征)提高，结 果表明，旋流式燃烧器能使采用高温空气燃烧技术工业炉的性能得到显著改善。表1旋流角度对温度场和CO摩尔分数的影响 燃烧室内平均温度(K) 15751604 1633 1660 出口 CO 摩尔分数(10-4%) 372 187 29 21实施例2在实施例1的基础上，空气旋转通道旋流角度为9 = 180°时，进口参数分别为 燃料为城市天然气，中心圆管燃料气射流速度29. 5m/s ；空气旋转通道射流速度35. 6m/s。 预热空气1273K，过量空气系数1. 2，空气中氧浓度8%，炉膛底部散热为恒定热流密度，大 小为28580W/m2，燃料和空气的速度比a = 1. 09。通过数值计算得到的燃烧器出口的氮氧 化物排放浓度随螺旋伸展因子的分布结果，如图5所示。实施例3在实施例1和2的基础上，保持燃烧器肋片螺旋角度为0 =180°、肋片伸展长度 因子R = 2不变，进口参数分别为燃料为城市天然气，中心圆管燃料气射流速度29. 5m/s ； 空气旋转通道射流速度35. 6m/s。预热空气1273K，过量空气系数1.2，空气中氧浓度8%， 炉膛底部散热为恒定热流密度，大小为28580W/m2。通过数值计算得到的燃烧器出口的氮氧 化物排放浓度随燃料和空气的速度比的分布结果，如图6所示。 比较可知，旋流燃烧器在相同条件下其N0X排放比直流燃烧器低。实施例4在实施例1、2和3的基础上，保持燃烧器肋片螺旋角度为0 =180°、肋片伸展长 度因子R = 2，进口参数分别为燃料为城市天然气，中心圆管燃料气射流速度29. 5m/s ；空 气旋转通道射流速度35. 6m/s。预热空气1273K，过量空气系数1. 1，燃料和空气的速度比a =1.09。炉膛底部散热为恒定热流密度，大小为28580W/m2。，对进口预热空气含氧体积浓 度对N0X排放的影响特点进行了计算，结果如图7所示。
权利要求
一种工业炉高温空气燃烧技术的同心式轴向旋流燃烧器，由中心圆形直通管(1)，外层套管(2)，旋转通道(3)，螺旋肋片(4)组成，其特征是所述的中心圆形直通管(1)位于外层套管(2)内部同轴位置。
2.根据权利要求1所述的一种工业炉高温空气燃烧技术的同心式轴向旋流燃烧器，其 特征是所述的旋转通道⑶的高温空气进口和出口的旋转角度为90度到360度变化。
3.根据权利要求1-2所述的一种工业炉高温空气燃烧技术的同心式轴向旋流燃烧器， 其特征是所述的旋转通道(3)由2-4条螺旋肋片(4)沿轴向按90度到360度螺旋角度和 1 3无因次螺旋伸展长度R旋转布置于中心圆形直通管(1)与外层套管(2)之间，其中R =1/h，1为螺旋肋片的轴向长度，h为螺旋肋片高度。
全文摘要
本发明涉及一种工业炉高温空气燃烧技术的同心式轴向旋流燃烧器，由中心圆形直通管(1)，外层套管(2)，旋转通道(3)，螺旋肋片(4)组成，所述的中心圆形直通管(1)位于外层套管(2)内部同轴位置。本发明可强化气体燃料和高温空气在工业炉炉膛内的充分混合，从而保证了在更低的进口空气氧浓度下实现稳定的燃烧，室炉膛内的温度分布更加均匀，减少局部高温，同时极大地降低了氮氧化物(NOX)的排放，实现节能和环保的目标。
文档编号F23D14/70GK101852434SQ20101020773
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月23日 优先权日2010年6月23日
发明者汪文辉, 苏亚欣, 邓文义 申请人:东华大学