CN101603682A - 燃烧嘴的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴 - Google Patents

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Abstract

一种燃烧嘴的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，通过缓和使用低发热量燃料时喷流的直线前进趋势，调节火焰长度，可实现最佳的炉内温度分布。所述高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴包括：将一次空气向炉内喷出的一次空气流路(14)；将二次空气向炉内喷出的二次空气流路(16)；设在一次空气流路(14)内、将燃料气体向炉内喷出的燃料供给管(28)；以及设在燃料供给管(28)前端部的火焰稳定件(30)，在燃料供给管(28)的前端设置有扩散片(29)，该扩散片(29)使燃料气体朝着从一次空气流路(14)向炉内喷出的一次空气扩散。

Description

燃烧嘴的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴
技术领域
本发明涉及一种可对使用低发热量燃料的工业炉用燃烧嘴的火焰长度进行调整的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴。
背景技术
以往，作为实现N0x的抑制和炉内温度分布均匀化的技术，例如在专利文献1公开了一种如图8所示的低NOx燃烧方法，在炉壁40上设置由具有燃料供给管42和燃烧用空气流路43的燃烧嘴部51以及收纳有蓄热体52a的蓄热室52构成的蓄热式直焰燃烧嘴41，并通过从所述燃料供给管42和燃烧用空气供给口44将燃料46和燃烧用空气48分别向炉内50喷出来进行缓慢燃烧。
在该低NOx燃烧方法中，使燃料46的喷出轴47相对于燃烧用空气喷出轴49以规定角度α(5～45°)向外侧倾斜，使燃料46的喷出速度成为60m/sec以上，700℃以上的高温的燃烧用空气48和燃料46各自的主流部以彼此不重叠的形态向炉内50喷出，一边抑制燃料46与燃烧用空气48的混合一边使炉内排气在燃料46和燃烧用空气48的喷出流中分别自我再循环，从而维持缓慢的燃烧状态，抑制NOx。
然而，在上述燃烧方法中，在燃料46与燃烧用空气48直接混合之前，利用各流体的喷出运动量来使炉内排气自我再循环，从而在炉内空间中进行缓慢燃烧。即，存在于炉内空间中的燃烧气体是由未反应的燃料、有助于燃烧的之前的燃烧用空气、燃烧反应过程中的中间生成物以及燃烧排气构成的混合气体，因此，未反应的未燃气体不但使未图示的吸引排气动作中的蓄热式直焰燃烧嘴内部的蓄热体过热，而且使热效率下降。另外，在处于800℃以下(燃料的自点火温度以下)的低炉温时，只要不设置辅助燃烧嘴，就无法继续燃烧。
因此，本申请的发明人提出了一种高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，包括：隔开规定距离地形成一次空气流路和二次空气流路的燃烧嘴砖；安装在所述燃烧嘴砖后端部、内部具有二次空气供给管的风箱；设在所述风箱内、前端部突出到所述一次空气流路内的燃料供给管；以及设在所述燃料供给管前端部的火焰稳定件，来自所述燃料供给管的燃料的喷出方向相对于所述二次空气流路的中心轴平行或向内侧倾斜(专利文献2)。
这种高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴可获得长火焰，火焰的辐射强度增加，可实现炉内温度分布的均匀化并降低NOx产生量。
但是，当在这种高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴中使用炼焦炉煤气和高炉煤气的混合气体等低发热量燃料(500～4000kcal/m3N)时，由于为获得需要的燃烧量而以大流量进行喷射，因此喷流的势头很难衰减。而且，低发热量燃料一般很难燃烧。因此，火焰会变得过长，从而产生炉内温度分布不能变得均匀的问题。
专利文献1：日本专利特许第3052262号公报
专利文献2：日本专利特开2002-303406号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种可通过缓和使用低发热量燃料时的燃料喷流的直线前进趋势、调节火焰长度来实现最佳的炉内温度分布的燃烧嘴的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴。
为了解决上述技术问题，在本发明的燃烧嘴的燃烧方法中，从燃料供给管将燃料气体向炉内喷出，从该燃料供给管周围的一次空气流路将一次空气向炉内喷出并使其与所述燃料气体混合而形成一次火焰，另一方面，从一次空气流路附近的二次空气流路将二次空气向炉内喷出并使其与所述一次火焰接触而形成二次火焰，使从所述燃料供给管向炉内喷出的燃料气体朝着从所述一次空气流路向炉内喷出的一次空气扩散。
另外，本发明的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴包括：将一次空气向炉内喷出的一次空气流路；将二次空气向炉内喷出的二次空气流路；设在所述一次空气流路内、将燃料气体向炉内喷出的燃料供给管；以及设在所述燃料供给管前端部的火焰稳定件，在所述燃料供给管的前端设置有扩散片，该扩散片使燃料气体朝着从所述一次空气流路向炉内喷出的一次空气扩散。
最好所述扩散片具有直径从所述燃料供给管的前端朝着炉内扩大的圆锥形状。
或者，最好所述扩散片具有覆盖所述燃料供给管前端的帽子形状，并具有供燃料气体朝着一次空气喷出的多个喷出孔。
最好所述扩散片可与使燃料气体朝着一次空气扩散的角度不同的扩散片更换。
采用上述技术方案所构成的本发明的燃烧方法和高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，从燃料供给管喷出的直线前进趋势大的燃料气体会被扩散片朝着外侧的一次空气扩散，并在与外侧的二次空气急速混合后在燃烧嘴附近开始燃烧，因此，可形成短的火焰。
另外，通过将扩散片更换成使燃料气体朝着一次空气扩散的角度不同的扩散片，可形成与设备相应的最佳的火焰长度。
附图说明
图1是高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴的概略结构图。
图2是燃料供给管的扩散片的放大剖视图。
图3(a)、图3(b)分别是表示图2的扩散片的变形例的侧视图和后视图。
图4是表示扩散片的圆锥面的扩展角与火焰长度之间的关系的曲线图。
图5是对现有例和本发明的火焰形状进行比较的图。
图6是表示燃料供给管的扩散片的其它例子的放大剖视图。
图7是表示图6的扩散片的变形例的主视图。
图8是用于说明以往的低NOx燃烧方法的例子的图。
(符号说明)
10  高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴
12  燃烧嘴砖
14  一次空气流路
16  二次空气流路
18  风箱
20  对一次空气和二次空气的比例进行调节的调节阀
22  燃烧用空气供给口
24  控制电动机
26  二次空气供给管
28  燃料供给管
29  扩散片
30  火焰稳定件
31  支撑棒
32  肋条
33  扩散片
34  喷出孔
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。图1是本实施形态的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴10的概略结构图。该燃烧嘴10设置在炉壁2上，大致包括：隔开规定距离地形成一次空气流路(兼燃烧室)14和二次空气流路16的燃烧嘴砖12；安装在所述燃烧嘴砖12后端部上、内部具有二次空气供给管26的风箱18；设置在所述风箱18内、前端部突出到一次空气流路(兼燃烧室)14内的燃料供给管28；以及设置在所述燃料供给管28前端部上的多个火焰稳定件30。
所述风箱18的上部通过对一次空气和二次空气的比例进行调节的调节阀20(下面称作调节阀20)与燃烧用空气供给口22连通。调节阀20由控制电动机24来调节开度，由此来控制将燃烧用空气分配给一次空气和二次空气的分配比。例如，在处于燃料的自点火温度(例如为800℃)以下的低炉温时，将所述分配比调节成50∶50，在处于燃料的自点火温度以上的炉温时，将所述分配比调节成20∶80。
另外，也可从未图示的炉内温度调节计向所述控制电动机24发送开度信号来自动调节所述分配比。
从燃烧用空气供给口22与调节阀20之间分支出的二次空气供给管26的前端部与燃烧嘴砖12的二次空气流路16连结。
燃料供给管28的前端部突出到燃烧嘴砖12的一次空气流路(兼燃烧室)14内。另外，燃料的喷出速度按燃料的种类适当地设定，例如，对于作为燃料的一例的LPG类的燃料气体，设定成50m/sec，对于LNG类的燃料气体，设定成80m/sec，对于COG等副产气，设定成120m/sec。
在燃料供给管28的位于一次空气流路14内的前端部外周固定有火焰稳定件30。火焰稳定件30由旋转叶片或稳定器等构成，具有可使从一次空气流路14喷出的一次空气成为涡流的功能。
如图2所示，在燃料供给管28的前端通过拧入而设置有用于使燃料扩散的扩散片29。该扩散片29具有从燃料供给管28的前端朝着炉内扩大的圆锥形状，安装在插通燃料供给管28内部的支撑棒31的前端。扩散片29的圆锥面相对于燃料供给管28的中心轴成角度θ。另外，对于在燃料供给管28内具有中央空气供给管的结构，可在该中央空气供给管的前端、而不是支撑棒31的前端安装扩散片29。这种情况下，需要在扩散片29上设置供中央空气通过的孔。另外，扩散片29也可使用撑杆支撑在燃料供给管28的前端面、内壁、一次空气流路14的出口周围的燃烧嘴砖12的内壁上。
一次空气流路14和二次空气流路16的各中心轴14a、16a之间的距离L最好是二次空气流路16的直径d的2.0～3.0倍。这是因为，在不满2.0倍时，燃料和燃烧用空气(一次空气和二次空气)会在将燃烧嘴附近的炉内排气卷入之前急速混合，因此，NOx产生量会显著增加，相反，在超过3.0倍时，会与上述现有技术的低NOx燃烧方法存在的问题一样，燃料与燃烧用空气在炉内难以混合，燃烧变得不稳定，而且，CO等未燃烧成分会增加。
一次空气流量最好可调节成所需燃烧用空气流量的1/5～1/2。这是因为，从NOx的抑制和炉内温度分布的均匀化的观点出发，在炉调试(日文：立ち上ば)时和炉内温度达到规定温度时一次空气和二次空气的分配比不同。例如，在处于800℃以下(燃料气体的自点火温度以下)的低炉温时，将一次空气流量调节成所需燃烧用空气流量的1/2，在比所述自点火温度高时，将一次空气流量调节成所需燃烧用空气流量的1/5。
另外，在调节炉内温度分布时，若想要提高燃烧嘴附近的温度，则例如可将所述分配比调节成40∶60来增加一次空气流量，促进燃烧嘴附近的燃烧，若想要提高燃烧嘴远处的温度，则例如可将所述分配比调节成20∶80来减少一次空气流量，提高二次空气的喷出运动量，即加快二次空气的流速，使燃烧气体到达远处。
下面对高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴10的燃烧动作、即从低炉温时到升温至规定炉温的运行方法进行说明。
例如，作为燃料的一例的13A民用煤气(下面称作燃料气体)朝着燃料供给管28供给，并利用设于其前端的扩散片29以角度θ向周围扩散后喷出。
燃烧用空气从燃烧用空气供给口22进行供给，利用调节阀20将一次空气与二次空气之间的分配比调节成50∶50。即，被调节成所需燃烧用空气流量的1/2的一次空气从风箱18向一次空气流路14流动，在火焰稳定件30的作用下成为涡流，以覆盖从燃料供给管28喷出的燃料气体的周围的形态流出，并在由未图示的引燃燃烧嘴等点火装置点火后继续稳定燃烧。此时，一次空气例如一边被朝着以80m/sec的速度喷出的燃料气体逐渐诱导一边从一次空气流路14向炉内喷出，因此，一次空气和燃料气体在接触面上的彼此间的扩散极少。由此，一次燃烧成为局部燃烧，从而在从一次空气流路14向炉内喷出的一次燃烧火焰内会残留大量的未燃烧部分，其中被热分解的碳成分使火焰的亮度提高。
从一次空气流路14喷出的一次燃烧火焰与从二次空气流路16喷出的二次空气反应而进行二次燃烧。在炉温达到规定温度、例如800℃时，利用所述调节阀20将一次空气与二次空气之间的分配比调节成20∶80。即，一次空气减少为所需燃烧用空气流量的1/5，二次空气的比例增加，因此，二次空气的喷出速度成为100m/sec以上。接着，在二次空气搅拌炉内气氛的同时，一次燃烧火焰和二次空气在分别充分卷入炉内的排气后彼此接触而进行反应。其结果是，二次燃烧变慢而火焰本身的体积增大，同时，火焰的辐射强度增大，由此可形成温度比例和浓度比例小的均匀化的燃烧，可实现炉内温度分布的均匀化和NOx产生量的显著减少。另外，上述“浓度比例小”是指氧气、排气和未反应燃料以一定的分压比存在于火焰中的状态。
另外，在本实施形态的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴10中，由于在燃料供给管28的前端设置有扩散片29，因此，从燃料供给管28喷出的直线前进趋势大的燃料气体沿着扩散片29的圆锥面而向外侧的一次空气扩散，并在与外侧的二次空气急速混合后在燃烧嘴附近开始燃烧，从而可成为短火焰。
另外，由于扩散片29通过拧入而安装在支撑棒31上，因此，通过将该扩散片29更换成使燃料气体朝着一次空气扩散的角度θ不同的扩散片，可形成与设备相应的最佳火焰长度。
另外，如图3所示，还可通过在扩散片29的圆锥面上设置相对于母线g倾斜的肋条32或凹部，来使沿着扩散片29喷出的燃料气体旋转。这样一来，便可进一步促进燃料与一次空气的混合，形成更短的火焰。
图4表示的是扩散片29的圆锥面的扩展角θ与火焰长度之间的关系。可知，在扩展角为0°、即没有扩散片29的状态下，火焰长度为5m，但在使用具有扩展角为60°的圆锥面的扩散片29时，可使火焰缩短至大致一半。图5(a)表示的是专利文献2中记载的燃烧嘴所形成的以往的火焰形状，图5(b)表示本发明的火焰形状。
图6表示的是其它实施形态的扩散片33。该扩散片33具有覆盖燃料供给管28的前端的帽子形状，拧入燃料供给管28的前端面。扩散片33具有通过使燃料气体朝着一次空气喷出来使其扩散的多个喷出孔34。各喷出孔34的中心轴相对于燃料供给管28的中心轴成角度0。
采用该扩散片33，从燃料供给管28喷出的直线前进趋势大的燃料气体在流过扩散片33的多个喷出孔34后也会向外侧的一次空气扩散，并在与外侧的二次空气急速混合后在燃烧嘴附近开始燃烧，因此，可形成短火焰。
另外，由于扩散片33通过拧入而安装在燃料供给管28上，因此，通过将该扩散片33更换成使燃料气体朝着一次空气扩散的角度θ不同的扩散片，可形成与设备相应的最佳火焰长度。
另外，如图7所示，还可通过使扩散片33的各喷出孔34的中心轴相对于法线n倾斜，来使从喷出孔34喷出的燃料气体旋转。这样一来，便可进一步促进燃料与一次空气的混合，形成更短的火焰。
另外，在本实施形态的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴10中使用调节阀20将燃烧用空气分配给一次空气和二次空气，但也可设置与一次空气流路14和二次空气流路16分别通过流量控制阀连接的一次空气供给管和二次空气供给管，并通过分别调节所述各流量控制阀来设定一次空气和二次空气各自的流量。

Claims (5)

1.一种燃烧嘴的燃烧方法，从燃料供给管将燃料气体向炉内喷出，从该燃料供给管周围的一次空气流路将一次空气向炉内喷出并使该一次空气与所述燃料气体混合而形成一次火焰，另一方面，从一次空气流路附近的二次空气流路将二次空气向炉内喷出并使该二次空气与所述一次火焰接触而形成二次火焰，其特征在于，使从所述燃料供给管向炉内喷出的燃料气体朝着从所述一次空气流路向炉内喷出的一次空气扩散。
2.一种高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，其特征在于，包括：
将一次空气向炉内喷出的一次空气流路；
将二次空气向炉内喷出的二次空气流路；
设在所述一次空气流路内、将燃料气体向炉内喷出的燃料供给管；以及
设在所述燃料供给管前端部的火焰稳定件，
在所述燃料供给管的前端设置有扩散片，该扩散片使燃料气体朝着从所述一次空气流路向炉内喷出的一次空气扩散。
3.如权利要求2所述的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，其特征在于，所述扩散片具有从所述燃料供给管的前端朝着炉内扩大的圆锥形状。
4.如权利要求2所述的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，其特征在于，所述扩散片具有覆盖所述燃料供给管前端的帽子形状，并具有供燃料气体朝着一次空气喷出的多个喷出孔。
5.如权利要求2至4中任一项所述的高速喷流型扩散燃烧式燃烧嘴，其特征在于，所述扩散片可与使燃料气体朝着一次空气扩散的角度不同的扩散片更换。
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