一种高效低NOx二级自身预热式烧嘴的制作方法

本发明涉及自身预热式烧嘴的结构，具体涉及一种高效低nox二级自身预热式烧嘴。

背景技术：

工业类生产活动是能源与环境问题的主要诱因，工业炉窑等设备是大气污染主要来源，同时也是高耗能工业设备。烧嘴作为工业炉窑最主要装置之一，直接决定了工业炉窑的能耗与污染物排放量。自身预热式烧嘴是一类典型的工业炉窑烧嘴，烧嘴既充当燃烧装置，也充当排烟装置，并且同时进行。但常规自身预热式烧嘴的燃烧方式单一，换热效率一直较低；同时传统烧嘴结构在用于空气预热温度较高的常规燃烧模式时，nox等污染物生成量较大，难以满足环保标准。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高效低nox二级自身预热式烧嘴。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高效低nox二级自身预热式烧嘴，包括壳体、空气导管、燃气导管、烟气导管、燃烧室、自冷却电极，壳体上带有空气进口、烟气出口、燃气进口，壳体套装在空气导管的后端外部上，燃气导管固定在空气导管内且与燃气进口连通，燃烧室设置在空气导管前端开口处，自冷却电极的点火端设置在燃烧室内，空气导管外套装有与空气导管配合形成空气通道的一级换热器，烟气导管套装在一级换热器的表面上形成连通烟气出口的烟气通道，所述壳体内设有套装在空气导管表面上的二级换热器，所述二级换热器设有多个用于进入空气的换热器通道ⅰ、与烟气通道连通的换热器通道ⅱ，换热器通道ⅰ的两端分别连通空气进口、空气通道。

在本发明中，所述二级换热器包括外壳、多个通道构件，所述多个通道构件环形分布在外壳的内腔中，所述换热器通道ⅰ、换热器通道ⅱ由多个通道构件环形分布在外壳的内腔中形成，换热器通道ⅱ内设有多个垂直于烟气通道气体流动方向的绕流挡板。

在本发明中，所述外壳包括第一法兰、第二法兰、换热器外壁、换热器内壁，所述换热器内壁设置在换热器外壁内形成壳体组件，所述第一法兰、第二法兰分别设置在壳体组件两端上。

在本发明中，通道构件为薄壁金属板或异形狭缝钢管中的任意一种，所述薄壁金属板或异形狭缝钢管的两端分别连接在第一法兰、第二法兰上形成一个具有两种气体介质通道相间分布的二级换热器。

在本发明中，所述壳体包括空气壳体和固定在空气壳体外表面上的燃气壳体，所述空气进口和烟气出口设置在空气壳体上，所述燃气进口设置在燃气壳体上。

在本发明中，所述燃气导管内设置有燃气管，所述燃气管的一端延伸至壳体外。

在本发明中，通道构件为换热导管，换热导管的两端分别连接在第一法兰、第二法兰上，所述换热器通道ⅰ的由换热导管的圆形管腔形成。

在本发明中，所述二级换热器包括第一法兰、第二法兰、若干平行设置的绕流挡板、通道构件，所述通道构件为换热导管,换热导管贯穿绕流挡板，第一法兰、第二法兰环套在空气导管表面，绕流挡板固定在空气壳体内并沿空气壳体延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰上，换热导管的另一端固定在第二法兰上。

在本发明中，所述燃气导管上设有分流器，所述分流器设有连通一级燃气孔的分流通道。

在本发明中，还包括风盘，所述风盘套接在分流器表面，风盘表面沿圆周方向设置有风道，风道连通燃烧室和空气导管的内部空间。

本发明的有益效果：

1.通过在现有常规一级换热器的自预热烧嘴基础上增加二级换热器，空气进入二级换热器后与高温烟气换热，烟气降低温度排出，空气经过了一次的换热升温，烧嘴燃烧后的高温烟气回流至烧嘴时经过一级换热器对空气导管内的空气二次换热升温，即对空气进行两级的换热，有效提高了换热的效率，最大化地提高预热空气温度，利用烟气的余热对空气充分预热，提高燃烧效率，极大地提高自预热烧嘴的节能水平；

2.烟气与空气在狭缝形的换热器通道中进行间壁式换热，大幅提高了换热效率。与圆形的换热器通道（即实施例2中的二级换热器）相比，在相同换热器体积下，换热器通道的换热面积更大；在相同换热面积下，换热器通道的换热系数更大。

3.采用狭缝形的换热器通道的燃气输入控制结构简单，燃气只采用一个燃气进口进行控制输入，简化了燃气的控制结构，提高控制效率和降低控制成本。

4.采用狭缝形的换热器通道能够将1050℃的烟气与空气换热后，再以300℃左右的温度排出烧嘴。

5.设置燃气导管和燃气管，两者单独连接供燃气设备，同时在燃气导管上设置位于燃烧室内的分流器，可根据烧嘴燃烧情况或需要设置不同的燃烧模式，可以改变燃气的流动方式，提高燃烧效率，降低nox的产生，达到节能减排的目的；

6.在燃气分级的前提下再结合空气分级技术，通过在空气导管表面设置有冷却风孔，大部分空气从一级换热器进入空气导管到达燃烧室，部分空气从冷却风孔进入空气导管，与进入到燃烧室内的燃气混合，部分空气从第二环缝隙进入加热空间，与燃烧室出口附近的燃气、一级燃烧产物和加热空间内的部分回流烟气混合后进行二次燃烧，成高速火焰，高速火焰能卷吸周围的烟气参与燃烧，能有效的降低火焰燃烧温度，从而减少nox的产生；

7.通过在燃气导管表面套装安装弹簧，并通过安装弹簧固定在空气壳体内，可以在烧嘴内部装置有热膨胀性移位时保证燃气系统结构的安全性与稳固性，进而提高整体设备的实用寿命和使用的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明：

图1为实施例1的内部结构示意图；

图2为实施例1烟气、空气流动方式的示意图；

图3为实施例1侧视图；

图4为实施例1烟气、空气另一种流动方式的示意图；

图5为实施例1中通道构件的第一种设置方式示意图；

图6为实施例1中通道构件的第二种设置方式示意图；

图7为实施例1中通道构件的第三种设置方式示意图；

图8为实施例1中通道构件的第四种设置方式示意图；

图9为实施例1中异形狭缝钢管截面短边为方形的示意图；

图10为实施例1中异形狭缝钢管截面短边为弧形的示意图；

图11为实施例1中支撑件的结构示意图；

图12是实施例2的内部结构剖面图；

图13是实施例2烟气、空气流动方式的示意图；

图14是实施例2烟气、空气另一种流动方式的示意图；

图15是实施例2中通道构件为换热导管的结构示意图；

图16为翅片管的结构示意图；

图17为翅片管另一角度的结构示意图；

图18为实施例3的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

参照图1~8，一种高效低nox二级自身预热式烧嘴，包括壳体、空气导管22、燃气导管23、烟气导管18、燃烧室25、自冷却电极4；所述壳体包括套装在空气导管22的后端外部上的空气壳体8和固定在空气壳体8外表面上的燃气壳体6，所述空气壳体8上设置有空气进口2和烟气出口3，空气进口2和烟气出口3的相对位置可调，满足不同环境下的应用，所述燃气壳体6上设置有燃气进口1，空气壳体8与燃气壳体6之间布置有保温内衬7；燃气导管23的一端套装有安装弹簧16并通过安装弹簧16固定在空气导管22内，同时与燃气进口1连通，燃气导管23通过安装弹簧16固定在空气壳体8内，可以在烧嘴内部装置有热膨胀性移位时保证燃气系统结构的安全性与稳固性，进而提高整体设备的实用寿命和使用的安全性。燃烧室25设置在空气导管22的前端开口处并留有第一环缝隙，自冷却电极4的点火端设置在燃烧室25内，并且通过冷却风口5进行通风冷却。所述空气导管22外套装有与空气导管22配合形成空气通道21的一级换热器20，一级换热器20的一端延伸至燃烧室25处与燃烧室25出口处形成第二环缝隙，所述一级换热器20的外表面上均匀设有多组凹凸状翅片。空气导管22上设有使空气导管22内腔连通空气通道21的冷却风孔17；烟气导管18套装在一级换热器20的表面上形成连通烟气出口3的烟气通道19。所述燃气导管23上包括位于燃气导管23轮廓上的一级燃气孔27、由燃气导管23前端管口形成的二级燃气孔28。所述壳体内设有套装在空气导管22表面上的二级换热器10，所述二级换热器10设置在空气壳体8内，所述二级换热器10设有多个用于进入空气的换热器通道ⅰ13、与烟气通道19连通的换热器通道ⅱ13＇，换热器通道ⅰ13的两端分别连通空气进口2、空气通道21。

在本实施例中，所述二级换热器10包括外壳、多个通道构件33，所述多个通道构件33环形分布在外壳的内腔中形成多个截面形状为狭缝形的换热器通道ⅰ13，并留有连通烟气通道19的换热器通道ⅱ13＇，所述换热器通道ⅰ13的两端分别连通空气进口2、空气通道21。烟气与空气在二级换热器10中在交替分布的狭缝形换热器通道ⅰ13中进行间壁式换热，大幅提高了换热效率，与常规换热器相比，在相同换热器体积下，换热器通道ⅰ13的换热面积更大；在相同换热面积下，换热器通道ⅰ13的换热系数更大。

在本实施例中，如图1所示，所述换热器通道ⅱ13＇内设有多个在换热器通道ⅱ13＇内交替间隔分布且垂直于烟气通道19气体流动方向的绕流挡板14，通道构件33贯穿绕流挡板14并安装在外壳内。进一步的，上述绕流挡板14的总数量为偶数，并且换热器通道ⅱ13＇由数量为偶数的绕流挡板14分成多个腔体，所述腔体的总数量为奇数，该结构可以增加烟气通道19气体流动的行程、增加换热时间。

在本实施例中，如图1~11所示，所述外壳包括第一法兰11、第二法兰12、换热器外壁30、换热器内壁29，所述换热器内壁29设置在换热器外壁30内形成壳体组件，所述第一法兰11、第二法兰12分别设置在壳体组件的两端上，并且所述第一法兰11、第二法兰12上均设有与换热器通道ⅰ13位置相对应的开孔，使换热器通道ⅰ13可以正常连通空气进口2、空气通道21。同时，换热器外壁30与空气壳体8形成与空气进口2连通的冷却通道9，大幅降低空气壳体8的温度。

在本实施例中，如图1~11所示，所述通道构件33包括薄壁金属板或异形狭缝钢管中的任意一种，所述薄壁金属板或异形狭缝钢管的两端分别连接在第一法兰11、第二法兰12上形成一个具有两种气体介质通道相间分布的二级换热器10，上述两种气体介质通道为换热器通道ⅱ13＇和换热器通道ⅰ13。而且当通道构件33为薄壁金属板时，薄壁金属板左右两端分别与第一法兰11、第二法兰12连接，其上下两侧分别与换热器外壁30、换热器内壁29连接，从而使换热器通道ⅱ13＇和换热器通道ⅰ13的截面形状均为狭缝形空腔，并且当换热器通道ⅱ13＇和换热器通道ⅰ13的截面形状均为狭缝形空腔时，换热器通道ⅱ13＇和换热器通道ⅰ13互相交替间隔，并呈环形排列分布。通道构件33、第一法兰11、第二法兰12、换热器外壁30、换热器内壁29采用焊接等方式进行连接安装为一整体。

参照图5~11，在本实施例中，薄壁金属板或异形狭缝钢管的壁厚均在0.3~1.0mm以内，以保证换热面的换热效率和使用强度。为了保证二级换热器10的最大换热效率，所述换热器通道ⅰ13的狭缝长度大于10mm、狭缝宽度不大于8mm，该结构可以保证换热器通道ⅰ13最大空气流动面积，提高换热效率。当狭缝长度过大时，相邻换热面之间会产生扰动和热应力问题，此时需要在狭缝形管长度方向上增加支撑件31，所述支撑件31成型包括但不限于铸成和外部挤压。如图9、10所示，在上述结构中，异形狭缝钢管截面的短边可以是方形或者弧形，以便于定位固定。

在本实施例中，换热器通道ⅰ13可由多个薄壁金属板分别与换热器外壁30、换热器内壁29连接形成，如图5，此为第一种设置方式；换热器通道ⅰ13也可由多个异形狭缝钢管连接在第一法兰11、第二法兰12形成，并且异形狭缝钢管连接有支撑件31，加强其强度，如图6，此为第二种设置方式；换热器通道ⅰ13还可以由多条异形狭缝钢管连接在第一法兰11、第二法兰12形成，如图7，此为第三种设置方式；换热器通道ⅰ13可由多条异形狭缝钢管连接在第一法兰11、第二法兰12形成，并且多条异形狭缝钢管分为两个或多个环状的异形狭缝钢管组，以提高换热质量，如图8，此为第四种设置方式。

在本实施例中，本发明还包括风盘26，所述风盘26套接在分流器表面，风盘26表面沿圆周方向设置有风道，风道连通燃烧室25和空气导管22的内部空间。自冷却电极4的末端安装于风盘26上，两者组合之后整体置于燃烧室25中，并由支架24固定燃气导管23和燃烧室25的相对位置。由燃气进口1进入的燃气经过燃气导管23后，在燃烧室25内靠近风盘26处分为两级，其中：一级通过风盘26附近处的一级燃气孔27排出成为一级燃气，二级直接由二级燃气孔28在靠近燃烧室25出口处喷出形成二级燃气，在此过程中，一级燃气流量占一级燃气流量和二级燃气流量相加的总燃气流量的10~50%之内。在上述结构中，所述二级燃气孔28可在燃烧室25出口内侧，也可以通过延长燃气导管23伸出在燃烧室25外侧，此项长度根据烧嘴实际使用时对火焰的需求而定，本发明可在燃烧室25内和外的燃烧情况形成燃气空气双分级燃烧。

在本实施例中，所述燃气导管23上设有分流器，所述分流器设有多个连通一级燃气孔27的分流通道，分流通道为环形风道或由多个沿环形分布的孔道。本发明通过分流器的设置，可以改变燃气的分配方式，提高燃烧效率，降低nox的产生，达到节能减排的目的。

在本实施例中，所述二级换热器10可单排布置在空气壳体8内，也可以把二级换热器10进行模块化，然后在空气壳体8内增加n层，以便于在大功率规格的烧嘴上应用。

本实施例的烧嘴系统一般采用on/off脉冲型控制方式，而且本实施例，只有一个燃气进口，所以只需一个控制阀对燃气的供给进行控制即可，本实施例所提供的烧嘴适合应用在流量控制精度要求不高的场合上，利用与燃气导管23连通的燃气进口1输入燃气，燃气通过一级燃气孔27、二级燃气孔28和分流器的结构设计自动分流成一级和二级，不管低温模式或者升温模式，此时一级燃气流量占总进口流量的10~50%内，此时形成燃气、空气双分级燃烧。因此本实施例的工作原理如下：

（1）低温时，烧嘴控制器给出运行信号，燃气进口1供给燃气，进入燃气导管23后到燃烧室25内，燃气由一级燃气孔27部分喷出后与经过风盘26的一次空气混合，经自冷却电极4点燃（同时检测火焰信号）后燃烧，燃烧产物再与一级换热器20的出口处的二级空气加上二级燃气孔28混合再次燃烧，进行燃气空气双分级燃烧。采用空气燃气双分级的燃烧方式配合特定烧嘴结构，能够在低温负荷或者低温升温时满足超低nox排放，一级燃气流量占一级燃气流量和二级燃气流量相加的总燃气流量的10~50%之内。

（2）高温（850℃）时，控制系统切换无焰控制高温模式，燃气进口1供给，自冷却电极4不点火不检测，空气仍旧分两级分别从燃烧室25和一级换热器20出口进入加热空间，一级燃气孔27进入燃烧室25后与一级空气混合后在与燃烧室25出口处的二次空气与二级燃气孔28混合后直接喷入加热空间进行弥散温和燃烧，不存在局部高温火焰和局部高温区，实现超低nox排放。

（3）两种温度工作模式下，高温烟气均由烟气通道19与空气通道21中的空气进行一级热交换，之后进入二级换热器10中与换热器通道ⅰ13内的空气进行二级换热，此时烟气通道19的烟气会经过绕流挡板14，增加行程，增加换热时间，之后由烟气出口3排出低温烟气。

（4）两种温度工作模式下，空气均由空气进口2后进入冷却空气壳体8的冷却通道9，之后进入二级换热器10中，经第一法兰12进入狭缝形的换热器通道ⅰ13内，与相邻换热器通道ⅰ13之间的烟气进行换热，之后进入空气通道21中再次经过一级换热器20与烟气通道19中的烟气进行换热，之后进行助燃。

在上述结构中，优选通道构件33为异形狭缝钢管，同时图2为本实施例中的烟气、空气流动示意图，由该图可知，本实施例的换热器通道ⅰ13由异形狭缝钢管的管腔形成，而换热器通道ⅱ13＇由外壳的内腔形成，同时绕流挡板14位于外壳的内腔中，所以在本实施例中，烟气的流动行程由绕流挡板14增加，可以延长烟气换热的时间，提高换热的效果。进一步的，换热器通道ⅰ13、换热器通道ⅱ13＇的位置可以根据实际需求在二级换热器10上设置调节，以达到改变烟气、空气流动位置的目的，如图所示，该图4为烟气、空气另一种流动方式的示意图，在该图中，换热器通道ⅰ13由外壳的内腔形成，而换热器通道ⅱ13＇由异形狭缝钢管的管腔形成，空气的流动行程由绕流挡板14增加，使得空气可以带走更多的烟气热量，提高换热的效果。

实施例2

参照图12~17，本实施例的结构与实施例1的结构基本相同，区别在于：所述燃气导管23内设置有燃气管31，所述燃气管31的一端延伸至壳体外，燃气导管23和燃气管31均单独连接供燃气设备，以便于实现燃气导管23和燃气管31的其中一个进行单独供气或由燃气导管23和燃气管31同时供气的目的。进一步的，通道构件33为换热导管，换热导管的两端分别连接在第一法兰11、第二法兰12上，换热器通道ⅰ13由每根换热导管的圆形管腔形成，即单个换热器通道ⅰ13的截面形状为圆形，换热导管可以是直管、螺旋管、表面异形处理管和翅片管中的任意一种制成。

在本实施例中，由于多增加了一路燃气供给，所以在本实施例中需要两个控制阀对两路燃气供给进行控制，本实施例所提供的烧嘴适合应用在燃气流量控制要求较高的场合上，利用与燃气导管23连通的燃气进口1和燃气管31延伸至壳体外的一端作为两路燃气输入口输入燃气，其中第一路燃气输入口由燃气导管23和燃气进口1形成，第二路燃气输入口由燃气管31形成；燃气进口1输入的燃气通过一级燃气孔27、二级燃气孔28和分流器的设置分流成一级和二级，一级燃气流量所占比例同实施例1的一样，主要用于低温模式和升温模式；燃气管31的另一端直接通入燃烧室25出口附近，有两个用途，一是作为低温和升温模式的第一路燃气输入口流量不足的补充，此时燃气有三级空气两级，二是作为高温模式时作为直喷进行无焰弥散燃烧，此时燃气一级空气两级，因此本实施例的工作原理如下：

（1）低温时(即低于特定的温度，本实施例为850℃），烧嘴控制器给出运行信号，外部供燃气系统供给燃气，燃气经燃气壳体6的燃气进口1进入燃气导管23后到燃烧室25内，空气由空气进口2进入空气壳体8，一部分进入二级换热器10的换热导管与回流烟气进行换热后进入一级换热器20，随后从一级换热器20端部的第二环缝隙进入空气导管22，再通过第一环缝隙后经风盘26进入燃烧室25，另一部分空气从冷却风孔17进入空气导管22，进入空气导管22的空气经过风盘26后进入燃烧室25，燃气由分流器的分流通道部分喷出后与经过风盘26的一次空气混合，经自冷却电极4点燃同时检测火焰信号后燃烧，燃烧产物与从燃气导管23末端喷出的二次燃气混合继续燃烧，再与一级换热器20的出口处的二级空气混合再次燃烧，此时可根据实际热负荷可选从燃气管31供给喷出直喷燃气32，进行燃气三级燃烧。采用空气燃气双分级的燃烧方式配合特定烧嘴结构，能够在低温负荷或者低温升温时满足超低nox排放。

（2）高温时（高于850℃），关闭燃气从燃气进口1的供给，只留燃气管31供给，喷出直喷燃气32，同时自冷却电极4不点火，空气仍旧分两级分别从燃烧室25和一级换热器20出口进入加热空间，燃气直接由燃气管31进入加热空间，在高温环境下进行弥散的无焰燃烧，无局部高温区，实现超低nox排放。

（3）两种温度工作模式下，烟气均由烟气导管18与一级换热器20内的空气进行一级热交换，之后进入二级换热器10中与换热导管中的空气进行二级换热，此时烟气流道会经过绕流挡板14，增加行程，增加换热时间，之后由烟气出口3排出低温的烟气。

（4）两种温度工作模式下，空气均由空气进口2后进入空气壳体8，之后进入二级换热器10的换热器通道ⅰ13中，与换热器通道ⅱ13＇的烟气进行换热，之后进入空气壳体8中后再次经过一级换热器20与烟气导管18中的烟气进行换热，之后进行助燃。

本实施例中，换热器通道ⅰ13、换热器通道ⅱ13＇的位置同样可以根据实际需求在二级换热器10上设置调节，以达到改变烟气、空气流动位置的目的，如图13、图14所示，其中图13为本实施例的空气、烟气流动分布的示意图，图14为空气、烟气另一种方式流动分布的示意图，上述两种空气、烟气流动分布方式的好处与优点和实施例1中的好处优点基本相同，故不做描述。

实施例3

参照图18，本实施例与实施例2的结构基本相同，区别在于：二级换热器10不包括外壳，所述二级换热器10包括第一法兰11、第二法兰12、若干平行设置的绕流挡板14、通道构件33，所述通道构件33为换热导管,换热导管贯穿绕流挡板14，第一法兰11、第二法兰12环套在空气导管表面上，并固定在空气壳体8内的两端上，绕流挡板14固定在空气壳体8内并沿空气壳体8延伸方向交替间隔分布，换热导管的一端固定设置在第一法兰11上，换热导管的另一端固定在第二法兰12上。并且在具体实施时，必须在空气壳体8的内壁加保温内衬7。

换热导管采用如不锈钢管类较硬质管时，采用钎焊等金属熔融方式连接；换热导管采用铜管等软质管时，可选采用翻头压紧固定等挤压式机械力连接，此时每一侧安装法兰分为a/b两块薄法兰。

二级换热器10的换热导管采用直管布置，也可采用弹簧型螺旋状环形布置，以增大换热面积；换热导管的形式包括但不限于光滑圆管、粗糙管（表面进行加工以增大换热面积）和翅片管（管上平行、螺旋或垂直布置翅片）。

为满足更低nox排放，可选燃气导管23短于燃气管31先行喷出。为满足二级换热器10和一级换热器20的整体换热效率，实现设计效率和排烟温度。二级换热器10换热面积a与一级换热器20的换热面积b满足a=0.793e^2.314b关系。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。