一种前置预混的平面燃烧器的制作方法
本发明涉及一种燃烧设备，具体涉及一种前置预混的平面燃烧器，属于燃烧设备。
背景技术：
1、平焰燃烧器，也称为平面火焰燃烧器，是一种利用空气动力学原理，将燃料与空气混合后，在燃烧室内形成宽广而均匀的火焰。这种燃烧方式能够提供更大的接触面积，使燃烧更加充分，同时由于火焰呈扁平的圆盘形，与传统的柱形火焰相比，加热也更加均匀。因此被广泛应用于工业生产中对加热均匀性要求较高的场景，如应用于轧钢加热炉内。
2、现有的平焰燃烧器（如图1所示）通常采用旋流+外扩式火道的结构形式。在工作时，空气和燃气流经旋流叶片后产生强烈旋转流动进入火道，两者在火道内混合后，在火道内边混合边燃烧，燃烧产物和不完全燃烧的燃料和空气的混合气体从火道出口旋流排出，混合气体在离心力和回流烟气的作用下，向四周扩散形成圆盘形的平面火焰。这种平焰燃烧器结构简单、制造方便，且能产生稳定可靠的平面火焰，因此被广泛采用。但是，由于采用非预混的燃烧方式，燃料和空气在进入火道之前严格分离，而进入火道后，才开始混合，燃料与空气在火道内边混合边燃烧。由于受限于燃料与空气的混合速率，这种结构燃烧器的体积燃烧强度不能太高，否则会导致较多的燃料不能完全燃烧；此外这种结构燃烧器的另一个缺陷是nox排放量较大。燃料与空气在燃烧之前混合越均匀，燃烧产生的局部高温区越少，nox排放也越低，但现有结构平焰燃烧器由于采用非预混燃烧，燃料与空气间的混合均匀性较差，导致燃烧过程nox排放量偏高。
技术实现思路
1、针对现有技术中，现有平面燃烧器存在燃烧器体积热强度低、热负荷小以及过程nox排放量偏高等问题，本发明提供了一种前置预混的平面燃烧器，通过同轴设置但是出口位置不同的助燃气通道与燃料通道的设计，可实现燃料与助燃气在进入火道前实现预混合，显著提高了二者在燃烧前的混匀度，进而大大提高了体积热强度和热负荷，同时也显著降低了过程nox的产生；此外，还通过特殊结构的烟气回流通道实现了部分烟气的回流，进而对燃气和助燃气起到稀释作用，能够有效降低局部高温，进而进一步降低过程nox的产生。
2、为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案具体如下所述：
3、一种前置预混的平面燃烧器，所述平面燃烧器包括烧嘴砖、助燃气通道、燃料通道、外扩式火道以及烟气回流通道。所述助燃气通道的出气端伸入至烧嘴砖内。燃料通道套设在助燃气通道内，并且在助燃气通道内燃料通道的出气端沿轴向仅延伸至接近助燃气通道出口的位置。外扩式火道设置在烧嘴砖内，并且外扩式火道的窄端与助燃气通道的出口相连通。烟气回流通道开设在外扩式火道周向外侧的烧嘴砖内，烟气回流通道的一端与助燃气通道相连通，其另一端与外扩式火道的宽端内部和/或与外扩式火道的宽端外部相连通。
4、作为优选，燃料通道以同轴的方式套设在助燃气通道内，并且在燃料通道的出口处设置有燃气喷头。
5、作为优选，在燃气喷头上沿其周向设置有若干个大小不同和朝向不同的喷孔。
6、作为优选，助燃气通道的内径是燃料通道内径的1.4~3倍。
7、作为优选，所述助燃气通道的出气端为通过扩张板形成的渐扩式结构，该渐扩式结构的宽端伸入至烧嘴砖内并与外扩式火道的窄端相连通。在扩张板所形成的渐扩式结构内部还设置有向气流来源方向一侧凸起的导流档板，并且导流档板的外壁与扩张板的内壁之间共同形成沿气流流动方向口径逐渐缩小的混流通道。
8、作为优选，烟气回流通道与混流通道相连通。
9、作为优选，在混流通道内还设置有旋流片。
10、作为优选，根据气流的走向，旋流片设置在混流通道的上游段内。
11、作为优选，根据气流的走向，烟气回流通道与混流通道相连通的位置位于旋流片的下游。
12、作为优选，在导流档板靠近外扩式火道的一侧还设置有感温式膨胀收缩支撑板，感温式膨胀收缩支撑板的端部与导流档板的端部相连接。通过感温式膨胀收缩支撑板的膨胀与收缩控制导流档板的端部外壁与扩张板内壁之间垂直间距的大小，进而调节混流通道出口的开度大小。
13、作为优选，所述感温式膨胀收缩支撑板为中心部凸起的弧形结构。
14、作为优选，感温式膨胀收缩支撑板的中心部凸起伸入至外扩式火道的窄端内。
15、作为优选，在扩张板外侧的烧嘴砖内还设置有回流烟室。烟气回流通道与回流烟室相连通。在扩张板上开设有与回流烟室相连通的引射孔。
16、作为优选，所述外扩式火道为多级火道。在气流的流动方向上，多级火道的开口逐渐增大，并且后一级火道开口的渐扩幅度大于前一级火道开口的渐扩幅度。
17、作为优选，所述外扩式火道为两级火道，包括沿气流方向依次串通的一级火道和二级火道。烟气回流通道与二级火道的宽端内部和/或与二级火道的宽端外部相连通。
18、作为优选，感温式膨胀收缩支撑板的中心部凸起伸入至一级火道内。
19、作为优选，在沿着气流流动的水平方方向上，二级火道的水平宽度大于一级火道的水平宽度。
20、作为优选，二级火道的水平宽度为一级火道水平宽度的1.2~4倍，优选为1.5~3倍。
21、在现有技术中，现有的平焰燃烧器主要由燃料管道、空气管道、旋流片、外扩形火道和烧嘴砖等五部分组成。燃料管道和空气管道同心布置，一般燃料管道设置在内侧，空气管道设置在外侧。燃料和空气管道出口端设置有旋流片。燃料管道、空气管道和旋流片安装在烧嘴砖上。烧嘴砖上对应燃料和空气管道端部位置设置有外扩口形状的火道。工作时，空气和燃气流经旋流片后产生强烈旋转流动。两者在火道内强烈混合后，在火道内便混合边燃烧，燃烧产物和不完全燃烧的燃料和空气的混合气体从火道出口旋流排出，混合气体在离心力和回流烟气的作用下，向四周扩散形成圆盘形的平面火焰。由于燃料与空气采用非预混方式，燃料和空气在进入火道之前严格分离；进入火道后才开始混合，燃料与空气在火道内边混合边燃烧，受限于燃料与空气的混合速率，这种结构的体积燃烧强度不能太高，否则会导致较多的燃料不完全燃烧，这就使得现有结构平面燃烧器的热负荷过小；并且，由于燃料与空气间的混合均匀性较差，导致燃烧过程nox排放量偏高。本发明的前置预混的平面燃烧器能够将燃料和空气在进入火道前进行预混合，显著提高了进入火道燃烧时燃料和空气的混匀度，此外，还通过特殊结构的烟气回流通道实现了部分烟气的回流，进而对燃气和空气起到稀释作用，能够有效降低局部高温，进而进一步降低过程nox的产生。
22、在本发明中，将助燃气通道与燃料通道进行同心同轴的套接，即燃料通道的出料段整体设置在助燃气通道内部，并且燃料通道的出气口距离助燃气通道的出气口具有一定的轴向间距。通过这种设置，使得燃料通道喷出的燃气先直接进入助燃气管道的出气段，与助燃气进行预混合后再从助燃气通道的出气口一起进入到渐扩式火道内进行燃烧。由于燃料和空气在燃烧前进行了预混合，混匀度更高，进而获得了更高的体积燃烧强度和更少的过程nox的产生。进一步的，为提高燃气与空气的预混合效果，在燃料通道的出口处设置有燃气喷头，并且在燃气喷头上沿其周向设置有若干个大小不同和朝向不同的喷孔，即通过特殊结构燃气喷头，使得从燃气通道内喷出的燃气气流能够实现出气即分流的效果，并且从多个不同的方向与空气进行碰撞式混合，有利于提高混合效率。
23、在本发明中，将位于燃料通道出气口之后的助燃气通道的出气端通过扩张板设计为渐扩式的出气结构，同时在该渐扩式出气口内相应的设置有导流挡板，进而在导流档板的外壁与扩张板的内壁之间共同形成沿气流流动方向口径逐渐缩小的混流通道。也就是说，从燃气喷头喷出的燃气与空气进行混合后的混合气流在进入火道前还会通过变径式混流通道进行压缩混合，即通过燃气喷头的分流扩散和混流通道的再次延伸，在一散一压的双重作用下可实现燃气与空气的充分预混合。进一步的，在混流通道的上游段内还设置有旋流片，燃气和空气组成的混合气流在旋流片的作用下会产生强烈的旋转运动，可提高并保障燃气与空气的混合效果。
24、在本发明中，外扩式火道优选为两级火道，包括沿气流方向依次串通的一级火道和二级火道。在实际工作过程中，燃气经由燃气通道，从燃气喷头上分多股喷射进助燃气通道内与与从空气通道送入的空气相遇并初步混合后进入由扩张板和导流档板围成的混流通道内，由燃气和空气组成的混合气体流经旋流片后，产生强烈的旋转运动，使得空气与燃气进一步混合。由于混流通道沿气流的流动方向为前宽后窄的设计，使得混合气向前流动时流速不断增加，而压力不断减小，最终完成充分混合的混合气从混流通道出口处以较快的速度旋流喷出进入两级火道。进入两级火道后，由于流通面积的增加，混合气流速迅速下降，最终在进入第二级火道后，混合气流速降低至火焰传播速度以下，混合气在第二级火道内开始稳定燃烧。燃烧产生的烟气和未完全反应的燃料和空气的混合气从第二级火道出口旋流排出，混合气体在离心力和回流烟气的作用下，向四周扩散形成圆盘形的平面火焰。
25、在本发明中，烟气回流通道开设在外扩式火道周向外侧的烧嘴砖内，烟气回流通道的一端与助燃气通道相连通（优选为与混流通道的下游段相连通，具体为与设置在扩张板外侧的烧嘴砖内的回流烟室相连通，回流烟室再通过设置在扩张板上的引射孔与混流通道相连通），其另一端与外扩式火道的宽端内部（即第二级火道内部）和/或与外扩式火道的宽端外部（即烧嘴砖一侧的燃烧炉膛腔室）相连通。由燃气和空气组成的混合气在混流通道的高速流动，进而在引射孔附近产生一定强度的负压，部分燃烧烟气在负压作用下，通过烟气回流通道被抽吸进混流通道与燃气和空气混合，稀释燃气和空气，进而实现部分烟气的内循环。有助于降低过程nox的产生。
26、在本发明中，在导流档板靠近外扩式火道的一级火道的一侧还设置有感温式膨胀收缩支撑板，感温式膨胀收缩支撑板的端部与导流档板的端部相连接（即将感温式膨胀收缩支撑板设置在导流档板尾部，将导流档板尾部撑开）。正常工况下，燃料和空气起始燃烧位置在两级火道的二级火道内为宜，以防止回火。当起始燃烧位置向一级火道靠近时，感温式膨胀收缩支撑板温度升高后向其缘部四周膨胀，使导流挡板的尾部直径变大，进而使得导流档板的端部外壁与扩张板内壁之间垂直间距的缩小，即使得混合气的流通面积变小（即混流通道的出气口变小），流速增加，将火焰向下游托举，使起始燃烧位置向二级火道移动，从而防止回火。反之，起始燃烧位置向外移动时，感温式膨胀收缩支撑板温度下降后向内收缩，使导流挡板的尾部直径变小，进而使得导流档板的端部外壁与扩张板内壁之间垂直间距的增大，即使得混合气的流通面积变大，流速减小，火焰向上游移动。也就是说，在感温式膨胀收缩支撑板与导流挡板的协同作用下，能够使得燃料和空气起始燃烧位置始终维持在两级火道的二级火道内。
27、在本发明中，感温式膨胀收缩支撑板的材质是耐热钢，其工作温度范围是500~900℃，膨胀系数是(15~20)×10-6mm/(mm·℃)（例如，0.1mm/(mm·℃)指的是：1mm长的物体当其温度升高1℃后，其长度变化为0.1mm）。如图4所示，当燃气燃烧位置位于二级火道内时，感温式膨胀收缩支撑板在竖直方向的伸出距离为l1，当燃气燃烧位置位于一级火道内时，感温式膨胀收缩支撑板受热膨胀使得其在竖直方向的伸出距离由原来的l1延伸至l2，即感温式膨胀收缩支撑板的两端将导流档板的外端撑开使得导流档板的端部外壁与扩张板内壁之间垂直间距的缩小。
28、在本发明中，助燃气通道的内径为0.1~100m，优选为0.2~50m，更优选为0.3~10m。燃料通道的内径为0.05~50m，优选为0.1~20m，更优选为0.2~5m。烟气回流通道的内径为0.1~50cm，优选为0.5~40cm，更优选为0.8~30cm。
29、与现有技术相比较，本发明的有益技术效果如下所述：
30、1：本发明的前置预混的平面燃烧器能够将燃气和空气在进入火道燃烧之前已经实现充分混合，燃烧效率高、体积热强度高。同时，由于燃气与空气在燃烧前混合充分，消除了混合不均导致的局部高温，因而nox排放低。另一方面，部分燃烧烟气被抽吸进未反应的空气和燃气内，稀释了反应气体浓度，降低了燃烧反应的剧烈程度，由此进一步降低了燃烧过程nox排放。
31、2：本发明的前置预混的平面燃烧器通过感温式膨胀收缩支撑板与导流档板的组合，通过自适性的动态调整喷射通道面积的方式，进而使得燃料和空气起始燃烧位置始终维持在两级火道的二级火道内，可以有效避免预混燃烧潜在的回火和脱火风险。
32、3：本发明的前置预混的平面燃烧器还具有结构简单、易操作、生产投入成本低、易于规模化生产和推广应用、市场前景广阔、社会经济效益显著等特点。
技术特征：
1.一种前置预混的平面燃烧器，其特征在于：所述平面燃烧器包括烧嘴砖（1）、助燃气通道（2）、燃料通道（3）、外扩式火道（4）以及烟气回流通道（5）；所述助燃气通道（2）的出气端伸入至烧嘴砖（1）内；燃料通道（3）套设在助燃气通道（2）内，并且在助燃气通道（2）内燃料通道（3）的出气端沿轴向仅延伸至接近助燃气通道（2）出口的位置；外扩式火道（4）设置在烧嘴砖（1）内，并且外扩式火道（4）的窄端与助燃气通道（2）的出口相连通；烟气回流通道（5）开设在外扩式火道（4）周向外侧的烧嘴砖（1）内，烟气回流通道（5）的一端与助燃气通道（2）相连通，其另一端与外扩式火道（4）的宽端内部和/或与外扩式火道（4）的宽端外部相连通。
2.根据权利要求1所述的平面燃烧器，其特征在于：燃料通道（3）以同轴的方式套设在助燃气通道（2）内，并且在燃料通道（3）的出口处设置有燃气喷头（301）；优选，在燃气喷头（301）上沿其周向设置有若干个大小不同和朝向不同的喷孔；优选，助燃气通道（2）的内径是燃料通道（3）内径的1.4~3倍。
3.根据权利要求1或2所述的平面燃烧器，其特征在于：所述助燃气通道（2）的出气端为通过扩张板（6）形成的渐扩式结构，该渐扩式结构的宽端伸入至烧嘴砖（1）内并与外扩式火道（4）的窄端相连通；在扩张板（6）所形成的渐扩式结构内部还设置有向气流来源方向一侧凸起的导流档板（7），并且导流档板（7）的外壁与扩张板（6）的内壁之间共同形成沿气流流动方向口径逐渐缩小的混流通道（8）；优选，烟气回流通道（5）与混流通道（8）相连通。
4.根据权利要求3所述的平面燃烧器，其特征在于：在混流通道（8）内还设置有旋流片（801）；优选，根据气流的走向，旋流片（801）设置在混流通道（8）的上游段内；
5.根据权利要求3或4所述的平面燃烧器，其特征在于：在导流档板（7）靠近外扩式火道（4）的一侧还设置有感温式膨胀收缩支撑板（9），感温式膨胀收缩支撑板（9）的端部与导流档板（7）的端部相连接；通过感温式膨胀收缩支撑板（9）的膨胀与收缩控制导流档板（7）的端部外壁与扩张板（6）内壁之间垂直间距的大小，进而调节混流通道（8）出口的开度大小。
6.根据权利要求5所述的平面燃烧器，其特征在于：所述感温式膨胀收缩支撑板（9）为中心部凸起的弧形结构；优选，感温式膨胀收缩支撑板（9）的中心部凸起伸入至外扩式火道（4）的窄端内。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的平面燃烧器，其特征在于：在扩张板（6）外侧的烧嘴砖（1）内还设置有回流烟室（10）；烟气回流通道（5）与回流烟室（10）相连通；在扩张板（6）上开设有与回流烟室（10）相连通的引射孔（601）。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的平面燃烧器，其特征在于：所述外扩式火道（4）为多级火道；在气流的流动方向上，多级火道的开口逐渐增大，并且后一级火道开口的渐扩幅度大于前一级火道开口的渐扩幅度。
9.根据权利要求8所述的平面燃烧器，其特征在于：所述外扩式火道（4）为两级火道，包括沿气流方向依次串通的一级火道（401）和二级火道（402）；烟气回流通道（5）与二级火道（402）的宽端内部和/或与二级火道（402）的宽端外部相连通；优选，感温式膨胀收缩支撑板（9）的中心部凸起伸入至一级火道（401）内。
10.根据权利要求9所述的平面燃烧器，其特征在于：在沿着气流流动的水平方方向上，二级火道（402）的水平宽度大于一级火道（401）的水平宽度；优选，二级火道（402）的水平宽度为一级火道（401）水平宽度的1.2~4倍，优选为1.5~3倍。
技术总结
本发明公开了一种前置预混的平面燃烧器，包括烧嘴砖、助燃气通道、燃料通道、外扩式火道以及烟气回流通道等。通过燃气进气与空气进行等机构的特殊设计，能够将燃气和空气在进入火道燃烧之前已经实现充分混合，燃烧效率高、体积热强度高；同时，由于燃气与空气在燃烧前混合充分，消除了混合不均导致的局部高温，因而NOx排放低。此外还能够将部分燃烧烟气抽吸进未反应的空气和燃气内，稀释了反应气体浓度，降低了燃烧反应的剧烈程度，进一步降低了燃烧过程NOx排放。进一步地，本发明还具有结构简单、易操作、生产投入成本低、易于规模化生产和推广应用、市场前景广阔、社会经济效益显著等特点。
技术研发人员：刘前,周浩宇,魏进超,向锡炎,卢兴福,何璐瑶,宋新义,朱蓉甲,姚聪林
受保护的技术使用者：中冶长天国际工程有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23