一种气冷燃烧通道性能可控的高速旋流预混燃烧装置
技术领域
本发明涉及燃烧装置，特别适合于低热值煤气获取高温烟气的热风炉、锅炉、加热炉、熔炼炉、回转窑、隧道窑、梭式窑等工业炉窑类热利用设备使用的一种气冷燃烧通道性能可控的高速旋流预混燃烧装置。
背景技术
工业炉窑是工业生产热利用必不可少的重要设备，目前，在工业炉窑的应用领域，针对燃烧不同燃气的条件下，既能获得高效可控的完全燃烧又能有效降低燃烧过程中氮氧化物（NOx）的生成量，已经成为燃烧装置实现高效、节能、环保与安全使用的主要技术方向。为此，在工业炉窑燃烧器的结构设计上除了必须实现快速均匀混合与高强度稳定燃烧外，还要针对不同的燃气品种实现燃烧过程的调节与可控，最终在获取高温热能的同时使得氮氧化物的排放符合相关规定。显见，氮氧化物可控的燃气燃烧对燃烧装置、燃烧室结构、以及相互间的合理配置等提出了较高的技术要求。
纵观目前各种工业炉窑使用的常规的气体燃烧器，由于结构上存在的问题，在使用中明显存在诸多技术问题，如，因倾向于燃气与空气之间的边混合边燃烧的扩散燃烧方式或先部分预混的半预混燃烧方式，从而造成燃气与空气不能充分且均匀地混合与燃烧，这也使得燃烧过程的空气量（氧浓度）得不到恰当而有效的控制，不仅仅导致燃烧装置的燃烧强度和燃烧效率得不到提升，而且出现较低燃烧温度（平均温度）下烟气中氮氧化物含量超标。分析原因在于，燃烧过程中存在局部高温与烟气中氧含量过高，对于长焰燃烧过程而言，在其混合燃烧的火焰锋面的空气侧，就存在局部的高温与充裕的氧浓度。基于上述原因，需要提供一种新结构燃烧装置，用以完成气体燃料燃烧程中的高速旋流预混燃烧与燃烧状态与过程可调控的综合燃烧过程，由于充分均匀的预混燃气被烟气预热后快速完成燃烧过程，完成燃烧后的高温烟气状态下就没有充裕的氧浓度与烟气中的氮气发生氧化反应而生成氮氧化物，这就实现了在可控氧浓度下的高燃烧强度、高燃烧温度、高燃烧效率、低氮氧化物含量的燃烧过程，使气体燃料燃烧不需要设置烟气脱氮（硝）装置就能实现低氮无污染排放成为可能，但至今未见有公开报导。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种气冷燃烧通道性能可控的高速旋流预混燃烧装置，可有效解决可控氧浓度下的高燃烧强度、高燃烧温度、高燃烧效率、低氮氧化物含量的燃烧过程，使气体燃料燃烧不需要设置烟气脱氮（硝）装置就能实现低氮无污染排放的问题。
本发明解决的技术方案是，一种气冷燃烧通道性能可控的高速旋流预混燃烧装置，包括装置本体、气流预混室、燃烧喷射室，所述的装置本体是由燃烧喷射室体和预混室体构成，燃烧喷射室体内构成中心有燃烧喷射通道的燃烧喷射室，预混室体内构成气流预混室，预混室体外端（左端）有调控气流喷入管的装配孔，预混室体的右端呈凸凹台阶状，中心有预混气流喷出口；燃烧喷射室体是由双层构成的空心体，空心体的左端与预混室体右端呈对应的凹凸台阶状，中心有与预混气流喷出口相对应的预流气流进口，预混室体与燃烧喷射室体经台阶状相配应的凸凹台阶扣合在一起，构成一体结构；预混室体外端的装配孔内垂直装有周边密封插入气流预混室内的调控气流喷入管，调控气流喷入管插入气流预混室内的一端呈逐渐收缩的管状喷口，预混室体右端周边凹槽构成与气流预混室相通的气流预混环道，在气流预混环道部位的气流预混室的室体上对称设置煤气进口和热空气进口，第一煤气进口上呈倾斜装有煤气进口管，燃烧喷射通道是在预混室向右延伸的圆筒体中套接一个逐步扩张的圆锥筒的内部通道，左端连接预混气流喷出口的收缩出口，右端为燃烧喷射通道的出口，外层的圆筒体与内层的锥筒体构成双层结构，外层的圆筒体与内层的锥筒体之间连接后形成的夹层空间为空气预热环道，空气预热环道的外层圆筒体上两边开有空气进口和热空气出口，空气进口上倾斜装有空气进口管，热空气出口和热空气进口经热空气连通管密封相连通，在燃烧喷射通道的内筒壁上有燃烧稳焰环槽，其突出的槽边与燃烧喷射通道的筒壁形成三角形截面的环槽。
本发明的燃烧装置结构简单，新颖独特，使用时，代替原工业炉窑的燃烧装置，既能在预混室实现煤气与空气间的充分均匀且快速的旋流混合而不燃烧，又能在喷射燃烧通道形成稳定的完成充分的高强度高流速的预混燃烧，中心调节气流的引入对于控制氧浓度实现低氮燃烧创造了更加有利的调节与控制的充分条件，也能为另一种燃料（如煤粉或油雾）或氧化剂（富氧）的加入提供便捷的通道，使得燃烧器的应用范围得以延展，实现对工业炉窑的控氧、控燃、控渣，达到高效、节能、低氮、环保之目的，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1为本发明结构的截面主视图。
图2为本发明结构的截面左视图。
图3为本发明结构的截面右视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体结构形式与实施方式作详细说明。
由图1-3所示，本发明一种气冷燃烧通道性能可控的高速旋流预混燃烧装置，包括装置本体、气流预混室、燃烧喷射室，所述的装置本体13是由燃烧喷射室体和预混室体构成，燃烧喷射室体内构成中心有燃烧喷射通道12的燃烧喷射室，预混室体内构成气流预混室1，预混室体外端（左端）有调控气流喷入管8的装配孔，预混室体的右端呈凸凹台阶状，中心有预混气流喷出口9；燃烧喷射室体是由双层构成的空心体，空心体的左端与预混室体右端呈对应的凹凸台阶状，中心有与预混气流喷出口9相对应的预流气流进口，预混室体与燃烧喷射室体经台阶状相配应的凸凹台阶扣合在一起，构成一体结构；预混室体外端的装配孔内垂直装有周边密封插入气流预混室1内的调控气流喷入管8，调控气流喷入管8插入气流预混室1内的一端呈逐渐收缩的管状喷口，预混室体右端周边凹槽构成与气流预混室1相通的气流预混环道10，在气流预混环道10部位的气流预混室1的室体上对称设置煤气进口2-1和热空气进口7，第一煤气进口2-1上呈倾斜装有煤气进口管2，燃烧喷射通道12是在预混室1向右延伸的圆筒体中套接一个逐步扩张的圆锥筒的内部通道，左端连接预混气流喷出口9的收缩出口，右端为燃烧喷射通道12的出口，外层的圆筒体与内层的锥筒体构成双层结构，外层的圆筒体与内层的锥筒体之间连接后形成的夹层空间为空气预热环道4，空气预热环道4的外层圆筒体上两边开有空气进口3-1和热空气出口5，空气进口3-1上倾斜装有空气进口管3，热空气出口5和热空气进口7经热空气连通管6密封相连通，在燃烧喷射通道12的内筒壁上有燃烧稳焰环槽11，其突出的槽边与燃烧喷射通道12的筒壁形成三角形截面的环槽。
所述的预混室体和燃烧喷射室体均是由耐高温金属板焊接构成的圆筒体，燃烧喷射通道12的出口端内面上涂有耐高温抗热震的堇青石莫来石材质的耐火材料层，或耐更高燃烧温度的碳化硅的耐火材料层（图中未标记）。
所述的气流预混室1为一端面封闭而另一端面设有收缩状的预混气流喷出口9的圆筒状，预混气流喷出口9呈向气流预混室1的一端直径大，与燃烧喷射通道12进口对接的一端直径小，构成喇叭状预混气流喷入燃烧喷射通道12结构，气流预混室1与燃烧喷射通道12连接的一端周壁内构成与预混室1底部连通的气流预混环道10。
所述的燃烧喷射通道12是气流预混室1的延伸圆筒体内焊制的逐渐扩大的圆锥形筒体内壁间构成的通道，其外形成封闭的空气预热环道4，环道外侧对应设置空气进口管3和热空气出口5，并与空气预热环道4连通，在内筒壁上设置燃烧稳焰环槽11，突出的槽边与燃烧喷射通道12的筒壁形成三角形截面的环槽，燃烧喷射通道12内壁以及燃烧稳焰环槽11的槽边两侧均有耐高温喷涂层。
所述的热空气连通管6为耐高温金属材料制成的空心U型管，U型管的开口两端周壁分别与热空气出口5和热空气进口7密封装配连接在一起。
所述的燃烧稳焰环槽11的突出的槽边朝向预混气流喷出口9的一面直径大、朝向燃烧喷射通道12出口端一面直径小的锥筒状结构。
所述的调控气流喷入管8为耐高温金属材料制成的截面为圆形的空心体，伸出气流预混室1的外端呈直筒状，伸入气流预混室1的内端呈与直筒体连接的一端直径大、远离直筒体的一端直径小，构成逐渐收缩的管状喷口结构。
具体实施时，由本发明代替工业炉窑的热利用燃烧装置（设备）即可，非常方便，使用时，煤气通过煤气进口管2倾斜进入预混室1中的气流预混环道10，而空气通过空气进口管3进入空气预热环槽4，在其中预热后经热空气出口管5流出，再经热空气连结管6进入热空气进口管7，在以倾斜方式进入预混室1中的气流预混环道10；在此，煤气与空气进行对冲旋流快速混合并在气流预混环道10的导向作用下形成向左侧流动的旋流运动，并在预混室端头折返向右进入收缩状的预混气流喷出口9形成强涡旋的高速预混气流，接着通过扩散散状的喷射燃烧通道12，在燃烧稳焰环11的作用下预热着火燃烧，形成强旋流的预混燃烧气流；由于喷射燃烧通道12外侧的空气预热环道4对其的冷却作用，有效保证了在燃烧稳焰环11左边（包括预混室1）不存在预混燃烧现象，有效保证了预混室只完成气流预混而不出现燃烧火焰的运行状态；同时，燃烧通道释放的热量被气流预热环道10中的空气吸收而加热了助燃的空气；预混室1封闭端中心处设置的调节气流喷口8为直喷式喷嘴结构，其气流可以是空气、富氧气体（纯氧）、煤气（或高热值煤气）、水蒸气（水）、煤粉或液体燃料等，主要实现气流状态与燃烧状态的有效调整与控制，使燃烧装置的性能得到进一步的提升，以及让其应用领域能进一步扩大。显然， 对于这样的快速旋流预混与快速预热燃烧，并形成均匀温度分布与稳定的高温流场结构，再通过调节气流作用有效控制燃烧状态与燃烧气流的成分的燃烧装置，去实现高燃烧强度与高燃烧效率的燃烧，以及去实现预混控氧低氮燃烧就是一种其必然的结果。将该装置用之于燃气锅炉低氮燃烧的改造中，在提高锅炉热强度和热效率的同时其烟气的氮氧化物浓度减少到30mg/m3以下，如果进一步提高锅炉的密封程度以及减少漏风，尤其是在高温区域（有效控氧功能区），其效果将会更加显著。同样结构的燃烧装置，在高炉热风炉上使用，由于氧浓度易于控制，其氮氧化物浓度可以达到不被检测出来的状态，对于应用的工业炉窑其检测值在1～30mg/m3之间，均符合国家超净排放的要求，实现低氮无污染排放，燃烧效率提高10%以上，真正实现了节能、环保，经济和社会效益巨大。
