一种火焰长度可调金属－陶瓷多孔介质气体燃料燃烧器

摘要

一种火焰长度可调金属一陶瓷多孔介质气体燃料燃烧器，在燃烧器内壁内设置小孔区域金属多孔介质，在耐火材料套管内部设置大孔区域陶瓷多孔介质，并使两种表面紧密接触，在小孔区域金属多孔介质下方设置除尘金属网或金属刷，在燃烧器外壁的一侧设置空气入口，在空气入口中心水平方向设置水平隔板，在燃烧器外壁、燃烧器内壁之间设置环形隔板，在燃烧器内壁、环形隔板之间设置导向片，在空气入口内安装分流阀门。通过调整空气走向调节火焰长度。应用本发明技术的燃烧器可以燃烧热值变化范围在1000～4000kcal/m3甚至以上的高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、天然气、液化气等。本发明的燃烧器可以广泛应用地应用于冶金、化工等行业。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，特别涉及一种火焰长度可调金属—陶瓷多孔介质气体燃料燃烧器。

背景技术

目前，我国工业生产中气体燃料的燃烧主要是以自由火焰为特征的空间燃烧，这种燃烧方式，火焰面附近温度梯度陡而且分布不均，局部高温区的存在造成了大量的NO_x生成，热效率低，燃烧稳定性较差。现在，在燃烧器内加入多孔介质的技术现已逐步被人们重视。多孔介质中的燃烧有很多优点：较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小等，而且燃烧产物中氮化物和硫化物等污染成份的含量非常低，因此，多孔介质中的燃烧在现实应用中有很大的潜力。

在高热值气体燃料的燃烧中，材料特性方面，多孔介质必须具有耐高温、抗氧化、易导热等特性，不锈钢、合金、玻璃、陶瓷等都曾作为研究对象被国内外学者们试用。为了有效利用孔径大小对燃烧的影响特性，人们大多采用非单一孔径、单一材料的多孔介质。但是目前的多孔介质燃烧器的使用仍存在以下缺陷：(1)目前研究的多孔介质燃烧器大都采用预混燃烧，火焰长度较短且很难调节，而在实际生产中的燃烧器的火焰长度要根据需要进行调节，目前研究的多孔介质燃烧器大都达不到这种要求。(2)多孔介质孔径很小，非常容易阻塞，所以目前大多数研究都只燃烧单一纯净的气体燃料，而实际生产中大多需要燃烧灰尘含量较高的煤气或混合煤气，这给多孔介质燃烧器的实际应用带来不便。(3)在大多数研究中采用的多孔介质材料为陶瓷，尽管具有耐高温的特性，但是导热特性不如金属，燃气在陶瓷中流动时的阻力比在金属中流动时的阻力大，且陶瓷易碎；而金属尽管导热特性良好，但是耐高温和抗氧化方面不如陶瓷。

发明内容

针对现有高热值气体燃料多孔介质燃烧器的不足之处，本发明提供一种火焰长度可调金属—陶瓷多孔介质气体燃料燃烧器。

燃烧器由1耐火材料套管、2大孔区域陶瓷多孔介质、3小孔区域金属多孔介质、4外层环形空气管道、5带导向片的内层环形空气管道、6导向片、7分流阀门、8除尘金属刷或金属网、9燃气入口、10空气入口构成。其中，大孔区域属于燃烧区，使用的多孔介质材料是陶瓷，以适用于高热值气体燃料(燃烧温度能达到1900℃甚至以上)。这是因为陶瓷具有良好的耐高温特性，不易烧坏；小孔区域为预热区，可以有效吸收大孔介质燃烧区产生的热量，这里的温度一般不超过1400℃，使用的多孔介质材料是耐高温钢。另外，气体在耐高温钢孔内流动时的阻力较小，加上耐高温钢良好的导热性，所以是预热区理想的多孔介质材料。本发明可以通过阀门调节氧化剂(空气)进入内层或外层环形管道。当氧化剂(空气)进入带有导向片的内层管道后，形成旋转气流，迅速在燃烧区与燃料混合，从而缩短火焰长度；通过阀门调节使氧化剂(空气)进入外层管道时，不能在燃烧区形成旋转气流，与燃料的混合速度减慢，可以使火焰长度加长。当阀门调节调节到中间某个位置时，氧化剂(空气)部分从内层、部分从外层环形管道进入燃烧区，从而真正作到对火焰长度的任意调节。

燃烧区陶瓷的材料可以用氧化钇基氧化锆或氮化硅(采用氮化硅时，燃烧温度不超过1500℃时)，平均孔径为3～5mm，孔隙率为80～85％，孔的排列方式无序连通。预热区金属的材料可以是耐高温钢，平均孔径为0.3～0.5mm，孔隙率为75％～83％，孔的排列方式为直通。耐火材料套管材料可以是高铝质耐火材料，燃烧器外壳材料采用耐高温合金钢，金属网或金属刷材料采用不锈钢。

导向片倾角(弦切角)：30～50°，数量：15～20个，厚度：2～3mm

本发明燃烧器的有关几何参数取值如下：

h₁  50～60mm；   h₂  50～60mm；  h₃  50～60mm；

h₄  30～40mm；   h₅  50～60mm；  h₆  10～15mm；

h₇  110～140mm； a    20～30mm；  b     3～5mm；

c    3～5mm；     d    3～5mm；    Φ1   180～250mm；

Φ2  120～190mm； Φ3  50～60mm；  Φ4   80～120mm。

应用本发明燃烧器有关工艺参数如下：

燃烧气体：焦炉煤气，天然气，液化气等高热值气体。

空气流量：1500～3000m³/h

煤气流量：800～2000m³/h

燃烧效果：空气或气体燃料均可不用在进入燃烧器前预热，未燃烃、氮化物和硫化物含量低于10ppm，一氧化碳低于20ppm。

应用本发明技术的燃烧器可以燃烧热值变化范围在1000～4000kcal/m³(4180～16720kJ/m³)甚至以上的高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、天然气、液化气等。本发明的燃烧器可以广泛应用地应用于冶金、化工等行业。

附图说明

图1是本发明燃烧器的轴向剖面图；

图2是本发明燃烧器图1的A-A视图。

图1、2中：1耐火材料套管，2大孔区域陶瓷多孔介质，3小孔区域金属多孔介质，4外层环形空气管道，5带导向片的内层环形空气管道，6导向片，7分流阀门，8除尘金属刷或金属网，9燃气入口，10空气入口，11燃烧器外壁，12燃烧器内壁，13水平隔板，14环形隔板构成。

h1耐火材料套管1顶部与大孔区域陶瓷多孔介质2顶部距离

h2大孔区域陶瓷多孔介质2的高度

h3小孔区域金属多孔介质3的高度

h4耐火材料套管1和燃烧器外壁11结合部分高度

h5小孔区域金属多孔介质3底部与除尘金属刷或金属网8顶部距离

h6除尘金属刷或金属网8的高度

h7耐火材料套管1顶部与空气入口10顶部的距离

a耐火材料套管1的厚度

b11的厚度

c燃烧器内壁12的厚度

d圆形隔板14的厚度

Φ1耐火材料套管1内径

Φ2圆形隔板14内径

Φ3燃烧器内壁12内径

Φ4空气入口10内径

α导向片弦切角

具体实施方式

燃烧器主体由1耐火材料套管、2大孔区域陶瓷多孔介质、3小孔区域金属多孔介质、4外层环形空气管道、5带导向片的内层环形空气管道、6导向片、7分流阀门、8除尘金属刷或金属网、9燃气入口、10空气入口、11燃烧器外壁、12燃烧器内壁、13水平隔板、14环形隔板构成。燃烧器外壁11、燃烧器内壁12、环形隔板14顶部平齐，在燃烧器内壁12内设置小孔区域金属多孔介质3，并使小孔区域金属多孔介质3顶部与燃烧器内壁顶部平齐，从空气管道上部的燃烧器外壁11外侧开始包裹耐火材料套管1，耐火材料套管延伸至大孔区域陶瓷多孔介质2上部的一定距离，大孔区域陶瓷多孔介质2及其以上的部分的燃烧器外壁11用耐火材料套管1代替。在耐火材料套管1内部设置大孔区域陶瓷多孔介质2，并使大孔区域陶瓷多孔介质2的下表面与小孔区域金属多孔介质3的上表面紧密接触，在燃烧器内壁12内、小孔区域金属多孔介质3下方一定距离处设置除尘金属网或金属刷8，燃烧器内壁12向下延伸形成燃气入口9，在燃烧器外壁11的一侧设置空气入口10，在空气入口10中心水平方向设置水平隔板13，在燃烧器外壁11、燃烧器内壁12之间设置环形隔板14，环形隔板14将燃烧器外壁11、燃烧器内壁12围成的空间分成外层环形空气管道4和带导向片的内层环形空气管道5。水平隔板13与环形隔板14焊接为一体。在燃烧器内壁12、环形隔板14之间设置导向片6，在空气入口10内安装分流阀门7。

燃烧区陶瓷的材料采用氧化钇基氧化锆或氮化硅(燃烧温度不超过1500℃时)，孔的排列方式无序连通。预热区金属的材料采用耐高温钢，孔的排列方式为直通。耐火材料套管材料采用高铝质耐火材料，燃烧器外壳材料采用耐高温合金钢，除尘金属网或金属刷材料采用不锈钢。

几何尺寸可以按下表取值：

  组别  取值(mm)  参数  1  2  3  4  5  h₁  60  58  56  54  50  h₂  60  58  56  54  50  h₃  60  58  56  54  50  h₄  30  32  35  37  40  h₅  60  58  55  53  50  h₆  10  11  12  14  15  h₇             h₁+h₂+h₄  a  20  22  24  28  30  b  5  4  3  5  5

  c  4  5  3  4  4  d  3  5  4  3  3  φ1  180  200  210  220  240  φ2  90  100  105  110  120  φ3  50  53  55  58  60  φ4  80  90  100  110  120  α  30°  35°  40°  45°  50°  导向片数量  15  20  18  15  20  导向片厚度mm  2  3  2.5  2  3  燃烧区陶瓷材料  平均孔径mm  4(无序连  通)  3(无序连通)  5(无序连  通)  5(无序连  通)  4(无序连  通)  燃烧区陶瓷材料  孔隙率％  82  85  83  80  85  预热区金属材料  平均孔径mm  0.4(直通)  0.3(直通)  0.5(直通)  0.4(直通)  0.5(直通)  预热区金属材料  孔隙率％  76  83  75  80  78

应用本发明装置，具体举例如下：

向燃烧器内通燃气、空气，空气和燃气分别从空气管道10和燃气管道9进入燃烧器，空气经外层环形管道4或内层导向环形管道5直接进入大孔介质2，煤气经过除尘金属网或金属刷8除尘后进入预热区内小孔介质3，预热区内小孔介质3的温度较低，然后进入燃烧区内大孔介质2内和空气边混合边燃烧。

有关工艺参数如下：

燃烧气体：焦炉煤气或天然气或液化气，燃烧温度在1700±50℃；

空气流量：2200m³/h；

燃气流量：1500m³/h；

燃烧效果：火焰长度可调，空气或气体燃料均可不用在进入燃烧器前预热，未燃烃，氮化物、硫化物含量低于10ppm，一氧化碳低于20ppm。