高效节能的有机废气焚烧炉结构

技术领域

本发明涉及一种废气焚烧炉，具体涉及一种对有机废气和有害易燃气体进行无害化处理的高温焚烧炉，属于环保技术领域和节能技术领域。

背景技术

目前，对于有机废气的高效治理，采用高温焚烧技术是目前较为彻底解决污染的有效手段，尤其对于某些成分的有害气体必须采用很高的温度才能彻底分解，目前涉及有机废气排放的企业所采用的废气高温焚烧设备中，最具代表性的包括蓄热式废气焚烧炉（RTO）和直燃式废气焚烧炉（TO），而对于单班生产或非24小时工作的企业，存在每天下班时关闭焚烧炉的情况，在次日和节假日后上班前需对冷却后的焚烧炉重新预热投入运行，上述RTO炉和TO炉需要对炉膛、蓄热体或者是换热管预热到相当高的温度才能引入废气进炉处理，否则会造成尾气排放不达标并容易造成燃爆风险，焚烧炉频繁冷却后再预热既耗时又消耗大量的电力或天然气，通常情况下，所需的预热时间根据炉体型号的大小其预热时间在1-3小时之间，所消耗的电力或天然气占了总运行能耗的30%以上，大幅增加了运行成本。

传统RTO和TO废气焚烧炉预热之所以消耗大量的时间和能耗，一方面原因是炉膛底部、侧墙、顶部以及炽热气流通道的内壁等结构体设置了大量的耐火材料，这些耐火材料以耐火砖为主，这些耐火材料在预热过程中吸收大量热量导致炉体预热速度缓慢。另一方面，炉内水平气流区域其温度分布通常是上高下低，下方区域预热需时更长，温度场不均匀也会引起能耗增大和低温区域废气燃烧不充分而造成尾气排放不达标。

中国专利“一种废气热解炉结构（专利号：202220624359.6）”所设计的废气热解炉，该技术的不足包括：1、炉膛与换热管分设于两个独立区间，两者内部都采用了大量耐火材料，耐火材料在预热过程会吸收大量热量导致预热能耗大幅增加；2、该结构在运行过程中其炉内温度会上高下低，下方区域容易因温度偏低使废气热解不充分造成尾气排放不达标，或者为兼顾炉体下方的温度把炉温整体提高而造成能耗增大；3、废气从单侧进入使废气在换热器内部的流动不对称而偏向一侧，使降换热效率降低造成能耗增加。

在包括RTO和TO在内的众多类型废气焚烧设备内部，存在一些与主要功能无直接关系的空腔或通道，这些腔道只作为各功能模块之间的空间过渡结构，如RTO炉的燃烧室与蓄热模块之间的连接通道，TO炉的部分区域导流通道以及两个或以上换热模块之间的过渡腔道，制作腔道结构需要增加成本，这些腔道结构材料在预热阶段会吸收热量增加了预热时间和能耗，腔道的存在造成炉体的体积和表面积加大而增加了炉体散热的几率于节能不利。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种高效节能的有机废气焚烧炉结构，可缩短废气焚烧炉的预热时间，并可同时降低其预热阶段和正常运行阶段的加热能耗，其中也包括提高了设备的安全性，本发明的结构简单紧凑，节约建造成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的，其是一种高效节能的有机废气焚烧炉结构，其特征在于包括：炉体及换热管；

所述炉体包括：燃烧段、废气预热段、余热回收段及尾气罩；所述燃烧段、废气预热段、余热回收段及尾气罩由下至上依次设置，所述燃烧段呈中空状，燃烧段的侧壁并由内至外依次设有第一耐火材料层、第一隔热层及第一金属外壳，燃烧段的底部由里往外依次设有第一耐火材料层、第一隔热层及钢板，在燃烧段下部的空间设有多片水平排列的耐火支承杆，每片耐火支承杆之间留有间隙，在耐火支承杆下方且位于燃烧段的空间设有加热器；所述废气预热段呈中空状，废气预热段的侧壁并由内至外依次设有第二金属内壁、第二隔热层及第二金属外壳，在废气预热段的上部设有两个或以上的废气入口，所有废气入口相互之间等距离均匀分布，所有废气入口的进气导流方向偏向同一侧，使废气进入炉体内形成旋转向下的气流；所述余热回收段呈中空状，余热回收段的侧壁并由内至外依次设有第三金属内壁、第三隔热层及第三金属外壳，在余热回收段两对侧分别设有新风入口和热风出口，在余热回收段的上部设有水平设置的第一换热管安装孔板，在余热回收段与废气预热段之间设有水平设置的第二换热管安装孔板；所述尾气罩设于余热回收段的上方，在尾气罩上设有尾气出口；

所述换热管为多根竖立设置，所述换热管之间留有空隙，所述换热管分别穿过第一换热管安装孔板和第二换热管安装孔板，换热管的上端开口露出第一换热管安装孔板并位于尾气罩中，换热管的下端被耐火支承杆所承托，相邻耐火支承杆之间的间隙小于换热管的外径，换热管下端开口与纵向耐火支承杆之间的间隙连通，换热管的垂直投影全部落入燃烧段内腔的投影面。

在本技术方案中，所述换热管由具有耐火性并同时具有优良换热性能的无机材料制成。

在本技术方案中，所述耐火支承杆为碳化硅或刚玉陶瓷材质制成的板条或圆棒或圆管。

在本技术方案中，所述燃烧段、废气预热段、余热回收段和尾气罩的截面呈圆形或多边形。

在本技术方案中，所述燃烧段、废气预热段、余热回收段和尾气罩依次紧密连接。

在本技术方案中，所述加热器是电热器或燃气燃烧器。

在本技术方案中，所述换热管外壁与第一换热管安装孔板和第二换热管安装孔板的孔壁之间的间隙被密封。

本发明与现有技术相比的优点为：1、燃烧段内腔同时作为炉膛燃烧区域和换热管高温段的热交换区域，两者共用同一个区间可大量减少耐火材料的使用数量，将大幅降低耐火材料在炉膛预热过程的热吸收量，减少预热时间和能耗。因整个炉体内部没有任何作为功能模块之间过渡的空腔和风道，使炉体的体积和表面积变小，结构紧凑，可减少结构材料的吸热和炉体表面散热而节能，同时降低建造成本；2、燃烧段的废气将同时获得热交换和燃烧的双重作用，尤其是部分未完全燃烧分解就进入了管程流道的废气在燃烧段中在炽热空气上升的高温环境中使管内的剩余废气也得到彻底的高温分解，相当于延长了废气燃烧时间，使废气热解更高效和充分，保障尾气排放达标；3、在高温下仍能保持高结构强度的耐火支承杆，一方面可对换热管起支承作用，另一方面，因其采用的碳化硅或刚玉陶瓷具有良好的导热性和高热辐射性，可使燃烧段内部同一层面的空间形成更稳定更均匀的温度场，保障废气热解更充分；4、采用两个或以上的废气入口，且各废气入口之间分布均匀，废气从两边相互对称的入口进入其气流分布更均匀，并且多废气入口的导流方向偏向使进入的废气在炉体内形成旋转向下的气流而提高了扰流强度，大幅提高了换热效率实现节能，避免了单侧废气入口所形成的废气在焚烧炉内流动不对称性的问题，使烟气和废气的换热效率更高而节能。5、废气入口设于废气预热段的上方，基于热气往上流动的规律，外部的废气管道从下往上接入炉内可以防止炉内高温气体通过废气管道倒灌返回损坏风机等器件，也降低了因废气入口处意外着火造成废气管道回火的风险。

附图说明

图1是本发明的半剖后的结构示意图；

图2是本发明实施例1的主体结构剖面示意图；

图3是本发明实施例1的废气预热段的俯视剖面示意图；

图4是本发明实施例1的换热管安装孔板的结构示意图；

图5是本发明实施例2的主体结构剖面示意图；

图6是本发明实施例2的废气预热段的俯视剖面示意图。

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语“左”、“右”、“上”及“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例

如图1至图4所示，其是一种高效节能的有机废气焚烧炉结构，包括：

炉体及换热管5；

所述炉体包括：燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3及尾气罩4；所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3及尾气罩4由下至上依次设置，所述燃烧段1呈中空状，燃烧段1的侧壁并由内至外依次设有第一耐火材料层11、第一隔热层12及第一金属外壳13，燃烧段1的底部由里往外依次设有第一耐火材料层11、第一隔热层12及钢板14，在燃烧段1下部的空间设有多片水平排列的耐火支承杆15，每片耐火支承杆15之间留有间隙16，在耐火支承杆15下方且位于燃烧段1的空间设有加热器17；所述废气预热段2呈中空状，废气预热段2的侧壁并由内至外依次设有第二金属内壁21、第二隔热层22及第二金属外壳23，在废气预热段2的上部设有两个或以上的废气入口24，所有废气入口24相互之间等距离均匀分布，所有废气入口24的进气导流方向偏向同一侧，使废气进入炉体内形成旋转向下的气流；所述余热回收段3呈中空状，余热回收段3的侧壁并由内至外依次设有第三金属内壁31、第三隔热层32及第三金属外壳33，在余热回收段3两对侧分别设有新风入口34和热风出口35，在余热回收段3的上部设有水平设置的第一换热管安装孔板36，在余热回收段3与废气预热段2之间设有水平设置的第二换热管安装孔板37；所述尾气罩4设于余热回收段的上方，在尾气罩4上设有尾气出口41；

所述换热管5为多根竖立设置，所述换热管5之间留有空隙51，所述换热管5分别穿过第一换热管安装孔板36和第二换热管安装孔板37，换热管5的上端开口露出第一换热管安装孔板36并位于尾气罩4中，换热管5的下端被耐火支承杆15所承托，相邻耐火支承杆15之间的间隙16小于换热管5的外径，换热管5下端开口与纵向耐火支承杆15之间的间隙16连通，换热管5的垂直投影全部落入燃烧段1内腔的投影面。

在本实施例中，所述换热管5由具有耐火性并同时具有优良换热性能的无机材料制成。

在本实施例中，所述耐火支承杆15为碳化硅材质制成的板条或圆棒或圆管。

在本实施例中，所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3和尾气罩4的截面呈圆形。

在本实施例中，所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3和尾气罩4依次紧密连接。

在本实施例中，所述加热器16是电热器。

在本实施例中，所述换热管5外壁与第一换热管安装孔板36和第二换热管安装孔板37的孔壁之间的间隙被密封。

在本实施例中，所述废气预热段2上方周围设有两个废气入口24，废气入口24可接收从外部管道输入的废气向下流经各换热管5之间的空隙51和耐火支承杆15之间的间隙16后，从换热管5下端口进入并往上流动从出尾气罩4的尾气出口41流出；

在本实施例中，所述余热回收段3呈中空状并由内至外包括金属内壁31、隔热层32和金属外壳33，所述的余热回收段3两对侧分别设有新风入口34和热风出口35，外部空气可通过外部风机的驱动从新风入口34进入后流经各换热管5之间的空隙51后从热风出口35流出。

工作时，燃烧段1具有炉膛的功能，底部及内层为耐火材料层11，具备相适应的结构强度，可承受1100℃以上的高温，中间夹层采用陶瓷纤维棉或岩棉作为隔热层12，利用其良好的隔热性能减少热量外传，外表面采用金属板作为外壳保护作用和支撑作用；燃烧段1最下方的空间设有电热棒，电热棒一方面用于焚烧炉工作前的预热，另一方面在工作过程中用于焚烧热值不足的废气时补充热量以维持足够的热解温度；在电热棒上方设有耐火支承杆15，其一方面可对换热管5起支承作用，另一方面，因碳化硅具有良好的导热性和高热辐射性，可使燃烧段1内部同一层面的空间形成更稳定更均匀的温度场，保障废气热解更充分，这是本实施例其中的一项创新技术。

废气预热段：废气预热段2的功能是利用废气燃烧后的高温烟气与进入废气进行热交换以提高废气的基础温度，可解决废气自身燃烧值偏低在高温热解时需要补充大量热量的高能耗问题，废气预热段2的工作温度一般在600℃以内，该段结构中的内层可不采用耐火砖以避免吸热量增加，采用耐温不锈钢材料就可以满足要求，同样，中间夹层采用陶瓷纤维棉或岩棉作为隔热层22，利用其良好的隔热性能减少热量外传，外表面采用金属板作为外壳保护作用和支撑作用，如图3所示气预热段2上方周围设有两个呈180°位置关系的废气入口24，废气从这两个入口进入焚烧炉处理，废气从两边相互对称的入口进入其气流分布更均匀，当两个废气入口的导流方向偏向水平方向的右侧，形成从两个废气入口24进入的废气在进入炉体内形成逆时针旋转向下的气流，旋转向下的气流相当于提高了换热器中壳程流道的扰流作用使换热效率提高，避免废气从单侧进入形成不对称且扰流弱小的气流，有效减少了换热死角区，这是本实施例其中的一项创新技术。在安全性方面，由于两个废气入口设于废气预热段的上方，基于热气往上流动的规律，外部的废气管道从下往上接入炉内可以防止炉内高温气体通过废气管道倒灌返回损坏风机等器件，也包括对处理含油脂、漆雾和焦油挥发物等杂质的废气时，这些带黏性的杂质会粘附在废气入口周围，当接触到炉内高温时这些杂质很容易被引燃，当废气入口附近发生燃烧时由于废气入口位于废气引入管的高位，可避免火焰或高温烟气往下流动造成管道回火的风险。

余热回收段：余热回收段3的功能是对排放前的烟气热量进一步回收，可实现余热利用，也降低排放尾气的温度有利于环境，余热回收段3的工作温度一般在300℃以内，该段结构中的内层可不采用耐火砖以避免吸热量增加，采用普通不锈钢材料就可以满足要求，同样，中间夹层采用陶瓷纤维棉或岩棉作为隔热层，利用其良好的隔热性能减少热量外传，外表面采用金属板作为外壳保护作用和支撑作用。另外，余热回收段两对侧分别设有新风入口34和热风出口35，外部空气可通过外部风机的驱动从新风入口34进入后流经各换热管5之间的空隙51后从热风出口35流出，所获得的热风可作烘干或脱附等场合使用。

尾气罩：尾气罩4的作用是收集最后流出的烟气并通过尾气出口41排放或连接烟囱排放。

换热管安装孔板：换热管安装孔板的功能起密封隔离作用，可将不同空间的气体相互隔离，换热管安装孔板可以采用不锈钢板制作，第一换热管安装孔板36和第二换热管安装孔板37可分别对换热管内的烟气、新风和废气三者相互隔离，防止热风被渗漏混入的烟气和废气污染，以及防止尾气被渗漏混入的未净处理的废气污染导致排放不达标。换热管安装孔板在完成换热管5的插装后，换热管外壁与孔壁之间的间隙采用耐温材料密封以防止漏气。

换热管：换热管5在燃烧段1和废气换热段2的功能是将管与管之间的空隙的废气与管内流动的高温烟气进行换热以将废气预热以实现节能，换热管5在余热回收段4是将管外流动的新风与管内流动的带余热烟气进行换热以实现余热回收利用以实现节能，由于部分换热管段是放置于相当于炉膛的燃烧段1，燃烧段1内腔同时作为炉膛燃烧区域和换热管5高温段的热交换区域，两者共用同一个区间可大量减少耐火砖的使用数量，将大幅降低耐火砖在炉膛预热过程的热吸收量，减少预热时间和能耗，包括从加热、燃烧、废气预热、余热回收直至尾气排放的所有环节之间实现了无缝对接，没有任何过渡性的空腔和过道，减少了热量吸收量和散热量，这是本实施例其中的一项创新技术，换热管5为适应炉膛的高温环境，换热管5采用能长期耐受1100℃工作温度的高铝陶瓷管，这样燃烧段1的废气将同时获得热交换和燃烧的双重作用，尤其是部分未完全燃烧分解就进入了管程流道的废气在燃烧段中在炽热空气上升的高温环境中使管内的剩余废气也得到彻底的高温分解，相当于延长了废气燃烧时间，使废气热解更高效和充分，保障尾气排放达标，这是本实施例的其中一项创新技术。

实施例

如图1、图5及图6所示，其是一种高效节能的有机废气焚烧炉结构，包括：

炉体及换热管5；

所述炉体包括：燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3及尾气罩4；所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3及尾气罩4由下至上依次设置，所述燃烧段1呈中空状，燃烧段1的侧壁并由内至外依次设有第一耐火材料层11、第一隔热层12及第一金属外壳13，燃烧段1的底部由里往外依次设有第一耐火材料层11、第一隔热层12及钢板14，在燃烧段1下部的空间设有多片水平排列的耐火支承杆15，每片耐火支承杆15之间留有间隙16，在耐火支承杆15下方且位于燃烧段1的空间设有加热器17；所述废气预热段2呈中空状，废气预热段2的侧壁并由内至外依次设有第二金属内壁21、第二隔热层22及第二金属外壳23，在废气预热段2的上部设有三个废气入口24，所有废气入口24相互之间等距离均匀分布，如图6所示所有废气入口24的进气导流方向偏向左侧，使废气进入炉体内形成顺时针旋转向下的气流；所述余热回收段3呈中空状，余热回收段3的侧壁并由内至外依次设有第三金属内壁31、第三隔热层32及第三金属外壳33，在余热回收段3两对侧分别设有新风入口34和热风出口35，在余热回收段3的上部设有水平设置的第一换热管安装孔板36，在余热回收段3与废气预热段2之间设有水平设置的第二换热管安装孔板37；所述尾气罩4设于余热回收段的上方，在尾气罩4上设有尾气出口41；

所述换热管5为多根竖立设置，所述换热管5之间留有空隙51，所述换热管5分别穿过第一换热管安装孔板36和第二换热管安装孔板37，换热管5的上端开口露出第一换热管安装孔板36并位于尾气罩4中，换热管5的下端被耐火支承杆15所承托，相邻耐火支承杆15之间的间隙16小于换热管5的外径，换热管5下端开口与纵向耐火支承杆15之间的间隙16连通，换热管5的垂直投影全部落入燃烧段1内腔的投影面。

在本实施例中，所述换热管5由具有耐火性并同时具有优良换热性能的无机材料制成。

在本实施例中，所述耐火支承杆15为刚玉陶瓷材质制成的板条或圆棒或圆管。

在本实施例中，所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3和尾气罩4的截面呈六边形。

在本实施例中，所述燃烧段1、废气预热段2、余热回收段3和尾气罩4依次紧密连接。

在本实施例中，所述加热器16是燃气燃烧器。

在本实施例中，所述换热管5外壁与第一换热管安装孔板36和第二换热管安装孔板37的孔壁之间的间隙被密封。

在本实施例中，所述废气预热段2上方周围设有两个废气入口24，废气入口24可接收从外部管道输入的废气向下流经各换热管5之间的空隙51和耐火支承杆15之间的间隙16后，从换热管5下端口进入并往上流动从出尾气罩4的尾气出口41流出。

在本实施例中，所述余热回收段3呈中空状并由内至外包括金属内壁31、隔热层32和金属外壳33，所述的余热回收段3两对侧分别设有新风入口34和热风出口35，外部空气可通过外部风机的驱动从新风入口34进入后流经各换热管5之间的空隙51后从热风出口35流出。

在本实施例中，所述的废气入口24其输入废气可以来自每个废气入口独立连接的废气管道，也可以来自同一条总废气管道的不同接口，该总废气管道可以是直管道或环形管道。

实施例2适用于型号较大的产品设计，采用了燃气燃烧器，可获得更大的加热功率并减少电力负载。换热管采用耐温性和抗热震性更高的石英；俯视结构中的外壳及内腔采用六边形，使较大尺寸的结构加工变的容易；如图6所示废气预热段2上方周围设有三个相互呈120°位置关系的废气入口24，废气从这些入口进入焚烧炉处理，废气从三个平均分布位置的入口进入其气流分布更均匀，也同时形成旋转向下的废气流动路径；耐火支承杆材质为刚玉陶瓷材质，同样具有耐高温性能和良好的结构强度。

根据产品的不同型号、不同工况和不同应用场合选用换热管的参数范围：

换热管外径为20-50mm，换热管总长度为3-10米，所有换热管在炉腔内的管外圆总截面积的占空比为25-50%，位于余热回收段3内的换热管3长度占其总长度的15-30%，加热器所在空间的净空高度为300-900mm。

本发明所采用的耐火材料可以是耐火砖、耐火陶瓷板或耐火型材。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。