CN101581449B - 一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴及其应用，属燃烧气体燃料的燃烧器领域。主要由一次空气通道、生物质气通道、耐火材料、钢结构件和固定件组成，耐火材料和钢结构件使得各通道的管路固定并成为一个整体，固定件将烧嘴与炉墙连接，其特征在于还设置有二次空气通道和天然气通道，在烧嘴中同一圆半径上的天然气通道和生物质气通道相交成30度角，一次空气通道和生物质气通道相交成65度角，二次空气通道最终与中心的生物质气通道平行。本发明的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴通过采用分次送空气的方法，NOx排放量减少30％左右，有效降低了大气污染，可应用于冶金、化工、机械、建材等领域的工业炉窑。

Description

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴及其应用

技术领域

本发明涉及一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴及其应用，属燃烧气体燃料的燃烧器领域。

背景技术

生物质作为一种新能源越来越受到能源领域的广泛重视，生物质能的转换技术主要包括直接燃烧、热化学转换和生物转换，生物质热化学气化是重要的能源转换形式，是将生物质有机燃料在高温下与汽化剂作用而获得合成气，运行温度控制在650～850℃，生物质气化后的可燃气中包括N₂、O₂、H₂、CO₂、CO、CH₄和C_nH_m等成分，气体热值在4600～6300kJ/Nm³之间，热值较低，生物质气化气单独燃烧火焰不稳定，火焰刚性差。天然气作为常规能源，是一种优质的气体燃料，气体热值在33440～41800kJ/Nm³之间，由于储藏量小，应合理利用有限资源。天然气中CH₄含量大，密度小，在燃烧时组织火焰和燃烧技术上必须采用相应的措施，以保证充分发挥天然气的作用。

NOx作为一种大气污染物，对人体的危害大，主要来自燃料燃烧。NOx生成的条件是高温和富氧，避开温度过高和过剩空气系数大在同一区域同时出现，可有效抑制NOx生成。

专利内容

本发明的技术原理

二次风技术指在主燃区顶层燃烧器的上部一段距离另设二次风喷口，使得部分二次风(通常为总二次风量的20％左右)通过此喷口喷入炉膛。它的技术原理为将燃烧用的空气分两阶段送入，首先将总空气量按一定比例从主燃区燃烧器送入炉膛，使燃烧在该区域处于缺氧状态，从而降低燃烧速度和燃烧温度，生成CO；而且燃料中的挥发分氮分解生成大量的HN、HCN、NH₃及NH₂等，它们或相互复合生成N₂或与已生成的NOx发生还原反应，因而抑制了NOx的生成。然后，将燃烧用空气的剩余部分以二次风送入炉膛以使燃料进入空气过剩区域而燃尽。在该区域由于火焰温度较低，所以也不会生成大量的NOx，因而总的NOx生成量是下降的。

本发明把生物质气(新能源)和天然气(常规能源)利用结合起来，在充分利用新能源的基础上，提高燃料的发热量，提高火焰的燃烧能力和刚性，在规定的负荷变化范围(调节比)内保证火焰的稳定，既不脱火，也不回火；并能保证在规定的负荷条件下燃料的完全燃烧；通过避免高温和富氧区域集中，采用分次送空气的方法，减少NOx的生成和排放。

本发明的技术方案

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，主要由4根截面圆周上呈均匀分布的一次空气通道3、截面圆中心的1根生物质气通道5、耐火材料6、钢结构件7和固定件8组成，耐火材料6和钢结构件7使得各通道的管路固定并成为一个整体，固定件8将烧嘴与炉墙1连接，其特征在于还设置有分别与一次空气通道3分布相同4根二次空气通道2和4根天然气通道4，一次空气通道3、二次空气通道2、天然气通道4及生物质气通道5入口在端面圆的同一半径上，且在烧嘴中天然气通道4和生物质气通道5相交成30度角，一次空气通道3和生物质气通道5相交成65度角，二次空气通道2最终与中心的生物质气通道5平行。

其中耐火材料6为由粗骨料、细骨料、高铝细粉和矾土水泥组成的耐火混凝土，生物质气通道5、天然气通道4、一次空气通道3及二次空气通道2预埋在耐火材料6中。

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴的使用方法，包括如下步骤：

(1)、烧嘴与工业炉窑的连接

将生物质气天然气混烧低NOx烧嘴通过固定件8与工业炉窑的炉墙1连接固定好烧嘴；

(2)、燃料和空气输入管道的连接

将生物质气化炉或生物质气储存罐通过管道与烧嘴的生物质气入口5连接；将天然气管道或天然气储存罐通过管道与烧嘴的天然气入口4连接；将两根空气管道连接风机分别与一次空气入口3、二次空气入口2连接；这四根管道分别设置阀门和流量计；

(3)、炉内燃料的不完全燃烧

生物质气从生物质气通道5进入烧嘴，天然气从天然气通道4进入烧嘴，生物质气和天然气的混合气体沿着生物质气管道5继续前进，与一次空气3强制混合，混合后的气体受到来自炉膛的辐射热量，当温度达到650℃后，天然气与生物质气及一次空气混合燃烧，在火焰喷出区域燃料不完全燃烧，形成还原性气氛区域即形成还原燃烧区9；

其中一次空气的压力控制为2000Pa左右，理论空气需要量根据气体燃料的元素百分含量和过量空气系数计算所得理论空

气需要量Q＝4.986m³/h，一次空气的供给量为理论空气需要量的70％；

其中生物质气的压力为800Pa左右和流速为6m/s左右；生物质气的主要成分是N₂、O₂、H₂、CO₂、CO、CH₄和C_nH_m，各成分的体积比例分别为N₂∶O₂∶H₂∶CO₂∶CO∶CH₄∶C_nH_m＝51.86％∶0.79％∶12.15％∶15.36％∶18.08％∶1.38％∶0.38％；

其中天然气的压力为800Pa左右和流速为9m/s左右；

(4)、炉内燃料的完全燃烧

一次空气通入的同时也通入二次空气，二次空气的压力控制为2000Pa左右，其流量控制由理论空气需要量决定，二次空气的通气量为理论空气需要量的30％，使不完全燃烧的燃料燃烧干净，即形成氧化燃烧区10。

生物质气和天然气的混合燃烧可以避免了两种燃料单独燃烧的缺点，使得混合燃料的热值适中(单独燃烧生物质气热值低，单独燃烧天然气热值高)，火焰刚性好，燃烧稳定，并可以自动增碳，提高火焰的辐射能力。

一次空气，即燃烧混合气体的空气从一次空气通道3进入，与可燃气体相遇，温度达到着火点后助燃，一次空气的供给量不要太大，一般为理论空气需要量的70％，在火焰喷出区域燃料不完全燃烧，燃料过量，形成还原性气氛区域即还原燃烧区9，抑制NOx的生成和排放，部分燃料没有燃烧，如果直接进入烟道，会增加气体不完全燃烧损失，因此，在火焰的四周从二次空气通道2通入二次空气即燃尽燃料所用的空气，其目的是使未燃烧的燃料燃烧干净区域即氧化燃烧区10，提高燃料利用率，二次空气流量有严格的规定，流量过小，不足以燃尽燃料，造成气体不完全燃烧损失；流量过大，增加了氮气的体积，空气中79％是氮气，并不参与燃烧化学反应，白白在炉中走了一趟，带走了大量的热量，提高了排烟损失，减小炉窑的效率。

通过一次空气和二次空气人为地设置还原区和氧化区，不同时满足NOx生成的条件(高温和富氧)，有效减少NOx的生成和排放。

还原区域温度高，但氧量不足，属于欠氧燃烧；氧化区域氧量高，是氧化性气氛，但区域温度较低。这种设计的烧嘴，混合气燃烧后NOx排放量可以减少30％左右。

生物质气和天然气以30度角混合，混合效果好；混合燃料与一次空气呈65度角喷入混合，混合效果好，增加了燃料气体的扰动；混合气体与一次空气混合后，达到着火点燃烧，形成还原性燃烧区域，二次空气与炉墙垂直喷入，在还原区域外围形成氧化燃烧区域。

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴的应用

本发明的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴可应用于冶金、化工、机械及建材等领域的工业炉窑。

本发明的技术效果

生物质气化气热值较低，燃烧不稳定，天然气辅助燃烧可以使火焰具有一定的方向、外形和刚性，合理组织燃烧；但由于混合燃料燃烧会形成局部区域高温和空气混合不均造成的局部富氧燃烧，使得NOx的排放量较高，通过本发明的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴的一次空气和二次空气人为地设置还原区和氧化区，不同时满足NOx生成的条件(高温和富氧)，有效减少NOx的生成和排放。还原区域温度高，但氧量不足，属于欠氧燃烧；氧化区域氧量高，是氧化性气氛，但区域温度较低。这种设计的烧嘴，混合气燃烧后NOx排放量可以减少30％左右，从而降低了对大气的污染。

附图说明

图1、主剖视图

图2、俯剖视图

图3、左视图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行阐述，但并不限制本发明。

实施例1

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴

本实施例借助工业炉窑原有烧嘴拆除留下的位置，用新烧嘴代替原来烧嘴，烧嘴外燃料和空气管路比原来的配置复杂些。保留原烧嘴的气体燃料管道，通生物质气，再平行接一条气体燃料管道，通天然气；保留原来的空气管道通一次空气，再平行接一条空气管道，通二次空气；即分别增加了一条气体燃料管道和空气管道。

取下工业炉窑的原常规烧嘴，在炉墙上留下的位置可以放置生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，生物质气天然气混烧低NOx烧嘴由耐火混凝土和钢结构组成，整体性强。生物质气天然气混烧低NOx烧嘴与周围炉墙用耐火混凝土浇筑为一体，并且用预设固定件固定。

生物质气天然气混烧低NOx烧嘴的排列布置要根据工业炉窑的温度场、压力场和加热制度而定，可以分布在侧墙和端墙上，可以错位布置和平行布置。

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴的应用

一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴还停留在实验室阶段，当混合气体(热值为24000kJ/Nm³)的流速为15m/s时，过量空气系数为1.1时，不设置二次空气与设置二次空气的NOx排放浓度分别为356ppm和247ppm左右。

Claims (4)

1.一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，主要由4根截面圆周上呈均匀分布的一次空气通道(3)、截面圆中心的1根生物质气通道(5)、耐火材料(6)、钢结构件(7)和固定件(8)组成，耐火材料(6)和钢结构件(7)使得各通道的管路固定并成为一个整体，固定件(8)将烧嘴与炉墙(1)连接，其特征在于还设置有分别与一次空气通道(3)分布相同的4根二次空气通道(2)和4根天然气通道(4)，一次空气通道(3)、二次空气通道(2)、天然气通道(4)及生物质气通道(5)入口在端面圆的同一半径上，且在烧嘴中天然气通道(4)和生物质气通道(5)相交成30度角，一次空气通道(3)和生物质气通道(5)相交成65度角，二次空气通道(2)最终与中心的生物质气通道(5)平行。

2.如权利要求1所述的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，其特征在于其耐火材料(6)为由粗骨料、细骨料、高铝细粉和矾土水泥组成的耐火混凝土，生物质气通道(5)、天然气通道(4)、一次空气通道(3)及二次空气通道(2)预埋在耐火材料(6)中。

3.一种如权利要求1所述的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，其特征在于其使用方法包括如下步骤：

(1)、烧嘴与工业炉窑的连接

将生物质气天然气混烧低NOx烧嘴通过固定件(8)与工业炉窑的炉墙(1)连接固定好烧嘴；

(2)、燃料和空气输入管道的连接

将生物质气化炉或生物质气储存罐通过管道与烧嘴的生物质气入口(5)连接；将天然气管道或天然气储存罐通过管道与烧嘴的天然气入口(4)连接；将两根空气管道连接风机分别与一次空气入口(3)、二次空气入口(2)连接；这四根管道分别设置阀门和流量计；

(3)、炉内燃料的不完全燃烧

生物质气从生物质气通道(5)进入烧嘴，天然气从天然气通道(4)进入烧嘴，生物质气和天然气的混合气体沿着生物质气管道(5)继续前进，与一次空气(3)强制混合，混合后的气体受到来自炉膛的辐射热量，当温度达到650℃后，天然气与生物质气及一次空气混合燃烧，在火焰喷出区域燃料不完全燃烧，形成还原性气氛区域即形成还原燃烧区(9)；

其中一次空气的压力控制为2000Pa左右，理论空气需要量根据气体燃料的元素百分含量和过量空气系数计算所得Q＝4.986m³/h，一次空气的供给量为理论空气需要量的70％；

其中生物质气的压力为800Pa左右和流速为6m/s左右；生物质气的主要成分是N₂、O₂、H₂、CO₂、CO、CH₄和C_nH_m，各成分的体积比例分别为N₂∶O₂∶H₂∶CO₂∶CO∶CH₄∶C_nH_m＝51.86％∶0.79％∶12.15％∶15.36％∶18.08％∶1.38％∶0.38％；

其中天然气的压力为800Pa左右和流速为9m/s左右；

(4)、炉内燃料的完全燃烧

一次空气通入的同时也通入二次空气，二次空气的压力控制为2000Pa左右，其流量控制由理论空气需要量决定，二次空气的通气量为理论空气需要量的30％，使不完全燃烧的燃料燃烧干净，即形成氧化燃烧区(10)。

4.一种如权利要求1所述的一种生物质气天然气混烧低NOx烧嘴，其特征在于可用于冶金、化工、机械及建材领域的工业炉窑。

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