一种蓄热式M形辐射管单元及其燃烧方法与流程

本发明涉及工业加热的燃烧器技术领域，特别是涉及一种蓄热式m形辐射管单元及其燃烧方法。

背景技术：

火焰辐射管是利用管内气体燃烧产生的热量，通过受热的管表面以热辐射为主要形式把热量传递到炉内加热物体的加热装置，目前，使用的辐射管主要分为两大类：火焰辐射管和电加热辐射管，其中，火焰辐射管的热效率比电加热辐射管高一倍左右，因此，火焰辐射管主要是可控气氛热处理炉的一种常用加热装置，另外其在机械、纺织、食品等行业也有应用。

在钢铁、冶金工业炉和机械热处理领域的火焰辐射管主要采用热值较高的气体燃料，由于受到辐射管内空间的限制，燃烧过程产生的很多热量不能被传导到炉内，虽然在使用换热器后能够实现部分热量的循环利用，现有技术中可以将助燃空气预热到550℃左右，但烟气中仍有大量有效热不能利用，为了提高热效率，现有的火焰辐射管形式较为常见的主要有w形，传热面积较大，热效率较高，但表面温差较大。有p形，热效率较高，所需材料好，造价较高。有u形，热效率较低。这几种形式一般热效率在60%左右，但nox排放高于现行排放的标准。

现有技术中也有采用蓄热式燃烧来提高热效率，一般可以将助燃空气预热到800℃左右，工作时燃料喷枪和空、烟气同时换向，当一个燃料喷枪喷出燃料时，另一个燃料喷枪关闭无燃料通过，这样容易使关闭无燃料通过的喷枪内剩余燃料被排出造成浪费，造成燃烧不干净，热效率低等问题，且容易造成喷枪头部烧损结焦，影响喷枪的使用寿命，且辐射管壁面温度的均匀性差，辐射管烧损较严重，同时，由于高温空气与燃料燃烧时产生的nox会很高，不符合钢铁、冶金工业炉现行的排放标准，因而极少在辐射管中得到有效应用。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种蓄热式m形辐射管单元及其燃烧方法，有助于提高辐射管表面温度均匀性，增加辐射管使用寿命，有助于提高综合热效率，节约燃料消耗，有助于提高辐射管燃烧稳定性以及减少nox排放量。同时，能够实现火焰辐射管内的负压环境燃烧，有利于炉内的气氛控制，满足现有火焰辐射管加热工艺的需求，且改造安装方便，维护检修容易。

为实现上述目的及其相关内容，本发明采用的一个技术方案是：提供一种蓄热式m形辐射管单元，包括：蓄热式燃烧器、m形火焰辐射管、以及用于蓄热式燃烧的换向装置；所述蓄热式燃烧器与所述m形火焰辐射管相接，所述换向装置与所述蓄热式燃烧器相接。

在本发明一个较佳实施例中，所述m形火焰辐射管由中间的燃烧管和两侧的烟气排出管组成m形；所述蓄热式燃烧器的两侧分别连接有左伸缩管组件和右伸缩管组件，前端连接有燃烧喷口；所述左伸缩管组件和所述右伸缩管组件分别与两侧的烟气排出管相接，所述燃烧喷口与所述燃烧管相接。

在本发明一个较佳实施例中，所述燃烧管的截面与两侧的烟气排出管的截面之和相同。

在本发明一个较佳实施例中，所述蓄热式燃烧器包括蓄热箱体和左右二个空、烟气接口，所述蓄热箱体内含有两个装有蓄热体的蓄热室，所述左右二个空、烟气接口分别与两个蓄热室相连，且所述左右二个空、烟气接口与所述换向装置相接。

在本发明一个较佳实施例中，所述蓄热式燃烧器内开设有一条用于插入燃料喷枪的燃料通道，所述燃料通道的两侧开设有左蓄热通道和右蓄热通道，所述左蓄热通道的前端含有左喷口，所述右蓄热通道的前端含有右喷口；所述蓄热式燃烧器内设有与所述燃料通道相连的预混室，所述左喷口通过左混合通道与所述预混室相连，所述右喷口通过右混合通道与所述预混室相连，所述预混室又与所述燃烧喷口相连；所述左伸缩管组件内开设有左回烟道，所述右伸缩管组件内开设有右回烟道，所述左回烟道与所述右回烟道之间通过烟气左右平衡通道相连，且所述左回烟道又与所述左喷口和所述左混合通道相连，所述右回烟道又与所述右喷口和所述右混合通道相连；所述左蓄热通道和所述右蓄热通道分别与两个蓄热室相连。

在本发明一个较佳实施例中，所述预混室内含有点火通道及火焰检测通道，所述点火通道内安装有点火装置，所述火焰检测通道内安装有火焰检测器。

在本发明一个较佳实施例中，所述换向装置由两个喷射器和安装在两个喷射器上的切断阀组成，两个所述喷射器与所述蓄热式燃烧器的左右二个空、烟气接口相接。

在本发明一个较佳实施例中，两个所述喷射器的底部均含有用于连接鼓风机的活套法兰；且两个所述喷射器的顶部均含有用于连接引风机的排烟口。

在本发明一个较佳实施例中，所述切断阀为安装在两个喷射器之间的双联气动插板切断阀或是分别安装在两个喷射器上的气动切断阀。

还提供一种蓄热式m形辐射管单元的燃烧方法，包括燃烧和排烟两个步骤，工作时，先在所述燃料通道内插入燃料喷枪，通入燃料按设定的点火控制方法进入预混室；

燃烧时：所述换向装置上的活套法兰与外部的鼓风机相连，且切断阀处于关闭状态，来自鼓风机的正压空气通过与之相连的蓄热式燃烧器上的左空、烟气接口或右空、烟气接口，经蓄热室预热后进入所述蓄热式燃烧器内的左蓄热通道或右蓄热通道，经左喷口或右喷口喷出预热后的高温空气，喷射吸入从所述蓄热式燃烧器内的左回烟道或右回烟道、从所述m形火焰辐射管两侧的烟气排出管而来的烟气到所述蓄热式燃烧器内的左混合通道或右混合通道，实现烟气自循环回流，形成空气与烟气的混合气，降低空气中的氧含量；低氧空气与燃料喷枪所喷出的燃料在所述蓄热式燃烧器内的预混室混合，且被插设于所述蓄热式燃烧器内的点火装置点燃，且被火焰检测器观察到火焰，燃料与低氧空气在所述蓄热式燃烧器前端的燃烧喷口稳定燃烧，最后进入所述m形火焰辐射管的中间燃烧管完成燃烧；

排烟时：所述换向装置上的活套法兰与外部的鼓风机相连，且切断阀处于打开状态，来自鼓风机的正压空气通过喷射器引射，使得与之相连的所述蓄热式燃烧器上的左空、烟气接口或右空、烟气接口位置处于负压状态；同时，所述m形火焰辐射管两侧的烟气排出管接受中间的燃烧管而来的烟气通过所述左伸缩管组件和右伸缩管组件，经过所述蓄热式燃烧器内的左回烟道和右回烟道，在所述蓄热式燃烧器内的左喷口或右喷口处被负压吸入，经过所述蓄热式燃烧器内的左蓄热通道或右蓄热通道，进入蓄热箱体上的蓄热室完成热量蓄存，然后经所述蓄热式燃烧器上的左空、烟气接口或右空、烟气接口处被喷射器引射原理产生的负压引出。

本发明的有益效果是：

（1）m形火焰辐射管采用中间截面较大的燃烧管，使得燃料能够燃烧充分，提高热量利用率；两侧烟气排出管的截面较小，使得分流后的烟气流速均匀，辐射管壁表面热负荷均匀，表面温差小，能够增加辐射管的使用寿命。

（2）蓄热式燃烧器可实现烟气自循环高温低氧燃烧，形成一个独立的燃烧与排烟整体，总体安装在炉体外侧，辐射管内无需插入扰流件来增加热效率，改造安装方便，维护检修容易。且蓄热式燃烧器的燃烧喷口部分伸入管内，可防止燃烧高温区火焰冲击对辐射管壁面造成损坏，且减轻了炉墙绝热对辐射管传热的影响。

（3）换向装置采用喷射器与切断阀组合而成，只需要鼓风机就能够实现空气的供给和烟气的排出，结构简单，整体性能好适合用于辐射管燃烧的分散换向。且喷射器的排烟口可方便地与引风机相连，实现火焰辐射管内的负压环境燃烧，有利于炉内的气氛控制，满足现有火焰辐射管加热工艺的需求。

附图说明

图1是本发明的一种蓄热式m形辐射管单元的外部结构示意图；

图2是内部元件结构标注图；

图3是图2所示的a-a剖视图；

图4是本发明的一种蓄热式m形辐射管单元的燃烧方法的原理示意图；

图5是图4所示的局部放大图；

附图中各部件的标记如下：

1、蓄热式燃烧器，2、m形火焰辐射管，3、伸缩管组件，4、燃烧喷口，5、燃料喷枪，6、点火装置，7、火焰检测器，8、蓄热式换向装置。

附图中内部元件的标记如下：

1-1、燃料通道，1-21、左蓄热通道，1-22、右蓄热通道，1-23、左喷口，1-24、右喷口，1-31、左回烟道，1-32、右回烟道，1-33、烟气左右平衡通道，1-41、左混合通道，1-42、右混合通道，1-5、预混室，1-6、点火通道及火焰检测通道，1-9、空、烟气接口，2-1、燃烧管，2-2、左烟气排出管，2-3、右烟气排出管，3-1、左伸缩管组件，3-2、右伸缩管组件，8-1、活套法兰，8-2、排烟口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-图5，需要说明的是，本实施例中所提供的图示说明了本发明的基本构想，遂图式中的本发明中有关的组件按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制。本发明实施例包括：

一种蓄热式m形辐射管单元，如图1-图3所示，包括：蓄热式燃烧器1、m形火焰辐射管2、以及用于蓄热式燃烧的换向装置8；所述蓄热式燃烧器1与所述m形火焰辐射管2相接，所述换向装置8与所述蓄热式燃烧器1相接。

作为示例，所述m形火焰辐射管2由中间的燃烧管2-1和两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2和右烟气排出管2-3）组成m形；且所述燃烧管2-1的截面与两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2和右烟气排出管2-3）的截面之和相同，使燃烧管2的直径大于两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2和右烟气排出管2-3）的直径；使得所述燃烧管2-1内的燃料燃烧充分，两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2和右烟气排出管2-3）内的烟气流速均匀，有利于辐射管壁面热负荷均匀，表面温差小。

作为示例，所述蓄热式燃烧器1的两侧分别连接有伸缩管组件3（左伸缩管组件3-1和右伸缩管组件3-2），前端连接有燃烧喷口4；所述左伸缩管组件3-1与所述左烟气排出管2-2相接，所述右伸缩管组件3-2与所述右烟气排出管2-3相接；所述燃烧喷口4与所述燃烧管2-1相接，且所述燃烧喷口4部分伸入管内，可防止燃烧高温区火焰冲击对辐射管壁面造成损坏，且减轻了炉墙绝热对辐射管传热的影响。

作为示例，所述蓄热式燃烧器1包括蓄热箱体和左右二个空、烟气接口1-9，所述蓄热箱体内含有两个装有蓄热体的蓄热室，所述左右二个空、烟气接口1-9分别与两个蓄热室相连，且所述左右二个空、烟气接口1-9与所述换向装置8相接。

作为示例，所述蓄热式燃烧器1内开设有一条用于插入燃料喷枪5的燃料通道1-1，工作时，所述燃料通道1-1内可插入不同燃料的燃料喷枪5，能够适合液化气、天然气、焦炉煤气及轻油等高热值燃料使用，空、烟气需要换向而燃料不需要换向。

所述燃料通道1-1的两侧开设有左蓄热通道1-21和右蓄热通道1-22，使得空气进入和烟气排出分开；所述左蓄热通道1-21的前端含有一定交叉角度的左喷口1-23，所述右蓄热通道1-22的前端含有一定交叉角度的右喷口1-24，用于燃烧时喷出空气、排烟时吸入烟气。

所述蓄热式燃烧器1内设有与所述燃料通道1-1相连的预混室1-5，所述左喷口1-23通过左混合通道1-41与所述预混室1-5相连，所述右喷口1-24通过右混合通道1-42与所述预混室1-5相连，所述左混合通道1-41和所述右混合通道1-42呈一定交叉角度汇合于所述预混室1-5，所述预混室1-5又与所述燃烧喷口4相连；所述左伸缩管组件3-1内开设有左回烟道1-31，所述右伸缩管组件3-2内开设有右回烟道1-32，所述左回烟道1-31又与所述左喷口1-23和所述左混合通道1-41相连，所述右回烟道1-32又与所述右喷口1-24和所述右混合通道1-42相连；用于将炉内的烟气引导到左喷口1-23和右喷口1-24及左混合通道1-41和右混合通道1-42位置，燃烧时从左喷口1-23或右喷口1-24喷出的空气形成射流、将烟气引入到左混合通道1-41或右混合通道1-42，形成空、烟气混合后的低氧空气。排烟时，左喷口1-23或右喷口1-24的负压将烟气吸入到左蓄热通道1-21或右蓄热通道1-22，经蓄热后在左/右空、烟气接口1-9排出。所述左蓄热通道1-21和所述右蓄热通道1-22分别与两个蓄热室相连。

所述预混室1-5内含有点火通道及火焰检测通道1-6，所述点火通道内安装有点火装置6，所述火焰检测通道内安装有火焰检测器7，根据燃料性能，点火通道和火焰检测通道可以互换使用。

作为示例，所述换向装置8由两个喷射器和安装在两个喷射器之间的双联气动插板切断阀组成，只需要鼓风机就能够实现空气的供给和烟气的排出；两个所述喷射器与所述蓄热式燃烧器的左右二个空、烟气接口1-9相接。

作为示例，两个所述喷射器的底部均含有活套法兰8-1，用于连接鼓风机，每间隔60s进行切换一次，通过控制器控制换向装置8上的压缩气缸，定时进行换向操作。

作为示例，两个所述喷射器的顶部均含有排烟口8-2，用于连接引风机，实现m形火焰辐射管2内负压环境燃烧，一旦辐射管损坏，燃烧烟气会被负压吸出，有利于炉内的气氛控制，满足现有火焰辐射管加热工艺的需求。

一种蓄热式m形辐射管单元的燃烧方法，如图4和图5所示，包括燃烧和排烟两个步骤，工作时，先在所述燃料通道1-1内插入天然气燃料喷枪5，空、烟气需要换向而燃料不需要换向，通入燃料按设定的点火控制方法进入预混室1-5。在空、烟气换向过程中，使燃料停止供给2s-4s，能够避免换向过程中空气不足造成燃料的不完全燃烧。

燃烧时：所述换向装置8上的活套法兰8-1与外部的鼓风机相连，且设于换向装置8上的双联气动插板切断阀处于关闭状态，来自鼓风机的正压空气通过与之相连的蓄热式燃烧器1上的左/右空、烟气接口1-9，经蓄热室预热后进入所述蓄热式燃烧器1内的左蓄热通道1-21或右蓄热通道1-22，经左喷口1-23或右喷口1-24喷出预热后的高温空气，喷射吸入从所述蓄热式燃烧器1内的左回烟道1-31或右回烟道1-32、从所述m形火焰辐射管2两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2、右烟气排出管2-3）与左伸缩管组件3-1和右伸缩管组件3-2连接处而来的烟气到所述蓄热式燃烧器1内的左混合通道1-41或右混合通道1-42，实现烟气自循环回流，形成空气与烟气的混合气，降低空气中的氧含量。低氧空气与燃料通道1-1内插入的燃料喷枪5所喷出的燃料在所述蓄热式燃烧器1内的预混室1-5混合，且被插设于所述蓄热式燃烧器1内的点火装置6点燃，且被火焰检测器7观察到火焰，燃料与低氧空气在所述蓄热式燃烧器1前端的燃烧喷口4稳定燃烧，最后进入所述m形火焰辐射管2的中间的燃烧管2-1内完成燃烧。

排烟时：所述换向装置8上的活套法兰8-1与外部的鼓风机相连，且设于换向装置8上的双联气动插板切断阀处于打开状态，来自鼓风机的正压空气通过喷射器引射，使得与之相连的所述蓄热式燃烧器1上的左/右空、烟气接口1-9位置处于负压状态。同时，所述m形火焰辐射管2两侧的烟气排出管（左烟气排出管2-2、右烟气排出管2-3）接受中间的燃烧管2-1而来的烟气，通过所述左伸缩管组件3-1和右伸缩管组件3-2，经过所述蓄热式燃烧器1内的左回烟道1-31和右回烟道1-32，在所述蓄热式燃烧器1内的左喷口1-23或右喷口1-24处被负压吸入，且经过所述蓄热式燃烧器1内的左蓄热通道1-21或右蓄热通道1-22，进入蓄热箱体上的蓄热室完成热量蓄存，然后经所述蓄热式燃烧器1上的左/右空、烟气接口1-9处被喷射器引射原理产生的负压引出。

综上所示：本发明揭示了一种蓄热式m形辐射管单元及其燃烧方法，采用外置蓄热式燃烧器安装，蓄热式燃烧器内部利用特殊的结构设计，使空气/烟气及燃料在各自的通道中按设计的速度运行，助燃空气与自循环吸入的烟气混合后形成低氧空气，氧含量可降低到15%以下，再与燃料预混燃烧实现高温低氧燃烧，达到降低nox的生成。

在本实施例中，采用天然气为燃料，空、烟气换向时间设定为60s，经测试：辐射管壁面温度在1000℃时，所述蓄热式m形辐射管单元上的蓄热式燃烧器经预热后空气温度≤750℃，最终烟气排出温度≤120℃。经测试：nox的排放量<120mg/m³（o2：8%），co的排放量<50mg/m³（o2：8%），而现行同类冶金工业炉nox的排放标准为<150mg/m³（o2：8%），co的排放量<70mg/m³（o2：8%），能满足排放标准使用要求。

本发明揭示了一种蓄热式m形辐射管单元及其燃烧方法，只有一支燃料喷枪，其位于两个蓄热室之间，与蓄热通道分开。工作时，空气/烟气换向，而燃料不需要换向，不会出现由于燃料换向，停止供给燃料的那个燃料喷枪，在高温烟气的作用下，产生头部结焦或因高温而降低寿命。此外，也不会发生在燃料换向时，有燃料从烟道抽走造成浪费燃料以及蓄热室温度过高的现象。只需更换燃料喷枪，就能够适合液化气、天然气、焦炉煤气及轻油等高热值燃料使用。

本发明揭示了一种蓄热式m形辐射管单元，自身形成一个独立的整体，集燃烧、传热、排烟及蓄热于一身，整体性能好适合用于辐射管燃烧的分散换向。且喷射器的排烟口可方便地与引风机相连，实现火焰辐射管内的负压环境燃烧，有利于炉内的气氛控制，满足现有火焰辐射管加热工艺的需求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关，系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。