一种具有空间螺线型螺旋预热通道的助燃空气换热器的制作方法

本发明涉及一种燃烧炉应用技术，属于工业炉窑及冶金等工艺装备技术领域。

背景技术：

在工业炉燃烧技术中，为了让燃料在低氧体积浓度助燃空气氛围里高效燃烧，需要对助燃空气进行预热。助燃空气的预热是利用炉内外排的高温烟气的余温通过换热器进行热交换来实现的，传统的助燃空气预热装置，其助燃空气预热通道同燃烧炉烟气排放烟道是平行布置且两者的出口方向是一致的格局。如图1和2所示，工作原理为：常温助燃空气C进入预热通道。预热通道的外围是由若干翅片短节组成封闭的管状空间，将燃烧炉烟气通道和助燃空气预热通道隔离。炉内外排的高温烟气G在翅片管状空间的外围通过，高温烟气借助翅片管壁上的内外翅片以辐射和传导的方式将烟气中的高温传递至助燃空气，使助燃空气升温，以致助燃空气的体积增大，其固有的含氧体积浓度得到稀释。实验证明，在经稀释后的助燃空气低氧气氛中的燃烧状态能延缓释放燃烧的热能。燃料在高温低氧气氛中生成不同于传统燃烧的热力学条件，能有效地避免高温高氧区的形成。由于传统换热技术的预热空气通道是直上直下方式布置的，常温助燃空气与燃烧炉高温烟气加热媒介（管壁翅片）接触的体表面积有限，不能够将烟气中的热能有效地回收。而且加热后的助燃空气流动方向与炉内烟气排放时的流动（两者出口方向）方向一致，这种结构注定该热能回收效率低，其原因是外排烟气在排放通道的温度分布是自下而上呈由高往低的状态，其温度的递减大约为：排放烟道出口烟气温度是排放烟道初段的烟气温度的50%。也就决定了助燃空气预热温度不超过燃烧炉外排烟气温度的50%，因此通常经传统换热技术预热的高温助燃空气进入燃烧区域（反应区）时的温度使燃烧区的助燃空气含氧量的稀释达不到预期的要求（通常浓度为3%～5%体积比），因而无法避免燃烧过程中出现局部的高温高氧区，造成炉内温度不均匀。

技术实现要素：

针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种改进的预热助燃空气通道的分布形式，改善高温烟气与助燃空气的换热接触形式，提高换热效率，增加助燃空气的预热温度。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有空间螺线型螺旋预热通道的助燃空气换热器，包括筒状容器，所述筒状容器为上下两部分独立空间，上部为烟气汇集空间，下部为换热空间；所述烟气汇集空间配置有烟气排放出口，所述换热空间中心竖立助燃空气排气管，所述助燃空气排气管的顶部穿过所述烟气汇集空间并延伸至筒状容器之外，换热空间内围绕所述助燃空气排气管设置有螺旋向下的螺旋换热通道，螺旋换热通道的底部与所述助燃空气排气管的底部接通，所述筒状容器的外侧设置有助燃空气进气口，助燃空气进气口与螺旋换热通道的顶部连通；再来，所述换热空间内竖立有烟气换热管集束，所述烟气换热管集束上下贯穿螺旋换热通道，烟气换热管集束顶部与上面的烟气汇集空间连通；助燃空气从助燃空气进气口经螺旋换热通道螺旋而下行走，与烟气换热管集束内由下往上运行的烟气换热，预热后的助燃空气从螺旋换热通道底部进入助燃空气排气管，从顶部排出，换热后的烟气汇集于上部的烟气汇集空间，再由烟气排放出口外排。

具体地，截面为矩形板状的几何体以空间螺线的轨迹构成空间螺旋实体，其外廓与筒状容器内壁贴合，内廓绕竖直的助燃空气排气管的外周，从而构成所述的螺旋换热通道。

优选地，所述烟气换热管集束垂直于螺旋换热通道在水平方向上的投影圆面，所述烟气换热管集束以若干同心圆的形式围绕所述助燃空气排气管排列。从而使换热更加均匀有效，提高换热效率。

较好的设置是，所述烟气排放出口、助燃空气排气管的助燃空气出气口、助燃空气进气口均设置有管道法兰联接或管道螺纹联接。

本发明提出的助燃空气预热通道改进设计的原理如下：

1、炉内外排烟气的通道由与原有排放烟气截面积等效的若干个换热管组成烟气换热管集束，与原有翅片管状通道结构的外表散热表面积相比，本方案烟气换热管集束的散热表面积得到较大的增加。

2、换热器：板状空间螺线型螺旋体的内侧绕预热助燃空气通道出口段柱型圆管，并沿换热器筒状的容器的轴线方向，以等螺距分布，构成封闭的螺线型通道空间。同时，排放烟气的换热管集束在圆型筒状容器横截面上呈均匀分布且与容器的轴线平行并穿过板状螺线通道的密闭空间。

3、本方案换热器的工作是通过以下过程实现的：燃烧（热风）炉内高温烟气G通过排放烟道向外排放，高温烟气G进入烟气换热管集束4，并由下而上通过烟气换热管集束4进入筒状容器上部的烟气汇集空间5，由烟气排放出口6向外排放。常温助燃空气C由送风机从助燃空气进气口1进入螺旋换热通道3，在整个螺旋换热通道3均匀分布有烟气换热管集束4，高温烟气将大量的热通过烟气换热管集束4的管壁向螺旋换热通道3进行辐射，加热助燃空气C，使之成为预热助燃空气，螺旋换热通道3里的预热助燃空气H在第一节距的螺线空间开始受热，在送风机运行产生的风压作用下，预热助燃空气H沿着螺线换热通道下行，进入以下若干个节距的螺旋换热通道空间，下行的预热助燃空气H所受的烟气换热管集束4的辐射热不断叠加，直到烟气换热管集束4底部的烟气流的高温区域，预热助燃空气H携带所受的大量热，进入助燃空气排气管，由下往上运行，穿过烟气汇集空间后引入炉窑燃烧区。

4、与传统助燃空气预热技术相比，本方案的助燃空气预热技术优势在于：①常温助燃空气在预热时所经过辐射加热区域路程长，获得的热量更多。②对于加热的载体作用效应对比：传统的翅片管在对助燃空气辐射加热时，只是在靠近翅片管圆周区域的助燃空气受到翅片辐射产生热效应，远离翅片辐射区域的助燃空气产生的热效应低，因此空气受热不均匀。本技术方案采用等效烟气排放截面积组成的预热管集束4，因其在空间螺旋换热通道内均匀分布，进入螺旋换热通道内的助燃空气受热更加均匀、充分，所产生的热效应更高。

5、本技术方案的效益分析：同传统助燃空气预热技术相比，本发明采用的技术方案可以最大限度回收燃烧产物高温烟气中的显热，得到更高温度的高温助燃空气。更高温度的助燃空气能够使其体积增大，助燃空气中的固定含氧量得到充分的稀释，使燃烧反应区的含氧体积浓度进一步减低，实现燃烧反应区的高温低氧气氛。燃料在高温低氧气氛反应区中的燃烧经历了如裂解重组等过程，形成与传统燃烧过程不一样的热力学条件。由于贫氧助燃气体氛围能使燃烧产生的热能延缓释放，因而就避免了如传统燃烧过程中出现的局部高温高氧区域。因此该燃烧方式能使燃烧室的温度实现整体升高并且温度分布更加均匀。由于低氧氛围燃烧时能使热能得到延缓释放，燃烧将更加充分，由此可使燃料消耗明显降低。也就意味着CO2、NO_X温室气体排放的减少。其节能减排的意义非同一般。

附图说明

图1为现有传统翅片式助燃空气预热换热器外视图；

图2为现有传统翅片式助燃空气预热换热器工作原理示意图，

图中箭头代号“C”所示：常温助燃空气流动方向；箭头代号“H”所示：预热后高温助燃空气流动方向；箭头代号“G”所示：燃烧炉外排高温烟气流动方向；

图3为本发明实施例助燃空气换热器的结构外视图；

图4为图3所示结构的Section B的剖视图；

图5为本发明实施例助燃空气换热器的另一视角的结构外视图；

图6为图5所示结构的Section A的剖视图；

图7为本发明实施例中换热空间的结构示意图；

图8为本发明实施例中构成螺旋换热空间的螺旋实体的结构示意图；

图9为图8所示结构的正视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图3至9所示，本实施例中的助燃空气换热器，包括筒状容器，筒状容器具有上下两部分独立空间，上部为烟气汇集空间5，下部为换热空间，烟气汇集空间配置有烟气排放出口6。高温烟气和常温助燃空气在换热空间内换热，利用高温烟气对常温助燃空气进行预热。

换热空间中心轴线位置竖立助燃空气排气管2，助燃空气排气管2的顶部穿过烟气汇集空间5并延伸至筒状容器之外，换热空间内围绕助燃空气排气管2成型有螺旋向下的螺旋换热通道3，螺旋换热通道3的底部与助燃空气排气管2的底部接通，筒状容器的外侧设置有常温助燃空气进气口1，助燃空气进气口1与螺旋换热通道3的顶部连通。再来，换热空间内竖立有烟气换热管集束4，烟气换热管集束4上下贯穿螺旋换热通道3，烟气换热管集束4顶部与上面的烟气汇集空间连通，烟气换热管集束4以内外同心圆的形式围绕在助燃空气排气管2外周。

助燃空气从助燃空气进气口1经螺旋换热通道3螺旋而下行走，与烟气换热管集束4内由下往上运行的高温烟气换热，预热后的助燃空气从螺旋换热通道3底部进入助燃空气排气管2，从顶部排出，换热后的烟气汇集于上部的烟气汇集空间5，再由烟气排放出口6外排。

本实施例中，截面为矩形板状的几何体以空间螺线的轨迹构成空间螺旋实体，如图8和9所示，其外廓与筒状容器内壁贴合，内廓绕竖直的助燃空气排气管2的外周，从而构成螺旋换热通道2。

再来，烟气排放出口6、助燃空气排气管2的助燃空气出气口、助燃空气进气口1均设置有管道法兰联接。

上述结构的助燃空气换热器可以最大限度回收燃烧产物高温烟气中的显热，得到更高温度的高温助燃空气。更高温度的助燃空气能够使其体积增大，助燃空气中的固定含氧量得到充分的稀释，使燃烧反应区的含氧体积浓度进一步减低，实现燃烧反应区的高温低氧气氛。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。