專利名稱：一種旋流預(yù)混式燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃燒技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在工業(yè)爐(煤制合成氨甲烷轉(zhuǎn)化爐、弛放氣、可燃尾氣回收爐等)上使用的高效節(jié)能燃燒器。
背景技術(shù)：
工業(yè)爐因其操作溫度高，燃料消耗量大，往往成為工廠能耗最高的加工單元。工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，主要體現(xiàn)在兩個方面一是煙氣余熱回收，用作加熱介質(zhì)；二是優(yōu)化燃燒過程，減少排煙量。前者已為工業(yè)界所接受，大多數(shù)的工業(yè)爐都配套了余熱回收裝置。后者尚未受到業(yè)界的重視，很多的工業(yè)爐依然沿用落后的燃燒技術(shù)，助燃空氣量過大，使得排煙量大增，造成大量熱能的排放損失。燃燒是一個化學(xué)反應(yīng)過程，按照反應(yīng)方程式的配比確定的助燃空氣量，稱為理論空氣量，相應(yīng)的煙氣量稱為理論煙氣量。為使燃料充分燃燒，實際供入燃燒器的空氣量大于理論空氣量，一般過量1(Γ30%。過量空氣通過爐膛時吸收爐內(nèi) 熱量，隨煙氣排放時帶出相應(yīng)熱量而損失掉。過?？諝饬吭蕉?，排煙量越多，熱能損失越大。助燃空氣量的多少是由燃燒器的特性決定的，與燃燒器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。如何減少助燃空氣用量，提高工業(yè)爐的熱量利用效率，關(guān)鍵是創(chuàng)新燃燒理念，優(yōu)化燃燒器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明針對國內(nèi)某廠煤制合成氨轉(zhuǎn)化工段能耗高的現(xiàn)狀，開發(fā)了一種高效的燃燒技術(shù)，并已成功應(yīng)用到大型工業(yè)生產(chǎn)裝置上，實現(xiàn)了煤制合成氨轉(zhuǎn)化過程的節(jié)能降耗。實際上，煤制合成氨轉(zhuǎn)化爐燃燒器存在的問題帶有普遍性，本發(fā)明適用于一大類燃?xì)夤I(yè)爐的節(jié)能燃燒過程。煤制合成氨一段轉(zhuǎn)化爐以煤制氣為燃料，在860°C的爐膛溫度下，將煤氣中的甲烷轉(zhuǎn)化為合成氨所需的氫氣。近年來，工廠為了提高資源利用率，采用變壓吸附技術(shù)對煤制氣進(jìn)行分離，精制氣用于制作產(chǎn)品氨，乏氣用作轉(zhuǎn)化爐燃?xì)?，致使燃?xì)鉄嶂荡蠓档?。轉(zhuǎn)化爐原有燃燒器的結(jié)構(gòu)見圖9，煤氣噴射引射空氣進(jìn)入燒嘴，一邊混合一邊燃燒，構(gòu)成擴(kuò)散燃燒模式。這種燃燒器的缺點是助燃空氣量大，火焰較長。隨著煤氣熱值的降低，大量空氣帶走爐膛熱量，造成轉(zhuǎn)化爐膛溫度降低，甲烷轉(zhuǎn)化率下降，二段轉(zhuǎn)化爐純氧耗量增加，甲烷轉(zhuǎn)化的能耗大幅上升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種旋流預(yù)混式燃燒器，以提高燃燒過程的效率。本發(fā)明所述燃燒器，是按旋流預(yù)混燃燒模式設(shè)計的燃燒過程。即在燃燒之前使空氣和燃?xì)膺M(jìn)行適度混合，以縮短氣體分子在燃燒反應(yīng)過程中的傳輸距離，提高氧化劑的利用效率，減少空氣通入量，從而使?fàn)t膛溫度升高，并降低尾氣放空時的熱量損失。本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器，包括第一燒嘴磚、第二燒嘴磚、助燃風(fēng)室、空氣旋流器和燃?xì)鈬娮?，第一燒嘴磚上設(shè)置有中心孔，所述中心孔的上部段與第二燒嘴磚的外輪廓形狀和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段為上端孔徑小于下端孔徑的圓錐臺形孔，第二燒嘴磚的中心部位設(shè)置有旋流預(yù)混室，燃?xì)鈬娮鞛樾魇絿娮?，由噴嘴體和與噴嘴體連接的燃?xì)膺M(jìn)氣管組成；所述第一燒嘴磚安裝在爐體上，所述第二燒嘴磚安裝在第一燒嘴磚中，所述空氣旋流器位于第二燒嘴磚所設(shè)置的旋流預(yù)混室的進(jìn)口處，所述燃?xì)鈬娮炫c空氣旋流器相組合，其噴嘴體位于空氣旋流器下方，所述助燃風(fēng)室安裝在爐體上。上述旋流預(yù)混式燃燒器中，空氣旋流器由中心管和旋流葉片構(gòu)成，旋流葉片至少為六片，各旋流葉片相距等角度安裝在中心管上，且與中心管的中心線的夾角Y為20° 40°。所述旋流葉片的左側(cè)面、右側(cè)面、上側(cè)面、下側(cè)面、中側(cè)面為平面，其前側(cè)面、后側(cè)面及與中心管的連接面為弧面。本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器中，燃?xì)鈬娮斓膰娮祗w為同中心線的圓筒體和下端封閉的圓錐臺筒體的組合體，所述圓筒體用于與燃?xì)膺M(jìn)氣管連接，所述圓錐臺筒體上設(shè)置有環(huán)繞其中心線的至少一圈燃?xì)鈬娍祝魅細(xì)鈬娍椎闹行木€為空間直線，其方位為以燃?xì)鈬娍椎闹行木€與圓錐臺筒體外表面的交點M為原點建立空間直角坐標(biāo)系，所述空間直角坐標(biāo)系的z軸為過原點的鉛垂線，在該直角坐標(biāo)系中，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€MP與z軸的夾角α為120° < α <150°，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€在水平面上的投影線麗與y軸的夾角0為15° <0<45°。圓錐臺筒體上設(shè)置的燃?xì)鈬娍椎娜?shù)及燃?xì)鈬娍椎臄?shù)量與孔徑 根據(jù)所使用的燃燒爐要求的燃?xì)饬髁看_定。圓筒體與進(jìn)氣管的連接方式優(yōu)選螺紋連接，在所述圓筒體內(nèi)壁設(shè)置有與燃?xì)膺M(jìn)氣管連接的螺紋段。本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器中，第二燒嘴磚所設(shè)置的旋流預(yù)混室為同中心線的圓柱形孔和圓錐臺形孔的組合體，圓錐臺形孔位于圓柱形孔之下，其上端的孔徑與圓柱形孔的孔徑相同，其下端的孔徑小于圓柱形孔的孔徑。圓柱形孔、圓錐臺形孔的尺寸優(yōu)選以下比例圓柱形孔的高度H2 圓錐臺形孔的高度H1 = 2. 5 3. 5 I ;圓柱形孔的孔徑O1 圓錐臺形孔下端的孔徑02 = I. 3 I. 5 I。使用本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器，煤氣以一定的速度從燃?xì)鈬娮斓娜細(xì)鈬娍讎姵龊?，在第二燒嘴磚所設(shè)置的旋流預(yù)混室內(nèi)沿反時針方向旋轉(zhuǎn)運動，空氣通過空氣旋流器時在旋流葉片的導(dǎo)向下進(jìn)入第二燒嘴磚所設(shè)置的旋流預(yù)混室內(nèi)同樣沿反時針方向旋轉(zhuǎn)運動，在同方向的旋轉(zhuǎn)運動中，兩種氣體在旋流預(yù)混室內(nèi)實現(xiàn)混合，混合氣體從旋流預(yù)混室的出口噴出并進(jìn)行燃燒。本發(fā)明具有以下有益效果I、使用本發(fā)明所述燃燒器,燃燒效率高,火焰較短,直而有力，火焰為紅黃色，發(fā)
亮，無色差。2、使用本發(fā)明所述燃燒器，工業(yè)爐的空氣過剩量較少，排煙量降低，排煙熱損失減少，比使用現(xiàn)有擴(kuò)散式燃燒器減少空氣量20%，爐膛溫度升高10%，節(jié)約燃?xì)?%。3、使用本發(fā)明所述燃燒器，爐膛高溫區(qū)擴(kuò)大，高溫?zé)煔庠谡麄€傳熱表面上充分發(fā)揮加熱效力，顯著改善工業(yè)爐的傳熱特性，傳熱速率提高。


圖I是本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是第二燒嘴磚及所設(shè)置的旋流預(yù)混室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是空氣旋流器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是空氣旋流器中的旋流葉片的示意圖5是旋流葉片在中心管上的安裝方位示意圖；圖6是噴嘴體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖6所示噴嘴體的立體剖視圖；圖8是燃?xì)鈬娍字行木€的方位圖；圖9是現(xiàn)有擴(kuò)散式燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I一空氣旋流器(1-1 :中心管、1-2 :旋流葉片、1-2-1 :左側(cè)面、1_2_2 :右側(cè)面、1-2-3 :上側(cè)面、1-2-4 :下側(cè)面、1-2-5 :中側(cè)面、1_2_6 :前側(cè)面、1_2_7 :后側(cè)面、1_2_8與中心管的連接面)，2—燃?xì)鈬娮欤?—旋流預(yù)混室，4一第二燒嘴磚，5—第一燒嘴磚，6—助燃風(fēng)室，7—爐體，8—圓筒體，9—圓錐臺筒體，10—螺紋段，11 一燃?xì)鈬娍祝?2—燃?xì)鈬娍字行木€MP，M—燃?xì)鈬娍椎闹行木€與圓錐臺筒體外表面的交點(空間直角坐標(biāo)系的原點)。
具體實施例方式下面通過實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明所述旋流預(yù)混式燃燒器作進(jìn)一步說明。實施例本實施例中，旋流預(yù)混燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，由第一燒嘴磚5、第二燒嘴磚4、助燃風(fēng)室6、空氣旋流器I和燃?xì)鈬娮?構(gòu)成；第二燒嘴磚4的形狀和構(gòu)造如圖2所示，其外輪廓形狀為圓柱形，其中心部位設(shè)置有旋流預(yù)混室3，所述旋流預(yù)混室3為同中心線的圓柱形孔和圓錐臺形孔的組合體，圓錐臺形孔位于圓柱形孔之下，圓柱形孔的高度H2 圓錐臺形孔的高度H1 = 3 I;圓柱形孔的孔徑G1 :圓錐臺形孔下端的孔徑02= 1.4 I;第一燒嘴5的形狀和構(gòu)造如圖I所示，其外輪廓形狀為圓柱形，其中心孔的上部段與第二燒嘴4的外輪廓形狀和尺寸相匹配，其中心孔的下部段為上端孔徑小于下端孔徑的圓錐臺形孔；燃?xì)鈬娮?為旋流式噴嘴，由噴嘴體和與噴嘴體螺紋連接的燃?xì)膺M(jìn)氣管組成，所述噴嘴體的形狀和構(gòu)造如圖6、圖7所示，為同中心線的圓筒體8和下端封閉的圓錐臺筒體9的組合體，所述圓筒體8用于與燃?xì)膺M(jìn)氣管連接，其內(nèi)壁設(shè)置有與燃?xì)膺M(jìn)氣管連接的螺紋段10，所述圓錐臺筒體9上設(shè)置有環(huán)繞其中心線的兩圈燃?xì)鈬娍?1，其中，大圈上有20個噴孔，小圈上有16個噴孔，這些孔在環(huán)繞圓錐臺筒體中心線的兩圓周上均勻分布，各燃?xì)鈬娍椎目讖较嗤?，? mm，各燃?xì)鈬娍椎闹行木€為空間直線(見圖8)，其方位為以燃?xì)鈬娍椎闹行木€與圓錐臺筒體9外表面的交點M為原點建立空間直角坐標(biāo)系，所述空間直角坐標(biāo)系的z軸為過原點的鉛垂線，在該直角坐標(biāo)系中，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€MP與z軸的夾角α為135°，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€在水平面上的投影線MN與7軸的夾角0為30° ;空氣旋流器I的形狀和構(gòu)造如圖3所示，由中心管1-1和旋流葉片1-2構(gòu)成，所述中心管1-1為圓管，所述旋流葉片1-2的形狀如圖4所示，其左側(cè)面1-2-1、右側(cè)面1-2-2、上側(cè)面1_2_3、下側(cè)面1-2-4、中側(cè)面1-2-5為平面，其前側(cè)面1-2-6、后側(cè)面1_2_7及與中心管的連接面1_2_8為弧面，旋流葉片為八片，各旋流葉片相距等角度安裝在中心管上，且與中心管的中心線的夾角Y為30° (見圖5)；各構(gòu)件的安裝位置與組合方式如圖I所示第一燒嘴磚5安裝在爐體7上，第二燒嘴磚4安裝在第一燒嘴磚中，空氣旋流器I位于第二燒嘴磚4所設(shè)置的旋流預(yù)混室的進(jìn)口處，其中心管套裝在燃?xì)鈬娮?上方的進(jìn)氣管上，燃?xì)鈬娮?的噴嘴體與所述進(jìn)氣管采用螺紋連接，位于空氣旋流器I下方，助燃風(fēng)室6安裝在爐體上，且將第一燒嘴磚5和第二燒嘴磚4包圍在其腔室內(nèi)，燃?xì)鈬娮?的進(jìn)氣管的進(jìn)氣端位于助燃風(fēng)室之外。應(yīng)用例我國某廠30萬t/a煤制合成氨一段轉(zhuǎn)化爐使用擴(kuò)散式燃燒器(結(jié)構(gòu)見圖9)，經(jīng)改造擴(kuò)能至45萬t/a后，由于采用變壓吸附技術(shù)對煤制氣進(jìn)行分離，將精制氣用于合成氨，乏氣用作一段轉(zhuǎn)化爐燃?xì)?，燃?xì)鉄嶂涤筛脑烨暗?300kcal/Nm3降至2200 kcal/Nm3，造成一段轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度降低(設(shè)計溫度860°C，實際溫度不到800°C)，工藝氣體出口溫度下降(設(shè)計溫度為730°C，實際溫度不到700°C)，甲烷轉(zhuǎn)化率下降(一段轉(zhuǎn)化爐出口甲烷濃度由改造前的6%升高到17%) ;二段爐的純氧耗量增大，放空熱損失增大(排煙溫度從200°C升高至220°C)，轉(zhuǎn)化過程能耗大幅增加。用實施例I所述結(jié)構(gòu)的燃燒器替換上述煤制合成氨裝置中的擴(kuò)散式燃燒器進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果表明 (I)本發(fā)明所述燃燒器與現(xiàn)有擴(kuò)散式燃燒器相比，火焰長度變短，在I. 5 m左右，火焰剛性好，直而有力；現(xiàn)有擴(kuò)散式燃燒器焰長為H 5 m，火焰不直且發(fā)飄。(2)本發(fā)明所述燃燒器火焰顏色為紅黃色，發(fā)亮，燃燒器口無色差，燃燒狀況隨空氣量變化敏感；現(xiàn)有擴(kuò)散式燃燒器火焰顏色為藍(lán)色，燃燒器口有色差而且暗淡，燃燒狀況隨空氣量變化不敏感。(3) 一段轉(zhuǎn)化爐的傳熱特性顯著改善，高溫區(qū)擴(kuò)大，高溫?zé)煔庠谡麄€傳熱表面上充分發(fā)揮加熱效力，傳熱速率明顯提高。(4) 一段轉(zhuǎn)化爐爐膛溫度和工藝氣體出口溫度均達(dá)到設(shè)計要求，甲烷轉(zhuǎn)化率提高1%，二段轉(zhuǎn)化爐純氧耗量減少300 Nm3/h，排煙溫度降低20°C，增加氨產(chǎn)量達(dá)5600t/a。
權(quán)利要求
1.一種旋流預(yù)混式燃燒器，包括第一燒嘴磚(5)、第二燒嘴磚(4)、助燃風(fēng)室(6)和燃?xì)鈬娮?2)，第一燒嘴磚上設(shè)置有中心孔，所述中心孔的上部段與第二燒嘴磚(4)的外輪廓形狀和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段為上端孔徑小于下端孔徑的圓錐臺形孔，其特征在于還包括空氣旋流器(1)，且第二燒嘴磚(4)的中心部位設(shè)置有預(yù)混室(3)，燃?xì)鈬娮?2)為旋流式噴嘴，由噴嘴體和與噴嘴體連接的燃?xì)膺M(jìn)氣管組成； 所述第一燒嘴磚(5)安裝在爐體(7)上，所述第二燒嘴磚(4)安裝在第一燒嘴磚中，所述空氣旋流器(I)位于第二燒嘴磚(4)所設(shè)置的預(yù)混室的進(jìn)口處，所述燃?xì)鈬娮?2)與空氣旋流器(I)相組合，其噴嘴體位于空氣旋流器下方，所述助燃風(fēng)室(6)安裝在爐體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于空氣旋流器(I)由中心管(1-1)和旋流葉片(1-2)構(gòu)成,旋流葉片(1-2)至少為六片，各旋流葉片(1-2)相距等角度安裝在中心管上,且與中心管的中心線的夾角(Y )為20° 40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于旋流葉片(1-2)的左側(cè)面(1-2-1)、右側(cè)面(1-2-2)、上側(cè)面(1-2-3)、下側(cè)面(1_2_4)、中側(cè)面(1-2-5)為平面，其前側(cè)面(1-2-6)、后側(cè)面(1-2-7)及與中心管的連接面(1-2-8)為弧面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于燃?xì)鈬娮?2)的噴嘴體為同中心線的圓筒體(8)和下端封閉的圓錐臺筒體(9)的組合體，所述圓筒體(8)用于與進(jìn)氣管連接，所述圓錐臺筒體(9)上設(shè)置有環(huán)繞其中心線的至少一圈燃?xì)鈬娍?11)，各燃?xì)鈬娍椎闹行木€(12)為空間直線，其方位為以燃?xì)鈬娍椎闹行木€與圓錐臺筒體(9)外表面的交點(M)為原點建立空間直角坐標(biāo)系，所述空間直角坐標(biāo)系的z軸為過M點的鉛垂線，在該直角坐標(biāo)系中，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€(MP)與z軸的夾角α為120°<α <150°，所述燃?xì)鈬娍椎闹行木€在水平面上的投影線(麗)與y軸的夾角0為15°<0 < 45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于所述圓筒體(8)內(nèi)壁設(shè)置有與燃?xì)膺M(jìn)氣管連接的螺紋段(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室(3)為同中心線的圓柱形孔和圓錐臺形孔的組合體，圓錐臺形孔位于圓柱形孔之下，其上端的孔徑與圓柱形孔的孔徑相同，其下端的孔徑小于圓柱形孔的孔徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室(3)為同中心線的圓柱形孔和圓錐臺形孔的組合體，圓錐臺形孔位于圓柱形孔之下，其上端的孔徑與圓柱形孔的孔徑相同，其下端的孔徑小于圓柱形孔的孔徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室(3)為同中心線的圓柱形孔和圓錐臺形孔的組合體，圓錐臺形孔位于圓柱形孔之下，其上端的孔徑與圓柱形孔的孔徑相同，其下端的孔徑小于圓柱形孔的孔徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室(3)中，圓柱形孔的高度(H2):圓錐臺形孔的高度(H1)= 2. 5 3. 5 I ;圓柱形孔的孔徑(O1):圓錐臺形孔下端的孔徑(02) = I. 3 1.5 I。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述旋流預(yù)混式燃燒器，其特征在于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室(3)中，圓柱形孔的高度(H2):圓錐臺形孔的高度(H1)= 2. 5 3. 5 I ;圓柱形孔的孔徑(O1):圓錐臺形孔下端的孔徑(02) = I. 3 1.5 I。
全文摘要
一種旋流預(yù)混式燃燒器，包括第一燒嘴磚、第二燒嘴磚、助燃風(fēng)室、空氣旋流器和燃?xì)鈬娮欤谝粺齑u上設(shè)置有中心孔，所述中心孔的上部段與第二燒嘴磚的外輪廓形狀和尺寸相匹配，所述中心孔的下部段為上端孔徑小于下端孔徑的圓錐臺形孔，第二燒嘴磚的中心部位設(shè)置有預(yù)混室，燃?xì)鈬娮鞛樾魇絿娮?，由噴嘴體和與噴嘴體連接的進(jìn)氣管組成；所述第一燒嘴磚安裝在爐體上，所述第二燒嘴磚安裝在第一燒嘴磚中，所述空氣旋流器位于第二燒嘴磚所設(shè)置的預(yù)混室的進(jìn)口處，所述燃?xì)鈬娮炫c空氣旋流器相組合，其噴嘴體位于空氣旋流器下方，所述助燃風(fēng)室安裝在爐體上。
文檔編號F23D14/46GK102878558SQ20121033841
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者葉世超, 祝杰, 張莉 申請人:四川大學(xué)