专利名称：一种旋流预混式燃烧器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于燃烧技术领域，特别涉及一种在工业炉(煤制合成氨甲烷转化炉、弛放气、可燃尾气回收炉等)上使用的高效节能燃烧器。
背景技术：
工业炉因其操作温度高，燃料消耗量大，往往成为工厂能耗最高的加工单元。工业炉节能技术的进步，主要体现在两个方面一是烟气余热回收，用作加热介质；二是优化燃烧过程，减少排烟量。前者已为工业界所接受，大多数的工业炉都配套了余热回收装置。后者尚未受到业界的重视，很多的工业炉依然沿用落后的燃烧技术，助燃空气量过大，使得排烟量大增，造成大量热能的排放损失。燃烧是一个化学反应过程，按照反应方程式的配比确定的助燃空气量，称为理论空气量，相应的烟气量称为理论烟气量。为使燃料充分燃烧，实 际供入燃烧器的空气量大于理论空气量，一般过量1(Γ30%。过量空气通过炉膛时吸收炉内热量，随烟气排放时带出相应热量而损失掉。过剩空气量越多，排烟量越多，热能损失越大。助燃空气量的多少是由燃烧器的特性决定的，与燃烧器的结构有关。如何减少助燃空气用量，提高工业炉的热量利用效率，关键是创新燃烧理念，优化燃烧器的结构。本实用新型针对国内某厂煤制合成氨转化工段能耗高的现状，开发了一种高效的燃烧技术，并已成功应用到大型工业生产装置上，实现了煤制合成氨转化过程的节能降耗。实际上，煤制合成氨转化炉燃烧器存在的问题带有普遍性，本实用新型适用于一大类燃气工业炉的节能燃烧过程。煤制合成氨一段转化炉以煤制气为燃料，在860°C的炉膛温度下，将煤气中的甲烷转化为合成氨所需的氢气。近年来，工厂为了提高资源利用率，采用变压吸附技术对煤制气进行分离，精制气用于制作产品氨，乏气用作转化炉燃气，致使燃气热值大幅降低。转化炉原有燃烧器的结构见图9，煤气喷射引射空气进入烧嘴，一边混合一边燃烧，构成扩散燃烧模式。这种燃烧器的缺点是助燃空气量大，火焰较长。随着煤气热值的降低，大量空气带走炉膛热量，造成转化炉膛温度降低，甲烷转化率下降，二段转化炉纯氧耗量增加，甲烷转化的能耗大幅上升。
发明内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种旋流预混式燃烧器，以提高燃烧过程的效率。本实用新型所述燃烧器，是按旋流预混燃烧模式设计的燃烧过程。即在燃烧之前使空气和燃气进行适度混合，以缩短气体分子在燃烧反应过程中的传输距离，提高氧化剂的利用效率，减少空气通入量，从而使炉膛温度升高，并降低尾气放空时的热量损失。本实用新型所述旋流预混式燃烧器，包括第一烧嘴砖、第二烧嘴砖、助燃风室、空气旋流器和燃气喷嘴，第一烧嘴砖上设置有中心孔，所述中心孔的上部段与第二烧嘴砖的外轮廓形状和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段为上端孔径小于下端孔径的圆锥台形孔，第二烧嘴砖的中心部位设置有旋流预混室，燃气喷嘴为旋流式喷嘴，由喷嘴体和与喷嘴体连接的燃气进气管组成；所述第一烧嘴砖安装在炉体上，所述第二烧嘴砖安装在第一烧嘴砖中，所述空气旋流器位于第二烧嘴砖所设置的旋流预混室的进口处，所述燃气喷嘴与空气旋流器相组合，其喷嘴体位于空气旋流器下方，所述助燃风室安装在炉体上。上述旋流预混式燃烧器中，空气旋流器由中心管和旋流叶片构成，旋流叶片至少为六片，各旋流叶片相距等角度安装在中心管上，且与中心管的中心线的夹角Y为20° 40°。所述旋流叶片的左侧面、右侧面、上侧面、下侧面、中侧面为平面，其前侧面、后侧面及与中心管的连接面为弧面。本实用新型所述旋流预混式燃烧器中，燃气喷嘴的喷嘴体为同中心线的圆筒体和下端封闭的圆锥台筒体的组合体，所述圆筒体用于与燃气进气管连接，所述圆锥台筒体上设置有环绕其中心线的至少一圈燃气喷孔，各燃气喷孔的中心线为空间直线，其方位为以燃气喷孔的中心线与圆锥台筒体外表面的交点M为原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴为过原点的铅垂线，在该直角坐标系中，所述燃气喷孔的中心线MP与z轴的夹角α为120° < α <150°，所述燃气喷孔的中心线在水平面上的投影线MN与y轴 的夹角0为15° <0<45°。圆锥台筒体上设置的燃气喷孔的圈数及燃气喷孔的数量与孔径根据所使用的燃烧炉要求的燃气流量确定。圆筒体与进气管的连接方式优选螺纹连接，在所述圆筒体内壁设置有与燃气进气管连接的螺纹段。本实用新型所述旋流预混式燃烧器中，第二烧嘴砖所设置的旋流预混室为同中心线的圆柱形孔和圆锥台形孔的组合体，圆锥台形孔位于圆柱形孔之下，其上端的孔径与圆柱形孔的孔径相同，其下端的孔径小于圆柱形孔的孔径。圆柱形孔、圆锥台形孔的尺寸优选以下比例圆柱形孔的高度H2 :圆锥台形孔的高度H1 = 2. 5 3. 5 I;圆柱形孔的孔径01 :圆锥台形孔下端的孔径02 =1. 3 1. 5 I。使用本实用新型所述旋流预混式燃烧器，煤气以一定的速度从燃气喷嘴的燃气喷孔喷出后，在第二烧嘴砖所设置的旋流预混室内沿反时针方向旋转运动，空气通过空气旋流器时在旋流叶片的导向下进入第二烧嘴砖所设置的旋流预混室内同样沿反时针方向旋转运动，在同方向的旋转运动中，两种气体在旋流预混室内实现混合，混合气体从旋流预混室的出口喷出并进行燃烧。本实用新型具有以下有益效果1、使用本实用新型所述燃烧器，燃烧效率高，火焰较短，直而有力，火焰为红黄色，发亮，无色差。2、使用本实用新型所述燃烧器，工业炉的空气过剩量较少，排烟量降低，排烟热损失减少，比使用现有扩散式燃烧器减少空气量20%，炉膛温度升高10%，节约燃气8%。3、使用本实用新型所述燃烧器，炉膛高温区扩大，高温烟气在整个传热表面上充分发挥加热效力，显著改善工业炉的传热特性，传热速率提高。
图1是本实用新型所述旋流预混式燃烧器的结构示意图；图2是第二烧嘴砖及所设置的旋流预混室的结构示意图；图3是空气旋流器的结构示意图；[0018]图4是空气旋流器中的旋流叶片的示意图；图5是旋流叶片在中心管上的安装方位示意图；图6是喷嘴体的结构示意图；图7是图6所示喷嘴体的立体剖视图；图8是燃气喷孔中心线的方位图；图9是现有扩散式燃烧器的结构示意图。图中，I一空气旋流器(1-1 :中心管、1-2 :旋流叶片、1-2-1 :左侧面、1_2_2 :右侧面、1-2-3 :上侧面、1-2-4 :下侧面、1-2-5 :中侧面、1_2_6 :前侧面、1_2_7 :后侧面、1_2_8与 中心管的连接面)，2—燃气喷嘴，3—旋流预混室，4一第二烧嘴砖，5—第一烧嘴砖，6—助燃风室，7—炉体，8—圆筒体，9—圆锥台筒体，10—螺纹段，11 一燃气喷孔，12—燃气喷孔中心线MP，M—燃气喷孔的中心线与圆锥台筒体外表面的交点(空间直角坐标系的原点)。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本实用新型所述旋流预混式燃烧器作进一步说明。实施例本实施例中，旋流预混燃烧器的结构如图1所示，由第一烧嘴砖5、第二烧嘴砖4、助燃风室6、空气旋流器I和燃气喷嘴2构成；第二烧嘴砖4的形状和构造如图2所示，其外轮廓形状为圆柱形，其中心部位设置有旋流预混室3，所述旋流预混室3为同中心线的圆柱形孔和圆锥台形孔的组合体，圆锥台形孔位于圆柱形孔之下，圆柱形孔的高度H2 圆锥台形孔的高度H1 = 3 I;圆柱形孔的孔径G1 :圆锥台形孔下端的孔径02= 1.4 I;第一烧嘴5的形状和构造如图1所示，其外轮廓形状为圆柱形，其中心孔的上部段与第二烧嘴4的外轮廓形状和尺寸相匹配，其中心孔的下部段为上端孔径小于下端孔径的圆锥台形孔；燃气喷嘴2为旋流式喷嘴，由喷嘴体和与喷嘴体螺纹连接的燃气进气管组成，所述喷嘴体的形状和构造如图6、图7所示，为同中心线的圆筒体8和下端封闭的圆锥台筒体9的组合体，所述圆筒体8用于与燃气进气管连接，其内壁设置有与燃气进气管连接的螺纹段10，所述圆锥台筒体9上设置有环绕其中心线的两圈燃气喷孔11，其中，大圈上有20个喷孔，小圈上有16个喷孔，这些孔在环绕圆锥台筒体中心线的两圆周上均匀分布，各燃气喷孔的孔径相同，为9 mm，各燃气喷孔的中心线为空间直线(见图8)，其方位为以燃气喷孔的中心线与圆锥台筒体9外表面的交点M为原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴为过原点的铅垂线，在该直角坐标系中，所述燃气喷孔的中心线MP与z轴的夹角α为135°，所述燃气喷孔的中心线在水平面上的投影线MN与7轴的夹角0为30° ;空气旋流器I的形状和构造如图3所示，由中心管1-1和旋流叶片1-2构成，所述中心管1-1为圆管，所述旋流叶片1-2的形状如图4所示，其左侧面1-2-1、右侧面1-2-2、上侧面1_2_3、下侧面1-2-4、中侧面1-2-5为平面，其前侧面1-2-6、后侧面1_2_7及与中心管的连接面1_2_8为弧面，旋流叶片为八片，各旋流叶片相距等角度安装在中心管上，且与中心管的中心线的夹角Y为30° (见图5)；各构件的安装位置与组合方式如图1所示第一烧嘴砖5安装在炉体7上，第二烧嘴砖4安装在第一烧嘴砖中，空气旋流器I位于第二烧嘴砖4所设置的旋流预混室的进口处，其中心管套装在燃气喷嘴2上方的进气管上，燃气喷嘴2的喷嘴体与所述进气管采用螺纹连接，位于空气旋流器I下方，助燃风室6安装在炉体上，且将第一烧嘴砖5和第二烧嘴砖4包围在其腔室内，燃气喷嘴2的进气管的进气端位于助燃风室之外。应用例我国某厂30万t/a煤制合成氨一段转化炉使用扩散式燃烧器(结构见图9)，经改造扩能至45万t/a后，由于采用变压吸附技术对煤制气进行分离，将精制气用于合成氨，乏气用作一段转化炉燃气，燃气热值由改造前的3300kcal/Nm3降至2200 kcal/Nm3，造成一段转化炉炉膛温度降低(设计温度860°C，实际温度不到800°C)，工艺气体出口温度下降(设计温度为730°C，实际温度不到700°C)，甲烷转化率下降(一段转化炉出口甲烷浓度由改造前的6%升高到17%) ;二段炉的纯氧耗量增大，放空热损失增大(排烟温度从200°C升高至220°C)，转化过程能耗大幅增加。用实施例1所述结构的燃烧器替换上述煤制合成氨装置中的扩散式燃烧器进行试验，试验结果表明(I)本实用新型所述燃烧器与现有扩散式燃烧器相比，火焰长度变短，在1. 5 m左右，火焰刚性好，直而有力；现有扩散式燃烧器焰长为H 5 m，火焰不直且发飘。(2)本实用新型所述燃烧器火焰颜色为红黄色，发亮，燃烧器口无色差，燃烧状况随空气量变化敏感；现有扩散式燃烧器火焰颜色为蓝色，燃烧器口有色差而且暗淡，燃烧状况随空气量变化不敏感。(3) 一段转化炉的传热特性显著改善，高温区扩大，高温烟气在整个传热表面上充分发挥加热效力，传热速率明显提高。(4) 一段转化炉炉膛温度和工艺气体出口温度均达到设计要求，甲烷转化率提高1%，二段转化炉纯氧耗量减少300 Nm3/h，排烟温度降低20°C，增加氨产量达5600t/a。
权利要求1.一种旋流预混式燃烧器，包括第一烧嘴砖(5)、第二烧嘴砖(4)、助燃风室(6)和燃气喷嘴(2)，第一烧嘴砖上设置有中心孔，所述中心孔的上部段与第二烧嘴砖(4)的外轮廓形状和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段为上端孔径小于下端孔径的圆锥台形孔，其特征在于还包括空气旋流器(1)，且第二烧嘴砖(4)的中心部位设置有预混室(3)，燃气喷嘴(2)为旋流式喷嘴，由喷嘴体和与喷嘴体连接的燃气进气管组成；所述第一烧嘴砖(5)安装在炉体(7)上，所述第二烧嘴砖(4)安装在第一烧嘴砖中，所述空气旋流器(I)位于第二烧嘴砖(4)所设置的预混室的进口处，所述燃气喷嘴(2)与空气旋流器(I)相组合，其喷嘴体位于空气旋流器下方，所述助燃风室(6)安装在炉体上。
2.根据权利要求1所述旋流预混式燃烧器，其特征在于空气旋流器(I)由中心管(1-1) 和旋流叶片(1-2)构成,旋流叶片(1-2)至少为六片，各旋流叶片(1-2)相距等角度安装在中心管上,且与中心管的中心线的夹角(Y )为20° 40°。
3.根据权利要求2所述旋流预混式燃烧器，其特征在于旋流叶片(1-2)的左侧面 (1-2-1)、右侧面(1-2-2)、上侧面(1-2-3)、下侧面(1_2_4)、中侧面(1-2-5)为平面，其前侧面(1-2-6)、后侧面(1-2-7)及与中心管的连接面(1-2-8)为弧面。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述旋流预混式燃烧器，其特征在于燃气喷嘴(2)的喷嘴体为同中心线的圆筒体(8)和下端封闭的圆锥台筒体(9)的组合体，所述圆筒体(8)用于与进气管连接，所述圆锥台筒体(9)上设置有环绕其中心线的至少一圈燃气喷孔(11)，各燃气喷孔的中心线(12)为空间直线，其方位为以燃气喷孔的中心线与圆锥台筒体(9)外表面的交点(M)为原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴为过 M点的铅垂线，在该直角坐标系中，所述燃气喷孔的中心线(MP)与z轴的夹角α为120°<α <150°，所述燃气喷孔的中心线在水平面上的投影线(MN)与y轴的夹角0为15°<0 < 45°。
5.根据权利要求4所述旋流预混式燃烧器，其特征在于所述圆筒体(8)内壁设置有与燃气进气管连接的螺纹段(10)。
6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述旋流预混式燃烧器，其特征在于第二烧嘴砖所设置的预混室(3)为同中心线的圆柱形孔和圆锥台形孔的组合体，圆锥台形孔位于圆柱形孔之下，其上端的孔径与圆柱形孔的孔径相同，其下端的孔径小于圆柱形孔的孔径。
7.根据权利要求4所述旋流预混式燃烧器，其特征在于第二烧嘴砖所设置的预混室(3)为同中心线的圆柱形孔和圆锥台形孔的组合体，圆锥台形孔位于圆柱形孔之下，其上端的孔径与圆柱形孔的孔径相同，其下端的孔径小于圆柱形孔的孔径。
8.根据权利要求5所述旋流预混式燃烧器，其特征在于第二烧嘴砖所设置的预混室(3)为同中心线的圆柱形孔和圆锥台形孔的组合体，圆锥台形孔位于圆柱形孔之下，其上端的孔径与圆柱形孔的孔径相同，其下端的孔径小于圆柱形孔的孔径。
9.根据权利要求6所述旋流预混式燃烧器，其特征在于第二烧嘴砖所设置的预混室(3)中，圆柱形孔的高度(H2):圆锥台形孔的高度(H1)= 2. 5 3. 5 I ;圆柱形孔的孔径 (O1):圆锥台形孔下端的孔径(02) =1. 3 1.5 I。
10.根据权利要求7所述旋流预混式燃烧器，其特征在于第二烧嘴砖所设置的预混室(3)中，圆柱形孔的高度(H2):圆锥台形孔的高度(H1)= 2. 5 3. 5 I ;圆柱形孔的孔径 (O1):圆锥台形孔下端的孔径(02) =1. 3 1.5 I。
专利摘要一种旋流预混式燃烧器，包括第一烧嘴砖、第二烧嘴砖、助燃风室、空气旋流器和燃气喷嘴，第一烧嘴砖上设置有中心孔，所述中心孔的上部段与第二烧嘴砖的外轮廓形状和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段为上端孔径小于下端孔径的圆锥台形孔，第二烧嘴砖的中心部位设置有预混室，燃气喷嘴为旋流式喷嘴，由喷嘴体和与喷嘴体连接的进气管组成；所述第一烧嘴砖安装在炉体上，所述第二烧嘴砖安装在第一烧嘴砖中，所述空气旋流器位于第二烧嘴砖所设置的预混室的进口处，所述燃气喷嘴与空气旋流器相组合，其喷嘴体位于空气旋流器下方，所述助燃风室安装在炉体上。
文档编号F23D14/46GK202852814SQ201220466549
公开日2013年4月3日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者叶世超, 祝杰, 张莉 申请人:四川大学