本发明涉及燃烧装置领域，具体涉及一种单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置。
背景技术：
u型辐射管是一种常见的间接加热燃烧装置，以热辐射的方式把热量从辐射管表面传递给炉膛和被加热工件，由于辐射管将燃烧产物与被加热工件分开，燃烧产物不会影响炉膛内的高温气氛，炉内气氛及加热温度便于控制和调节，因此采用辐射管加热被广泛应用于保护气氛热处理炉窑中，如硅钢带热处理连续退火炉、带钢热镀锌连续退火炉等。
为提高燃烧效率，通常u型辐射管一端安装燃烧器，另一端安装换热器。在传统的u型辐射管设计中，热空气的进出口布置在换热器的同侧，此时热空气在换热中的流动为两个行程，第一个行程为逆流换热，第二个行程为顺流换热，在第二个行程时，热空气会被迫将第一个行程得到的热量再次传递给烟气或空气，降低了换热效率；同时回程需要给空气设置回程管，回程管占据一定空间，因此能够布置的换热元件数量减少，同样降低了换热效率。管式换热器，尤其是密集型管式换热器(换热芯管数量大于50)，具有比表面积大、换热效率高的特点，但由于传统u型辐射管换热器空气为两行程流动，密集型管式换热器难以应用，传统的辐射管换热器中，烟气在管外流动，空气在管内流动，这样高温烟气的部分热量会通过管壁散热到环境中去，造成热量的浪费，降低了换热效率。
传统u型辐射管换热器热空气出口温度普遍高于500℃，排烟温度很高，通过换热器回收的热量很少，使得换热效率很低。此外传统u型辐射管还有温度均匀性差，nox排放高的缺点。由于传统的u型辐射管空气预热温度普遍偏低，因此燃烧温度相对较低。若要提高换热效率，将助燃空气预热到800～950℃，采用传统燃烧方式时火焰温度将会很高，造成热力型nox急剧上升，污染环境。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有u型辐射管换热效率底低、温度均匀性差，nox排放高的问题，提供一套换热效率高、低nox排放的u型辐射管燃烧装置。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置，包括u型辐射管、辐射管内套管、换热器和燃烧器；所述u型辐射管的两端分别与换热器、燃烧器固定连接，所述辐射管内套管设置在u型辐射管中；所述换热器包括筒体、多个换热器芯管和端面盖板，所述筒体包括依次由外向内设置的外筒体、绝热层和内筒体，所述筒体的两端通过端面盖板封闭；所述内筒体中沿轴向间隔设置内环挡板和外环挡板，所述内环挡板的周向尺寸小于外环挡板的周向尺寸；所述筒体的进烟侧设置有热风出口，排烟侧设置有冷风进口和集烟室，所述冷风进口和热风出口连通，所述换热器芯管穿过端面盖板设置在内筒体中，其一端与u型辐射管连通，另一端与集烟室和烟气出口管连通；所述燃烧器包括壳体，点火电极，燃气芯管和燃烧室；所述壳体与u型辐射管固定连接，且设置有与换热器热风出口连通的热风进口；所述燃烧室位于u型辐射管中，包括燃烧室外套和燃烧室内套，所述燃烧室外套与壳体固定连接，所述燃烧室内套设置在燃烧室外套内部，所述燃烧室外套和燃烧室内套之间设有二次风通道，所述二次风通道与壳体的热风进口连通；所述燃烧室内套中设置有稳焰盘，稳焰盘上设置有多个一次风通孔，所述一次风通孔与壳体的热风进口连通；所述点火电极、燃气芯管设置在壳体内部，所述点火电极、燃气芯管的一端穿过稳焰盘设置在燃烧室内套中，所述点火电极位于烧室内套的一端且设置有燃气喷头，所述燃烧室设置有与u型辐射管连通的燃烧室出口，燃烧产物通过燃烧室出口进入辐射管内套管和u型辐射管中。
进一步地，所述一次风通孔过流面积与二次风通道过流面积的面积比为6:4。
进一步地，所述换热器芯管的直径不超过10mm，所述内环挡板和外环挡板之间间距为100～150mm。管式换热器芯管管径小，可以提高总的换热面积。
进一步地，所述换热器、燃烧器与u型辐射管的连接处以及换热器热风出口与燃烧器热风进口的连接处均包裹于耐火绝热纤维中。
进一步地，为进一步降低换热器向环境的散热，所述绝热层使用气溶胶隔热材料。
进一步地，所述燃烧室出口和辐射管内套管的间距为80～130mm。
进一步地，为了增加烟气的回流，所述辐射管内套管直径为0.7倍的u型辐射管直径，辐射管内套管长度为5倍u型辐射管直径。
进一步地，为了减少换热器和燃烧器端部向外的热损失，所述换热器和燃烧器远离u型辐射管的端部均设置有绝热材料。
进一步地，所述燃烧器壳体的材质为耐热不锈钢，燃烧室的材质为碳化硅，u型辐射管的材质为耐热钢，辐射管内套管的材质为碳化硅。
进一步地，所述换热器芯管是圆管、方管、扁管或椭圆管。
本发明的优点为：
1.本发明单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置能够有效提高换热效率，降低燃烧装置运行成本，同时能够降低nox排放，为节能环保做出贡献。
2.本发明烟气在换热器芯管内流动，换热器芯管边界层较薄，当量直径较小，换热系数相对较高，空气在管外流动，采用外环挡板，两个挡板，使空气来回不断冲刷换热芯管，同时延长了空气在换热器内的停留时间，提高了换热效率。
3.本发明采用分级燃烧和烟气再循环方式降低nox排放，二次风量约占总风量的40％，过剩空气系数控制在1.05左右，燃烧室出口速度控制在150m/s以上，燃烧室出口和辐射管内套管间距控制在80～130mm，从而降低燃烧区域o2浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型nox形成。
4.本发明通过烟气高速回流解决了温度均匀性差的缺陷，部分燃烧后的气体从燃烧室出口高速喷出，通过射流引射作用，卷吸周围大量周围烟气进入辐射管内套管燃烧，降低火焰峰值温度，延长燃烧时间和火焰长度，提高辐射管表面温度均匀性。
5.本发明燃烧器的热风进口与换热器热风出口连通；由于采用空气单行程逆流换热器，助燃空气可以被预热到很高温度，可达800～950℃，高温度的助燃空气使燃烧器内的火焰温度降低，解决了传统的燃烧方式火焰温度高，造成热力型nox急剧上升的问题。
6.本发明设置辐射管内套管，高速喷入辐射管内的一次燃烧后混合气体和二次风，可诱导大量烟气回流，降低燃料与o2浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型nox形成。
附图说明
图1是本发明实施例单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置结构图；
图2是本发明实施例换热器示意图；
图3是图2的a-a剖面示意图；
图4是本发明实施例燃烧器的结构图；
图5是本发明实施例稳焰盘的结构图；
图6是本发明实施例单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置局部结构图。
附图标记：1-换热器，2-安装框架，3-耐火绝热材料，4-u型辐射管，5-辐射管托架，6-辐射管内套管，7-燃烧器，11-烟气出口管，12-集烟室，13-冷风进口，14-外筒体，15-绝热层，16-内筒体，17-换热器芯管，18-外环挡板，19-内环挡板，110-热风出口，70-壳体，71-燃气芯管，72-点火电极，
73-定型保温材料，74-热风进口，75-安装法兰，76-稳焰盘，77-燃气喷头，78-燃烧室外套，79-燃烧室内套，710-二次风通道，711-燃烧室出口，712-一次风通孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
如图1至图6所示的一种单行程逆流换热u型辐射管燃烧装置，包括u型辐射管4、辐射管内套管6、换热器1和燃烧器7；u型辐射管4的两端分别与换热器1、燃烧器7固定连接，辐射管内套管6设置在u型辐射管4中；u型辐射管4通过辐射管托架5固定安装；换热器1包括筒体、多个换热器芯管17和端面盖板，筒体包括依次由外向内设置的外筒体14、绝热层15和内筒体16，筒体的两端通过端面盖板封闭；内筒体16中沿轴向间隔设置内环挡板19和外环挡板18，内环挡板19的周向尺寸小于外环挡板18的周向尺寸；筒体的进烟侧设置有热风出口110，排烟侧设置有冷风进口13和集烟室12，冷风进口13和热风出口110连通，换热器芯管17穿过端面盖板设置在内筒体16中，其一端与u型辐射管4连通，另一端与集烟室12和烟气出口管11连通。
燃烧器7包括壳体70，点火电极72，燃气芯管71和燃烧室；壳体70与u型辐射管4固定连接，且设置有与换热器热风出口110连通的热风进口74；燃烧室位于u型辐射管4中，包括燃烧室外套78和燃烧室内套79，燃烧室外套78与壳体70固定连接，燃烧室内套79设置在燃烧室外套78内部，燃烧室外套78和燃烧室内套79之间设有二次风通道710，二次风通道710与壳体70的热风进口74连通；燃烧室内套79中设置有稳焰盘76，稳焰盘76上设置有多个一次风通孔712，一次风通孔712与壳体70的热风进口74连通；点火电极72、燃气芯管71设置在壳体70内部，点火电极72、燃气芯管71的一端穿过稳焰盘76设置在燃烧室内套79中，点火电极72位于烧室内套的一端设置有燃气喷头77，燃烧室设置有与u型辐射管4连通的燃烧室出口711，燃烧产物通过燃烧室出口711进入辐射管内套管6和u型辐射管4中。
本发明燃烧装置换热器1采用逆流管式换热器，烟气在管内流动，芯管边界层较薄，当量直径较小，换热系数相对较高，为提高换热效率，管式换热器芯管17的直径不超过10mm；管式换热器芯管17管径小，可以提高总的换热面积；管径小，管内气体的为层流流动，换热系数与换热管直径成反比，直径越小，换热系数越大。空气在管外流动，降低了换热器1向环境的散热，空气流动方向间隔设置内环挡板19、外环挡板18，两个挡板之间间距为100～150mm，理论上来说，挡板之间间距越小，则换热效果越好，但是到一定数值后，增加挡板换热效果提高就不明显，因此本发明将其限制为100～150mm，在内环挡板19和外环挡板18作用下，使空气来回不断冲刷换热芯管，同时延长了空气在换热器1内的停留时间，提高了换热效率。
本发明将u型辐射管4燃烧装置可设置为非等长结构，换热器1长，燃烧器7短，换热器热风出口110与燃烧器7的热风进口74连接在一起，被预热的高温空气直接进入燃烧器7内，实现换热器1内空气的单行程运动，而不是像传统等长u型辐射管4结构，热空气的出口布置在换热器1的端部，热空气在换热内的流动为两个行程。由于采用空气单行程逆流换热器1，助燃空气可以被预热到很高温度，可达800～950℃，高温度的助燃空气使燃烧器7内的火焰温度降低，解决了传统的燃烧方式火焰温度高，造成热力型nox急剧上升的问题。
为了安装方便和减少对外热损失，将换热器1、燃烧器7与辐射管的法兰连接处以及换热器1与燃烧器7的法兰连接处包裹在耐火绝热材料3中，耐火绝热材料3具体为耐火绝热纤维，耐火绝热纤维通过安装框架2固定安装，为进一步降低换热器1向环境的散热，使用了气溶胶隔热材料，同时为克服气溶胶隔热材料(导热系数小于0.03j/m*℃)强度不足的缺点，将其填充在换热器1内、外套管之间。为了减少换热器1和燃烧器7端部向外的热损失，在换热器1和燃烧器7的端部均设置绝热材料。燃烧室外套78的材质为耐热不锈钢，如cr25ni20，燃烧室的材质为碳化硅，u型辐射管4的材质为耐热钢，辐射管内套管6的材质为碳化硅。
本发明采用分级燃烧和烟气再循环方式降低nox排放，分级燃烧将燃烧所需的空气分级送入燃烧区域，烟气再循环是通过将燃烧产生的烟气重新引入燃烧区域，降低反应区的氧气浓度，从而实现降低火焰峰值温度，达到减少nox排放的目的；影响热力型nox生成的主要因素包括温度和o2浓度，烟气再循环技术能够同时降低这两个参数。过剩空气系数α是影响nox生成的重要参数，通过空气分级可以改变主燃区域的过剩空气系数α,使燃烧发生在α<1气氛中，燃烧分为贫氧区和富氧区。二次风出口位于燃烧室出口711外侧，二次风量约占总风量的40％，过剩空气系数控制在1.05左右，燃烧室出口711速度控制在150m/s以上，过剩空气系数α是实际空气用量和理论空气用量的比值，通过控制进入燃烧设备的空气量和燃气量，实现对过剩空气系数的控制。燃烧室出口711和辐射管内套管6间距控制在80～130mm，从而降低燃烧区域o2浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型nox形成。燃烧室出口711和辐射管内套管6间距过大或者过小，都不利于诱导烟气回流，因此本发明将这个距离限制为80～130mm。
辐射管内套管6直径约为0.7倍的辐射管直径，辐射管内套管6长度约为5倍辐射管直径，0.7倍的辐射管直径，其目的是保证套筒外环和套筒内部圆的流通面积相近，辐射管内套管6长度约为5倍辐射管直径，目的是增加烟气的回流，同时保证套筒的长度，以便二次燃烧能够在套筒内完成。
为减少空气的泄漏，燃烧室外套78和燃烧室安装法兰75为铸造或焊接结构，在燃烧室外套78和燃烧室之间形成二次风通道710。换热器芯管17是圆管仅仅是本发明形式之一，也可是方管、扁管、椭圆管等其他形式。
工作过程：首先通入助燃空气，对燃烧器7进行吹扫，吹扫时间不小于1分钟，然后将点火检测电极调为点火模式，持续击穿空气释放电火花。通入燃气，燃气经燃气芯管71，由燃气喷头77喷入燃烧室内，小于60％的助燃空气通过稳焰盘76，形成旋转气流，进入燃烧室。燃气喷头77喷出的燃气与燃烧室内旋转的空气气流混合，在电火花的作用下被点燃燃烧。然后，关闭点火电极72，点火检测电极将进入检测模式，若不能检测出离子电流信号，则关闭燃气，重新开始吹扫与点火操作，若能检测到离子电流信号，表明燃气燃烧器7工作正常。40％的助燃空气通过燃烧室与燃烧室外套78之间的缝隙，高速喷入辐射管内参与燃烧，通过一次风出口面积和二次风出口面积的比例约为6:4。燃烧室内燃烧后的气体，从燃烧室出口711高速喷出，大于150m/s。高速喷入辐射管内的一次燃烧后混合气体和二次风，可诱导大量烟气回流，降低燃料与o2浓度，使燃烧发生在低氧环境，降低火焰温度和减少热力型nox形成。
烟气将沿着辐射管运动，进入换热器芯管17，此时烟气温度约1000℃，然后进入换热器1集烟室12，由换热器1烟气出口管11排出，换热器1排出的烟气温度小于300℃。助燃冷空气由冷空气入口管进入换热器1内，在换热器内环挡板19和外环挡板18作用下，会横向冲刷换热器芯管17，经过几个行程后空气温度将被预热至800℃，然后被预热的空气由换热器1热空气出口流出换热器1，由热空气入口，进入燃烧器7，参与燃烧。