共模同步型工业烟气复燃循环处理模块及装置的制作方法

本实用新型涉及工业烟气处理装置，特别涉及气体燃料燃烧系统的低氮、VOC(挥发性有机物)处理装置。

背景技术：

现有天然气燃烧器、燃烧机中所采用的燃烧方式多为等压型—扩散、半预混、预混式燃烧。由于环保排放标准的提高，要求燃烧系统大幅降低高温型氮氧化物(NOX)、工艺型VOC排放，使具有低NOX工作特性的全预混式金属丝网燃烧器得以逐步普及。但同时其比功率低、效率低、调节比低、易回火……等特点也显露出来。

当前流行的低氮燃烧器(低NOX燃烧器)是一种“金属纤维网燃烧器”。为了得到稳定的低氮排放指标，需要以金属网反应区设定的低NOX生成温度为基准，对燃气当量比放大并进行精确调节，以控制通过单位介质面积的火焰温度及火焰稳定度。其设定的低氮火焰温度一般在850℃—950℃时。高于此温度，燃烧过程当中的氮氧化物生成量开始线性增加。为了得到较大的功率，就必须加大金属丝网的面积，致其比功率下降、火焰辐射能力下降，导致系统整体加热能力的下降。

多孔介质燃烧的低NOX排放，是因为其结构特性可以对较大过剩空气系数的预混燃气产生稳定(火焰驻定)控制。也因此在同等加热工况下，多孔介质燃烧方式将产生较多的含氧烟气，或者说需要更大的燃烧空间，设备体积加大；反之则功率下降。

VOC一般定义为：熔点低于室温，沸点在50℃—260℃之间的、能够参与大气光化学反应的挥发性有机物的总称。以目前成熟技术对VOC进行处理主要有两种方法。吸收催化法和燃烧去除法。对于大型工业生产来说，吸收催化法需要较大设备结构及很高的后处理费用，对生产成本压力较大。故，燃烧去除法在实际VOC处理工程中应用较多。燃烧去除法的缺陷主要是需要额外的能源消耗，如何降低系统能耗(或者说如何充分利用额外能耗)是VOC燃烧去除法的关键。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种共模同步型工业烟气复燃循环处理模块及装置，它们能够实现低NOX、低VOC排放，且能够节约能源。

发明构思为：将烟气VOC燃烧处理器与燃烧器主燃烧室共型设计，形成“共模同步型工业烟气VOC复燃循环处理器。即，低氮燃烧+烟气多重循环复燃＝低NOX、VOC排放。烟气多重循环复燃通过强化主燃烧器火焰热辐射、创新多孔介质型辐射吸收体结构，形成独立的强化热辐射VOC反应区，即二次燃烧空间。回流烟气从第一多孔介质进入二次燃烧空间，减速扩压；从第二多孔介质喷出，减压增速；这一过程的时隙，即为VOC反应时段。通过调节两个多孔介质间隙，即为烟气VOC反应温度/时间的控制点。使烟气显热和“可燃成分完全反应”后形成“超焓”参与工况加热，并达到极低NOX、VOC排放。

为达上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种共模同步型工业烟气复燃循环处理模块，该处理模块包括筒状燃烧器1和两个锥筒形多孔介质芯体2、5，所述筒状燃烧器1包括筒体11和套设在筒体11内的环状辐射屏12，筒体11和辐射屏12之间构成燃气混合室13，筒体11的外侧部设置与所述燃气混合室13连通的径向进气蜗管6，所述筒状燃烧器1的中心设置中心轴4；所述两个锥筒形多孔介质芯体2、5锥顶相对、对称套装于筒状燃烧器1的所述中心轴4上可轴向滑动，两个锥筒形多孔介质芯体2、5与所述环状辐射屏12之间构成二次燃烧空间3，两个锥底部分别构成进气口7和出气口8。

优选地，从外层到内层，所述环状辐射屏依次包括混合气整流腔、毛细管喷嘴层、十字钝体层和多孔介质辐射层。

优选地，所述锥筒形多孔介质芯体2、5由正圆形平面多孔介质沿轴心凸起拉长制成，其中的毛细孔的轴线与筒状燃烧器1的所述中心轴4平行。

一种共模同步型工业烟气复燃循环处理装置，所述处理装置包括若干个共模同步型工业烟气复燃循环处理模块串联、并联或串并联构成，所述若干个共模同步型工业烟气复燃循环处理模块为上述任意一项所述的共模同步型工业烟气复燃循环处理模块。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

通过对燃气型低NOX燃烧器与多孔介质VOC复燃处理器的创新设计，构建了燃烧/复燃共型燃烧室，使燃烧从矢量单循环变为标量多循环，提高烟气显热对系统热贡献率，节能效果明显、确切。由于本实用新型模块结构紧凑，将多种机器功能合成为一体。以致其同时具有高效、节材、环保及节省生产空间的优点。

附图说明

图1为一个实施例共模同步型工业烟气复燃循环处理模块的结构示意图；

图2为其平面图；

图3为另一个实施例共模同步型工业烟气复燃循环处理装置的结构示意图，图中局部被剖开；

图4为另一个实施例中锥筒形多孔介质芯体的立体结构示意图；

图5为另一个实施例中锥筒形多孔介质芯体的平面结构示意图；

图6为另一个实施例中锥筒形多孔介质芯体的侧视图，图中局部被剖开。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

参照图1和图2，本共模同步型工业烟气复燃循环处理模块包括筒状燃烧器1和两个锥筒形多孔介质芯体2、5，所述筒状燃烧器1包括筒体11和套设在筒体11内的环状辐射屏12，筒体11和辐射屏12之间构成燃气混合室13，筒体11的外侧部设置与所述燃气混合室13连通的径向进气蜗管6，所述筒状燃烧器1的中心设置中心轴4；所述两个锥筒形多孔介质芯体2、5锥顶相对、对称套装于筒状燃烧器1的所述中心轴4上可轴向滑动，两个锥筒形多孔介质芯体2、5与所述环状辐射屏12之间构成二次燃烧空间3，两个锥底部分别构成进气口7和出气口8。

进一步地，环状辐射屏12采用以下结构：从外层到内层，所述环状辐射屏12依次包括混合气整流腔、毛细管喷嘴层、十字钝体层和多孔介质辐射层。混合气整流腔用于恒压、恒流，毛细管喷嘴层用于防回火，十字钝体层作为火焰驻定器，多孔介质辐射层用于火焰展开。通过这样的结构，使火焰在900℃的工况下燃烧并驻定在十字钝体层与多孔介质黑体层之间，随着燃烧进程，黑体材质多孔介质达到设定温度，在开始向外产生热辐射的同时，还起到了恒定点火源的作用。故，二次燃烧空间3内形成900—1000℃、含氧量约为11％的工作环境，使二次燃烧空间3上游进入的含氧量不低于5％的重复回流烟气中的可燃成份(含VOC)复燃、燃尽，而后从二次燃烧空间3下游排出。

进一步地，所述锥筒形多孔介质芯体2、5由正圆形平面多孔介质沿轴心凸起拉长制成，其中的毛细孔的轴线与筒状燃烧器1的所述中心轴4平行。具体应用中，可以根据烟气成份、工艺流量、气流压降及VOC除尽率等参数来设计多孔介质的厚度(毛细孔深度)。将多孔介质芯体2、5做成锥筒形，主要是为了使毛细孔群的孔壁面展开，直接吸收来自于径向的环形辐射屏12的辐射热，毛细管吸收辐射传热后，将热直接传递给流过的烟气，即，使烟气流经高温介质孔时获得热量发生反应。而平板型多孔介质对应于径向辐射热的吸收极小，其传热大多为对流传热和介质板端面四周极小面积的热传导。从传热原理上讲，火焰的辐射传热占其总能的70％以上。

从受热性能看：以直径100㎜，厚度10㎜的多空介质板与底径100㎜，顶径30㎜，高80㎜，厚度10㎜的多孔介质锥筒对比，对应于燃烧室直径100㎜，长80㎜壁面的热辐射径向投影面积为：3140mm²∶17977mm²，锥筒侧面积是正圆平板面积的5.72倍，也可以说锥筒形多孔介质比正圆板型多孔介质的受热能力高5.72倍；

再从传热能力上看：正圆多空介质板毛细孔水利面积为7389mm²，锥筒形多孔介质的水利面积为21733mm²，锥筒散热面积是正圆平板散热面积的2.94倍。

从以上简单数据的对比可以看出，本实用新型的一个核心即为——低氮燃烧状态下极高的整体“热效率”——共模同步烟气VOC处理结构。

多孔介质材质可以是：310S、SiC、25Lv5、27Lv7m2。

参照图3，该共模同步型工业烟气复燃循环处理装置由两个共模同步型工业烟气复燃循环处理模块串联组成。其中的共模同步型工业烟气复燃循环处理模块与图1所示处理模块基本相同，区别在于，锥筒形多孔介质芯体2、5的毛细孔不同。前述实施例中为圆孔。本实施例中为三角孔，参照图4至图6，图中箭头A1、A2表示气流方向。

在实际应用中，根据需要可以用多个共模同步型工业烟气复燃循环处理模块串联、并联或串并联组成共模同步型工业烟气复燃循环处理装置。

上述共模同步型工业烟气复燃循环处理模块适用于所有气体燃料燃烧系统的低氮、VOC处理。

烟气处理过程主要分为：烟/空气混合形成燃气、燃气燃烧传热、烟气多孔介质内复燃、混合烟气输出四个工作过程。更具体的烟气处理方法包括：

燃料/空气混合(燃气)从径向进气蜗管6输入所述燃气混合室13，燃气通过环状辐射屏12的孔隙在所述环状辐射屏12的内壁面低氮燃烧，形成筒状薄膜火焰，环状辐射屏12自身也被加热到900℃左右，低氮燃烧产生的含氧烟气经环状辐射屏12排入所述二次燃烧空间3，环状辐射屏12同时向所述二次燃烧空间3辐射热；

同时，另一路回流烟气从进气口7经一个锥筒形多孔介质芯体2进入所述二次燃烧空间3，经另一个锥筒形多孔介质芯体5从出气口8喷出，在此过程中烟气复燃去除VOC；

通过调节二次燃烧空间3内的燃气压力，调节两个锥筒形多孔介质芯体2、5之间的间隙，可以控制二次燃烧空间3内烟气反应温度和时间，使烟气中的可燃成分完全反应。

较佳方式中，烟气在二次燃烧空间3内的复燃控制方式包括：

低氮燃烧产生的含氧烟气沿着与所述中心轴4垂直的方向排入所述二次燃烧空间3，且排烟压力大于从锥筒形多孔介质芯体2输入的烟气的压力，使两路烟气形成切向流湍混传热；

两个锥筒形多孔介质芯体2、5吸收环状辐射屏12的辐射热使其介质孔升温，烟气流经高温介质孔时获得热量发生反应；

调节两个锥筒形多孔介质芯体2、5之间的间隙，使二次燃烧空间3的气动参数发生线性变化，最大限度的将火焰的辐射能传递给被处理烟气。

至少一些实施例具备以下优点：

(1)高效率：在设定的低氮燃烧温度下，通过创新燃烧室多孔介质结构及气动力学优化，使燃气在驻定反应区(环状辐射屏)低氮式燃烧。同时，建立高过剩空气系数燃烧后的高温烟气回流复燃流程，使烟气显热及其中未尽氧气重复参与后续燃烧反应，这样既可回用烟气余热，而低氮燃烧较大过剩空气系数中的氧，可为其复燃过程提供有益支持。

(2)高传热：筒状燃烧器内壁面构成低氮燃烧的同时，对上游流过来的烟气以三种方式组织其复燃。首先是筒状燃烧器通过多孔介质环状辐射屏排烟，其方向与燃烧器轴心垂直，又由于其环状辐射屏的烟气出口压力大于轴向循环的回流烟气，因此形成了切向流湍混传热；其次是轴向引进的回流烟气要通过两个对称安装的锥筒形多孔介质芯体，这一对多孔介质芯体又被其外套环形辐射屏同步辐射加热，含有可燃成份的湍流烟气在高温介质孔内获得更多的热量并充分反应。调节两个锥筒形多孔介质芯体的锥顶距，可使两锥筒与外套环装辐射屏间的VOC中心反应区(二次燃烧空间)的气动参数发生线性变化，最大限度的将火焰的辐射能传递给被处理烟气，完成VOC消除。

(3)低NOX：在特殊构型的多孔介质组合体内，随流量变化，燃气当量比加大并在设定的伺服区间自动调节，使反应区温度恒定在设计点(950℃±50℃)上，形成稳定的低氮排放。环状辐射屏利用其波纹结构，为从其网面喷出的火焰提供单向流动的轴向力。

(4)低耗：烟气复燃可将烟气显热带回燃烧区，其中VOC的可燃成份将参与反应，燃烧反应区便形成了“超焓”状态——即：反应区总热量超过一次燃料供应所含热量。等温输出即形成低耗状态。从燃烧原理看，低氮由降低火焰温度始，方法为加大过剩空气量，掺杂冷风多，致燃烧反应变慢。如果不考虑延长反应区(加大燃烧空间)则燃烧效率降低，烟气中未尽燃料、氧气均会有升高。建立烟气多重循环复燃模式，则可有效地榨干燃气中的可燃成份并烟气余热回用，形成给定温度段的“超焓”现象，使整体加热工艺流程“低耗”。

(5)VOC消除：针对加热系统工况，VOC是由于被加热物受热(加热温度低于500℃)而产生的。特别是在无焰加热状态下，被加热物产生的VOC随烟气外排。本实用新型利用烟气在特殊构型多孔介质中的复燃，来消除烟气中VOC。结果，VOC耗尽，同时贡献热量。

(6)燃烧与烟气处理一体化，整机效率高、外用能源低。本实用新型通过对燃气型低NOX燃烧器与多孔介质VOC复燃处理器的创新设计，构建了燃烧/复燃共型燃烧室——使燃烧从矢量单循环变为标量多循环，提高烟气显热对系统热贡献率，节能效果明显、确切。

(7)紧凑：由于本实用新型模块结构紧凑，将多种机器功能合成为一体。以致其同时具有高效、节材、环保及节省生产空间的优点。

上述通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本实用新型的内容，并不能理解为对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员在本实用新型构思下对上述方案进行的各种润饰、等效变换等均应包含在本实用新型的保护范围内。