CN103528059A

CN103528059A - 工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器

Info

Publication number: CN103528059A
Application number: CN201310558910.7A
Authority: CN
Inventors: 钱程
Original assignee: HARBIN QIANCHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: HARBIN QIANCHENG TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明涉及一种工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器，包括一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道、回流烟气入口管道和烟气旋流器，一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道和回流烟气入口管道同轴，一次氧气入口管道位于最内层，一次氧气入口管道外面套有燃料入口管道，燃料入口管道外面套有二次氧气入口管道，二次氧气入口管道外面套有回流烟气入口管道，回流烟气入口管道与二次氧气入口管道之间安装有旋流片。本燃烧装置燃料适应性广，燃烧速度快，效率高，辐射力强，火焰调节性能好，温室气体和氮氧化物生成量少，可以满足该锻造炉的多种加热要求，而且可以大幅度节能，且具有良好的环保性能。

Description

工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器

技术领域

本发明涉及工业炉窑燃烧器，具体涉及一种工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器。

背景技术

燃烧是目前人类获取能量的一个最主要的手段, 通过燃烧矿物燃料所获取的能量占世界总能量消耗的百分之九十以上。因此, 燃烧过程组织得合理与否在很大程度上影响到能源的利用程度和能耗的降低。在人类大量燃烧利用矿物质燃料的同时,产生了大量的温室气体和酸性气体, 是全球环境恶化的重要影响因素。21世纪人类面临的最大课题是能源和环境问题, 特别是像我国这样一个人口多、人均资源少, 正在发展工业化的发展中国家来说, 能源和环境问题更为突出。中国是一个能源并不富裕的国家, 节能降耗至关重要。为确立节能的战略地位, 我国已经把节约资源提升到基本国策的高度, 并努力建设节约型社会, 实现可持续发展。鉴于我国的现实情况, 燃料消耗量较大, 因而迫切需要加强燃烧的理论研究, 提高燃烧组织的技术水。燃烧的实现以及在工业领域的应用都要通过燃烧器来实现。

燃烧器是一种将燃料和助燃剂按照一定的方式混合并使其发生燃烧，释放出热能的设备。工业领域的燃烧器也叫烧嘴，一般指将燃料和空气，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火与燃烧的装置。工业炉窑用的燃烧器种类很多，但是不管什么形式，必须得满足以下基本要求：（1）在规定的热负荷条件下能保证燃料的完全燃烧；（2）具有足够的燃烧能力和一定的调节比，燃烧过程要稳定，能向炉膛内连续供热；（3）火焰的温度、方向、外形、刚性和铺展性等特性要符合加热工艺的要求；（4）结构简单、调节灵活，维修方便，运行平稳，坚固耐用；（5）燃烧产物和运行噪音等符合环保要求。燃烧器根据其不同的属性，具备多种分类方式。现阶段，工业领域常用的燃烧器及其分类方法有：

一、按照燃烧前空煤气的混合情况，可分为有焰烧嘴、无焰烧嘴和半无焰烧嘴；

二、按照火焰形状可分为直焰烧嘴、平焰烧嘴等；

三、按照燃气压力可分为低压烧嘴（燃气压力在5000Pa以下）和高中压烧嘴（燃气压力在5000Pa以上）；

四、按照燃料的发热量分为高发热量烧嘴（如重油烧嘴、天然气烧嘴、石油气烧嘴等）、中发热量烧嘴（如混合煤气烧嘴、转炉煤气烧嘴等）和低发热量烧嘴（如发生炉煤气烧嘴、高炉煤气烧嘴）；

五、按照空煤气预热形式分为常规烧嘴、自身预热式烧嘴和蓄热式烧嘴；

六、按照燃烧产物的喷射速度分为低速烧嘴(烧嘴出口速度50m/s)、亚高速烧嘴（烧嘴出口速度50m/s～80m/s）和高速烧嘴（烧嘴出口速度80m/s以上）；

七、按照助燃剂状况分为空气助燃烧嘴、高氧烧嘴及纯氧烧嘴。

近几年随着我国工业的快速发展，能源短缺和环境污染做为影响人类生存的重大问题已经越来越受到重视，因此燃烧领域新技术的和新产品的研究也日益广泛。在过去的十年里，在工业燃烧领域最风靡的新型燃烧技术当属高温空气弥散燃烧，也即蓄热式燃烧技术。该技术实现的核心设备是蓄热式烧嘴，它通过在烧嘴内部放置蓄热性能优良的陶瓷蜂窝体（一般为莫来石和堇青石），对炉内烟气的热量进行极限回收（一般可将炉内烟气温度降低到150度左右），回收的热量用来预热助燃空气，可将其预热到1000度左右。这种烧嘴首先极大的回收了离炉烟气的显热，其次由于高温空气改变了烧嘴的燃烧特性，实现了炉内贫氧弥散式燃烧，不仅节约了燃料，而且极大的抑制了NOx的生成。相对于普通常规烧嘴，蓄热式烧嘴的节能环保的优势非常显著，因此近几年蓄热式燃烧系统在冶金工业炉领域得到了广泛的应用。然而，人类的燃料资源是有限的，随着我国工业规模的不断扩大，燃料需求也不断增大，将有限的资源最大化的转化为工业所需的能量和动力是人类科学研究和工程应用的永久课题。

高氧空气助燃是近代燃烧的重要节能技术之一。它能够降低燃料的燃点, 加快燃烧速度、促进燃烧完全、提高火焰温度、减少燃烧后的烟气量、提高热量利用率和降低过量空气系数, 被发达国家称之为资源创造性技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器，该燃烧器为一种功率和火焰特性可以灵活调节的高氧（也可以用全氧助燃）燃烧器。

它的结构包括一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道、回流烟气入口管道、烟气旋流器、烧嘴安装版及烧嘴砖。

本发明采用如下技术：工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器，包括一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道、回流烟气入口管道和烟气旋流器，一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道和回流烟气入口管道同轴，一次氧气入口管道位于最内层，一次氧气入口管道外面套有燃料入口管道，燃料入口管道外面套有二次氧气入口管道，二次氧气入口管道外面套有回流烟气入口管道，回流烟气入口管道与二次氧气入口管道之间安装有旋流片。

本燃烧器还包括烧嘴安装板和烧嘴砖，回流烟气入口管道外面安装有烧嘴安装板，烧嘴安装板与烧嘴砖连接。

该燃烧装置用在锻造加热炉上，即使用热值比较低的煤气也可以实现高温加热，满足锻造加热炉的要求。锻造台车加热炉装炉工件尺寸和材质的变化比较大，因此要求烧嘴可以实现多种热工制度，本燃烧装置燃料适应性广，燃烧速度快，效率高，辐射力强，火焰调节性能好，温室气体和氮氧化物生成量少，可以满足该锻造炉的多种加热要求，而且可以大幅度节能，且具有良好的环保性能。它的结构包括一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道、回流烟气入口管道、烟气旋流器、烧嘴安装版及烧嘴砖。

该燃烧装置用在锻造加热炉上，即使用热值比较低的煤气也可以实现高温加热，满足锻造加热炉的要求。锻造台车加热炉装炉工件尺寸和材质的变化比较大，因此要求烧嘴可以实现多种热工制度，本燃烧装置燃料适应性广，燃烧速度快，效率高，辐射力强，火焰调节性能好，温室气体和氮氧化物生成量少，可以满足该锻造炉的多种加热要求，而且可以大幅度节能，且具有良好的环保性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

本实施例是用于锻造台车加热炉的多功能分步高氧燃烧器。下面结合图1介绍一下它的主要结构和各部分功能。

一次高氧空气（纯氧）入口管道1：这部分由普碳钢管道和法兰焊接而成，是一次助燃高氧空气或纯氧进入烧嘴的通道，管道上面设有自动控制阀门和手动阀门，可以通过调节一次空气的流量来调节火焰特性。一次高氧空气通道靠近炉膛的端头采用耐热钢。

燃料入口管道2：这部分由普碳钢管道和法兰焊接而成，是烧嘴燃料的入口通道。管道上面设有电动调节阀门和手动阀门，可以通过调节烧嘴流量来控制烧嘴的功率。燃料喷枪的靠近炉膛部分采用耐热钢。

二次高氧空气入口管道3：这部分由普碳钢管道和法兰焊接而成，是二次助燃高氧空气或纯氧进入烧嘴的通道，管道上面设有自动控制阀门和手动阀门，可以通过调节二次空气的流量来保证合理的空燃比，保证燃料充分燃烧，通过一次和二次高氧空气的联合调节可以调节火焰的形状和热工特性。二次高氧空气靠近炉膛端采用耐热钢。

回流烟气入口管道4和旋流器5：这部分入口管道由耐热钢管道和法兰焊接而成，烟气管道上设有耐热钢调节阀门，可以调节烟气流量。旋流器也是耐热钢材质，由管道进入的回留烟气经旋流器后变成高速的螺旋状气体进入炉膛，一方面可以调节火焰，另一方面可以冷却烧嘴端头的耐热钢。

烧嘴安装版6：烧嘴安装版由普碳钢制作而成，它和炉子钢结构用螺栓连接，用来支撑整个烧嘴的重量，并保证烧嘴和炉膛的密封。

烧嘴砖7：烧嘴砖由莫来石浇注料浇筑而成，它的作用是为空煤气提供进入炉膛的通道并合理的组织火焰。

本文的实施例只是多功能分步高氧燃烧器在台车锻造加热炉上的应用。它还可以应用在各种以煤气为燃料的工业炉窑上面。

实施例2

本燃烧器的燃料适合用范围包括高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、混合煤气、电石炉气、发生炉煤气（经净化的冷发生炉煤气）及天然气等。如果用液体燃料如重油等，需另配油雾化装置，如果用煤粉，则需进一步修改燃料通道的结构。本燃烧装置的助燃剂尤其适用氧气的体积含量高于21%的高氧空气及纯氧。本燃烧装置的回流烟气一般为方便起见采用炉膛内已经燃烧过的烟气，烟气可以在炉外通过换热器回收一部分显热，用来预热助燃高氧空气。该燃烧器的功率大小及火焰长短可以自由调节，适用于室式炉、台车炉、辊底炉、推钢炉、步进炉、均热坑、罩式炉、焙烧炉、坩埚炉、玻璃窑、梭式窑、隧道窑、回转窑等各种加热和热处理设备，可以安装在炉窑侧墙、端墙或者顶部。

本发明的一个特色是该燃烧装置的助燃剂为高氧空气或纯氧，并分级供入。总的来讲，相对于普通空气燃烧，高氧燃烧有以下优势：

1、高火焰温度和黑度，增强了火焰的辐射加热能力；

2、氧浓度的提高加快了燃烧速度，促进了燃烧安全。

3、氧浓度的提高有利于降低燃料的燃点温度和减少燃尽时间。

4、降低过量空气系数，减少燃烧后的烟气量。

5、烟气中CO₂浓度的提高有利于其捕集和封存，相对其它温室气体控制技术更有竞争力；

7、燃烧产物中NOx的大大减少；

8、总体烟气排放量大大减少；

9、为整合其它污染物的控制，提供了一条新的途径

普通的烧嘴以空气作为助燃剂。空气中氧气的体积含量大约21%，氮气的体积含量大约79%，燃烧过程中，21%的氧气是有效利用的助燃剂，而71%的氮气不但对于燃烧无所助益，而且要带走大量的热量，生成污染环境的氮氧化物。使用本燃烧装置进行高氧或纯氧燃烧能有效的减小普通空气助燃中氮气的负面作用，加快燃烧速度，减少燃烧时间、减少烟气排放量、减少助燃空气管道及烟道管道金属的投资成本。1984年，长治钢铁集团四分厂复合中小型车间, 采用天然气作为燃料, 对轧钢加热炉进行了近一个月高氧试验, 高氧2%左右, 产量提高了15% - 20%。2001年，宝山钢铁公司针对环形加热炉进行高氧燃烧的数值模拟, 模拟结果表明, 如果采用高氧30% 的空气, 燃耗可降低6%, 采用高氧40%的空气, 燃耗可降低10%。燃烧过程是空气中的氧参与燃料氧化并同时发出光和热的过程。热传递一般通过辐射、传导和对流三种方式传递。辐射换热是700度以上工业炉窑换热的主要方式之一,按气体辐射特点, 只有三原子和多原子气体具有辐射能力, 原子气体几乎无辐射能力。因此烟气的黑度很低, 影响了烟气对炉料辐射换热面的传热。高氧助燃技术因氮气量减少, 空气量及烟气量均显著减少, 故火焰温度和黑度随着燃烧空气中氧气比例的增加而显著提高, 进而提高火焰辐射强度和强化辐射传热。另外高氧燃烧由于使用的助燃剂氧浓度较高，使得烟气排放量大为降低，烟气中二氧化碳的浓度提高，有利于二氧化碳的收集和封存，从而进一步减少温室气体的排放。碳捕集与封存（Carbon Capture and Storage，简称CCS，也被译作碳捕获与埋存、碳收集与储存等）是指将大型发电厂或钢铁企业所产生的二氧化碳（CO2）收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。具体来讲碳的捕集有三种方法：燃烧前捕集（Pre-combustion）、高氧燃烧（Oxy-fuel combustion）和燃烧后捕集（Post-combustion）。然而，普通烟气的压力小体积大，CO2浓度低，而且含有大量的N2，因此捕集系统庞大，耗费大量的能源。高氧燃烧通过制氧技术，将空气中大比例的氮气（N2）脱除，直接采用高浓度的氧气（O2）与抽回的部分烟气（烟道气）的混合气体来替代空气，这样得到的烟气中有高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。因此，采用本燃烧装置不但能实现节能降耗，还能收到良好的附加效益：实现二氧化碳的有效捕集，减少温室气体的排放。本燃烧装置的供养通道为两通道分级供养，中间一次供养通道提供的高氧空气或纯氧和燃料混合进行一次燃烧，二次供养通道提供的高氧空气和燃料进行二次燃烧，两次燃烧中间形成了燃料富集区，可以促进燃料热分解，有效提高火焰的亮度，增强火焰的辐射传热能力。另外中间通道的一次氧气可以灵活调节，通过控制一次供氧量可有效调节火焰的形状和燃烧速度，以满足不同的加热工艺要求。二次供养量作为辅助调节手段，保证燃料充分燃烧和火焰的温度均匀性。

本燃烧装置的另一个特色是设有回流烟气通道。评价一个燃烧器的优劣不仅要看它本身的性能，而且要看它适应工况的灵活性和对工艺要求的符合程度。目前工程上的绝大多数炉窑按照普通空气助燃的火焰特性来考虑整个加热或热处理工艺，在进行高氧或纯氧燃烧时，火焰燃烧特性的改变有时即使燃烧器的指标评价上来讲是进步的，但是对于炉膛加热工艺的要求却未必是合适的，这就需要高氧燃烧烧嘴的火焰特性可以灵活调节，本燃烧装置的回流烟气通道正是为此而设。比如，在700度以下低温热处理炉加热时，炉内的热传递以对流传热为主，辐射传热为辅，这就需要高温烟气由一定的气流量和速度才能充分对流传热，此时可以把已然排出炉外的废气部分回流，再引入烧嘴里面，改变烧嘴的气流量和火焰特性。由于高氧烧嘴相对普通烧嘴火焰温度较高，因此烧嘴靠近炉膛的燃料出口部位长期工作在高温环境下，很容易烧损，严重影响烧嘴的寿命，因此高氧烧嘴的喷口冷却是制约烧嘴寿命的重要技术难点。本装置使用了回流烟气，并在回流烟气出口加装了旋流器，在调节火焰特性的同时，对烧嘴头部进行了冷却，有效的保护了烧嘴。

本燃烧装置的常规使用工况是一次高氧空气和二次高氧空气的氧气体积百分数为21%～100%，温度为常温到250度，压力不低于2.5KPa；煤气的温度为常温到250度，压力不低于2.5KPa。火焰的功率调节幅度宽，调节比可达1：10。火焰的直径和长度要根据不同的空煤气状态参数来核算。另外在没有高氧空气的情况下，本燃烧装置还可以作为普通的调焰烧嘴来使用。因此本装置可谓是一种适应性非常广泛的多功能的燃烧装置。

Claims

1.工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器，包括一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道、回流烟气入口管道和烟气旋流器，其特征在于：一次氧气入口管道、燃料入口管道、二次氧气入口管道和回流烟气入口管道同轴，一次氧气入口管道位于最内层，一次氧气入口管道外面套有燃料入口管道，燃料入口管道外面套有二次氧气入口管道，二次氧气入口管道外面套有回流烟气入口管道，回流烟气入口管道与二次氧气入口管道之间安装有旋流片。

2.根据权利要求1所述的工业炉窑用多功能分步高氧燃烧器，其特征在于：还包括烧嘴安装板和烧嘴砖，回流烟气入口管道外面安装有烧嘴安装板，烧嘴安装板与烧嘴砖连接。