CN101936530A

CN101936530A - 一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器

Info

Publication number: CN101936530A
Application number: CN 201010296302
Authority: CN
Inventors: 李金科; 徐红兵; 刘韫砚; 张建; 康翼; 安发亮; 张贤福; 孙建兵; 毛小亮
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Tianhua Institute of Chemical Machinery and Automation Co Ltd
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2011-01-05

Abstract

本发明提供了一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，主要由消音罩(1)、风道(2)、调风挡板(3)、风箱(4)、一级燃烧器(5)、二级燃烧器(6)、烧嘴砖(7)、长明灯(8)组成，其特征在于烧嘴砖(7)的空气流道(9)内设置有一级燃烧器(5)，一级燃烧器(5)为预混式燃烧器，采用烟气再循环技术，进一步降低NOx排放；还设置有二级燃烧器(6)，二级燃烧器(6)为扩散式燃烧器，由二级燃料进气管(17)、二级燃料喷嘴(18)组成。该气体燃烧器，采用了分级燃料燃烧技术、烟气再循环技术和多点分散燃烧技术，以降低燃料燃烧温度，以利于裂解炉内热场的均匀分布，并实现大能力燃烧和超低NOx排放，特别适合在裂解炉内作为底部燃烧器使用。

Description

一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器

技术领域

本发明涉及一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，特别是一种以燃料气为燃料的大能力、扁平长火焰、超低NOx气体燃烧器，特别适用于乙烯裂解炉上。

背景技术

燃料气与空气混合后进行燃烧，空气中的氧气与燃料气中的碳氢化合物进行燃烧反应并放出大量的热。但是在高温、氧过剩的条件下燃烧时，空气中的氮气将和空气中的氧气发生反应生成NOx。众所周知，在其它条件相同的情况下，NOx的生成量随着燃烧温度的升高而增大。NOx是对环境有危害的物质，通常认为NOx的排放与臭氧的减少及其他环境问题有关。

在NOx排放对环境的影响日益得到人们关心之前，通常所有类型的火焰加热炉都采用单级燃烧器，同目前使用的低NOx燃烧器相比，这种简单的单级燃烧器会产生很高水平的NOx排放，无法满足当前环保标准和规章的要求。为了减少NOx排放，就需要设计出低NOx燃烧器。

目前使用的低NOx燃烧器主要有两种。一种是分级空气燃烧器。分级空气燃烧器使助燃空气分流以建立贫氧的第一燃烧区，从而减少NOx的形成，在第二燃烧区将剩余部分的空气引入，从而完成整个燃烧过程。另一种类型的低NOx燃烧器是分级燃料燃烧器，助燃空气一次全部引入第一燃烧区，但在第一燃烧区只有部分燃料被燃烧，剩余的燃料被分别引入到第二燃烧区，甚至第三燃烧区，利用第一或第二燃烧区过剩的氧进行燃烧。在这种燃烧器中，第一和第二燃烧区过剩的空气稀释了燃料，燃烧温度较低，从而减少了NOx的形成。

降低燃烧温度的另一种方法是加入稀释剂，烟气再循环（FGR）技术就是这样的方法之一。烟气再循环（FGR）就是使完成燃烧过程的一部分烟气循环返回风箱，与新鲜燃料混合以后，与燃料一起再次回到燃烧区。循环烟气量通常占助燃空气量的10%～20%，烟气再循环使NOx降低的水平，要超过分级燃烧通常所能达到的水平。对于气体燃烧器而言，烟气再循环（FGR）是最有效且结构较简单的NOx减少系统，烟气再循环（FGR）的另一个优点是它能够和其它大多数的NOx控制方法一起使用，以获得超低的NOx排放。

乙烯裂解炉用底部燃烧器，除了环保要求以外，还对底部燃烧器的火焰形状、火焰长度、火焰刚性、供热能力、调节比以及沿裂解炉高度方向的热流密度分布等诸多因素有很苛刻的要求，如果设计不当，可能会对裂解炉的性能和操作带来不利影响。对乙烯裂解炉而言，燃烧系统的问题—如火焰形状、火焰长度、火焰的刚性以及热流密度分布的不合理，往往是致命的，它会造成炉管严重弯曲变形、炉子运转周期缩短、炉管寿命缩短等严重问题。

CN200720032397.8提供了一种乙烯裂解炉用长火焰低氮氧化物排放的气体燃烧器，采用了燃料分级技术降低NOx排放，其NOx排放量低于35 ppmvd，燃烧器能力大、热流分布合理、操作稳定，调节比（燃烧器最大负荷与最小负荷之比）可达8:1，操作者可在优化和稳定的热通量特性下进行裂解炉的操作。但是这种底部燃烧器由于没有采用多点燃烧技术，那么正对底部燃烧器的区域温度较高，是高温区，而两个底部燃烧器之间温度较低，是低温区，造成炉内温度分布不均匀。另外，由于没有采用烟气再循环（FGR）技术，NOx排放量仍然偏高，有进一步降低的空间。当然，针对乙烯裂解炉用底部燃烧器而言，除了环保要求以外，燃烧系统的问题—如火焰形状、火焰长度、火焰的刚性以及热流密度分布的不合理，往往是致命的，它会造成炉管严重弯曲变形、炉子运转周期缩短、炉管寿命缩短等严重问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，它不仅可以获得超低的NOx排放，而且可以获得良好的底部燃烧器火焰形状、火焰长度、火焰刚性以及热流密度分布，该气体燃烧器可实现多点分散燃烧，可依据炉内供热的具体要求，合理布置燃料的注入点，有利于炉内热场的均匀分布，因此特别适用于乙烯裂解炉上。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供了一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，主要由消音罩1、风道2、调风挡板3、风箱4、一级燃烧器5、二级燃烧器6、烧嘴砖7、长明灯8组成，其特征在于烧嘴砖7置于炉子底部，内部空心处为空气流道9，在其入口段10是一个横截面积不变的平直流道，出口段11的横截面积逐渐变小形成空气收缩流道，以利于形成扁平火焰, 出口段11空气收缩流道向内逐渐收缩的水平角度为β；烧嘴砖7的空气流道9内设置有一级燃烧器5，一级燃烧器5为预混式燃烧器，采用烟气再循环技术，进一步降低NOx排放。一级燃烧器5由一级燃料喷嘴12、引射器13、火嘴14、循环烟道15组成，火嘴14上开有火孔16，以实现多点分散燃烧；烧嘴砖7的内壁和外壁之间还设有与一级燃烧器轴向平行的孔道22，孔道22中设置有二级燃烧器6，二级燃烧器6为扩散式燃烧器，由二级燃料进气管17、二级燃料喷嘴18组成，二级燃料喷嘴18上开有二级燃料喷孔19，在放置二级燃烧器6的孔道22出口处为一大于孔道截面的凹槽24，凹槽24内置有二级燃料喷嘴18；烧嘴砖7上还开有烟道21，与一级燃烧器5的循环烟道15连通实现烟气再循环；助燃空气通过风道2和调风挡板3进入风箱4，然后依次进入空气流道的入口段10、出口段11，最后进入炉膛内。

该气体燃烧器，特别适合在裂解炉内作为底部燃烧器使用，可形成扁平长火焰，实现多点分散燃烧，以利于裂解炉内热场的均匀分布，并实现大能力燃烧和超低NOx排放。

本发明是CN200720032397.8的改进，其沿用了前者的燃料分级燃烧技术，但为了进一步降低NOx排放和获得更加均匀的裂解炉内温度分布，本发明还采用了烟气再循环技术和多点燃烧技术。通过采用烟气再循环技术使炉膛内完成燃烧反应的一部分烟气返回风箱，与新鲜的一级燃料气混合后，一起再次回到燃烧区进行燃烧。在烧气时，烟气再循环使NOx降低的水平，要超过分级燃烧通常所能达到的水平；通过采用多点燃烧技术使得燃料能够分散燃烧，消除了正对底部燃烧器的高温区和两个底部燃烧器之间的低温区，从而获得更加均匀的裂解炉内温度分布，提高了裂解炉的运行周期。

本发明的一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，采用了分级燃料燃烧技术、烟气再循环技术和多点分散燃烧技术。一级燃料经由一级燃料喷嘴12，从一级燃料喷孔以自由射流方式喷入引射器13，在引射器13内部形成一个低压区，从而将炉膛内的烟气通过烧嘴砖7上的烟道21和循环烟道15吸入引射器13，循环烟气和一级燃料在引射器13内混合后，经由火嘴14上的火孔16（最好为多个长条形火孔）喷入烧嘴砖7的空气流道9，与助燃空气混合并燃烧，形成第一燃烧区。根据炉内热通量分布的具体要求，二级燃烧器6的二级燃料喷嘴18上开有二级燃料喷孔19，还可开设三级燃料喷孔20，二级燃料喷嘴18的外形最好为“铲形”结构，易于二级燃料喷孔19和三级燃料喷孔20的分散布置，便于实现多点分散燃烧。二级燃料进入二级燃料进气管17，经由二级燃料喷嘴18，从二级燃料喷孔19和三级燃料喷孔20喷入炉膛，与来自第一燃烧区的剩余助燃空气混合并燃烧，在第一燃烧区之后，依次形成第二燃烧区和第三燃烧区。助燃空气通过风道2和调风挡板3进入风箱4，然后依次进入烧嘴砖的入口段10平直流道和出口段11收缩流道，最后进入炉膛。

本发明气体燃烧器烧嘴砖7的空气入口段10是一个横截面不变，最好横截面为矩形或者正方形的长方体空气流道，此流道的长边平行于炉子侧墙。烧嘴砖空气流道出口段11是一个流道逐渐收缩，且长宽比逐渐变大的空气收缩流道，因此烧嘴砖7的空气出口是一个相对于空气入口长宽比更大的矩形截面。在空气收缩流道内，助燃空气被不断增速，以便与扁平长火焰相适应，烧嘴砖空气流道的出口段11与炉膛相连。

烧嘴砖安装在炉子底部，并靠近炉子侧墙25的内壁面，燃烧火焰由于壁面效应而贴近炉墙内壁面，并顺着炉墙内壁面流动和燃烧，因此在炉墙内壁面产生一个较均匀的热流分布。同时，一级燃烧器5和二级燃烧器6均采用了多点分散燃烧技术，可依据具体情况对火孔16、二级燃料喷孔19和三级燃料喷孔20的位置、方向、数量和尺寸进行优化设计，从而获得更加令人满意的炉内热场分布。

更具体地举例，气体燃烧器最好有2～4个一级燃烧器5，并且2～4个一级燃烧器5可排成一列，其中心连线平行于炉子侧墙25；当有4个一级燃烧器5时，4个一级燃烧器5也可排成二列，每列2个，每列的一级燃烧器5的中心连线平行于炉子侧墙25，当火孔16为多个长条形的火孔组成时，长条形火孔的长边也平行于炉子侧墙25。烧嘴砖7远离侧墙的一面23开有连通炉膛和循环烟道15的烧嘴砖烟道21，烟道21与循环烟道15连通，以实现炉内烟气再循环。

出口段11空气收缩流道向内逐渐收缩的水平角度β最好为45^o～80^o；烧嘴砖7最好采用带不锈钢丝网加固的高铝质免烧砖或烧制砖。

在置有二级燃烧器6的孔道22出口处，有一个凹槽，在凹槽处设置有一个二级燃料喷嘴18，在二级燃料喷嘴18上开有二级燃料喷孔19，根据热通量分布的具体要求，还可开设三级燃料喷孔20，二级燃料喷嘴18和烧嘴砖7的孔道22之间留有10～15mm的间隙，以利于助燃空气对二级燃料喷嘴18的冷却；二级燃料喷孔19与水平面的夹角最好为60^o～80^o；三级燃料喷孔20与水平面的夹角最好为70^o～90^o，一般情况下，三级燃料喷孔20与水平面的夹角要大于或等于二级燃料喷孔（19）与水平面的夹角。二级燃烧器6最好有4～8个。

本发明气体燃烧器中消音罩1可以填充有消音棉，通过长螺栓和连接法兰与风道2连接。

本发明气体燃烧器中风道2，内部可衬有消音棉，与风箱4采用法兰连接或焊接；风道2内部设有调风挡板3。

在使用本发明时，最好采用计算流体动力学（CFD）方法进行引射器13、循环烟道15、烧嘴砖空气流道9和烟道21的设计；采用计算流体动力学（CFD）方法确定火孔16、二级燃料喷孔19、三级燃料喷孔20的数量、布置和方位，从而获得令人满意的火焰形状和热流分布。本发明气体燃烧器可含有2～4个一级燃烧器5，4～8个二级燃烧器6，火孔16最好为长方形，最好有4～20个。一级燃烧器5的燃烧负荷最好占总燃料负荷的10%～50%；二级燃烧器6的燃烧负荷最好占总燃料负荷的90%～50%。

本发明提供了一个用于乙烯裂解炉的多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，其NOx排放量低于25 ppmvd，与CN200720032397.8的裂解炉用低NOx燃烧器相比，能力更大、热流分布更加合理、操作更加稳定,消除了正对底部燃烧器的高温区和两个底部燃烧器之间的低温区，从而可以获得更加均匀的裂解炉内温度分布，提高裂解炉的运行周期。而且，本发明的燃烧器在维护和控制上更加简单，允许裂解炉的操作者在优化和稳定的热通量特性下操作，特别适用于乙烯裂解炉上。

本发明的其它和更深一步的目标、特征和优点通过下面的具体实施方式和附图中进行进一步描述。

附图说明

图1是本发明燃烧器的主剖视图（带炉墙）；

图2是本发明燃烧器的左向剖视图（带炉墙）；

图3是本发明燃烧器的俯视图（带炉墙）；

图4是本发明燃烧器的一级燃烧器的主剖视图（带循环烟道）；

图5是本发明燃烧器烧嘴砖的俯视图；

图6是本发明燃烧器烧嘴砖的A-A剖视图；

图7是本发明燃烧器烧嘴砖的B-B剖视图。

具体实施方式

图1所示是一种应用本发明的用于乙烯裂解炉的多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，它主要由消音罩1、风道2、调风挡板3、风箱4、一级燃烧器5、二级燃烧器6、烧嘴砖7、长明灯8组成。它仅是本发明的一种形式，本发明并不仅限于此。

参阅图1～图4，气体燃烧器有2个一级燃烧器5和4个二级燃烧器6。一级燃烧器5由一级燃料喷嘴12、引射器13、火嘴14、循环烟道15组成，火嘴14上开有12个长条形的火孔16。一级燃料经由一级燃料喷嘴12，从一级燃料喷孔以自由射流方式喷入引射器13，在引射器13内部形成一个低压区，从而将炉膛内的烟气通过烧嘴砖7上的烟道21和循环烟道15吸入引射器13，循环烟气和一级燃料在引射器13内混合后，经由火嘴14上的12个长条形的火孔16喷入烧嘴砖7的空气流道9，与助燃空气混合并燃烧后进入炉膛。

参阅图1～图3，二级燃烧器6由二级燃料进气管17和二级燃料喷嘴18组成。二级燃料进入二级燃料进气管17，经由二级燃料喷嘴18，从二级燃料喷孔19和三级燃料喷孔20喷出，与助燃空气混合并燃烧后进入炉膛。

参阅图1，助燃空气通过风道2和调风挡板3，进入风箱4，然后依次进入烧嘴砖7空气流道的入口段10和出口段11，最后进入炉膛，燃料和助燃空气在炉膛内进行分级燃烧。

参阅图5～图7，此发明燃烧器烧嘴砖7的空气入口段10是一个横截面不变、并且为矩形或者正方形的长方体流道，空气出口段11流道逐渐收缩，形成一个横截面为矩形，且长宽比逐渐变大的收缩流道，使流道逐渐变扁，助燃空气不断增速，因此烧嘴砖7的空气出口段11是一个相对于空气入口段10长宽比更大的矩形截面，以便与扁平长火焰相适应。

参阅图4～图6，此发明燃烧器烧嘴砖7有2个烟道21，下部与循环烟道15连通，使炉膛内的烟气可以通过烟道21和循环烟道15吸入引射器13，并与一级燃料气混合，完成烟气再循环。

参阅图3，一级燃烧器5的火嘴14上有12个长条形的火孔16，其长边平行于炉子侧墙25。

参阅图1、图7，在置有二级燃烧器6的孔道22出口处，设有凹槽24，在每一个凹槽24处有一个二级燃料喷嘴18。

图1～图4中的长条形火孔16、引射器13、循环烟道15、二级燃料喷孔19和三级燃料喷孔20的设计、布置、数量和方位采用计算流体动力学(CFD)方法进行设计。

图5～图7中烧嘴砖7的空气流道9、烟道21的设计采用计算流体动力学（CFD）方法进行。

该气体燃烧器NOx排放量低于25 ppmvd，火焰扁平刚直，热流分布合理。

Claims

1.一种多点燃烧的长火焰超低氮氧化物排放的气体燃烧器，主要由消音罩（1）、风道（2）、调风挡板（3）、风箱（4）、一级燃烧器（5）、二级燃烧器（6）、烧嘴砖（7）、长明灯（8）组成，其特征在于烧嘴砖（7）置于炉子底部，内部空心处为空气流道（9），在其入口段（10）是一个横截面积不变的平直流道，出口段（11）的横截面积逐渐变小形成空气收缩流道，以利于形成扁平火焰, 此时横截面与内壁面形成角度β；烧嘴砖（7）的空气流道（9）内设置有一级燃烧器（5），一级燃烧器（5）为预混式燃烧器，；一级燃烧器（5）由一级燃料喷嘴（12）、引射器（13）、火嘴（14）、循环烟道（15）组成，火嘴（14）上开有火孔（16），以实现多点分散燃烧；烧嘴砖（7）的内壁和外壁之间还设有与一级燃烧器轴向平行的孔道（22），孔道（22）中设置有二级燃烧器（6），二级燃烧器（6）为扩散式燃烧器，由二级燃料进气管（17）、二级燃料喷嘴（18）组成，二级燃料喷嘴（18）上开有二级燃料喷孔（19），在放置二级燃烧器（6）的孔道（22）出口处为一大于孔道截面的凹槽（24），凹槽（24）内置有二级燃料喷嘴（18）；烧嘴砖（7）上还开有烟道（21），与一级燃烧器（5）的循环烟道（15）连通实现烟气再循环；助燃空气通过风道（2）和调风挡板（3）进入风箱（4），然后依次进入空气流道的入口段（10）、出口段（11），最后进入炉膛内。

2.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于二级燃烧器（6）的二级燃料喷嘴（18）上除开有二级燃料喷孔（19），还开设有三级燃料喷孔（20）。

3.根据权利要求2所述的气体燃烧器，其特征在于二级燃料喷嘴（18）的外形为“铲形”结构。

4.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于火嘴（14）上有4～20个火孔（16），并且火孔（16）为长条形。

5.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于气体燃烧器有2～4个一级燃烧器（5）。

6.根据权利要求5所述的气体燃烧器，其特征在于气体燃烧器2～4个一级燃烧器（5）排成一列，其中心连线平行于炉子侧墙（25）。

7.根据权利要求4所述的气体燃烧器，其特征在于长条形的火孔（16）的长边平行于炉子侧墙（25）。

8.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于烧嘴砖（7）远离侧墙的一面（23）开有连通炉膛和循环烟道（15）的烧嘴砖烟道（21），烟道（21）与循环烟道（15）连通，以实现炉内烟气再循环。

9.　根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于出口段（11）空气收缩流道向内逐渐收缩的角度β最好为45^o～80^o。

10.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于二级燃料喷孔（19）与水平面的夹角为60^o～80^o。

11.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于三级燃料喷孔（20）与水平面的夹角为70^o～90^o。

12.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于共有1～4个一级燃烧器（5）。

13.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于共有4～8个二级燃烧器（6）。

14.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于二级燃料喷嘴（18）和烧嘴砖（7）的孔道（22）之间留有10～15mm的间隙。

15.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于烧嘴砖（7）采用带不锈钢丝网加固的高铝质免烧砖或烧制砖。

16.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于一级燃烧器（5）的燃烧负荷占总燃烧负荷的10%～50%；二级燃烧器（6）的燃烧负荷占总燃烧负荷的90%～50%。

17.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于循环烟气量通常占总助燃空气体积流量的10%～20%。