CN104235849A - 分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴及其控制方法 - Google Patents

分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,包括燃烧器壳体、配风盘、预燃室、二次风喷管以及燃料喷管,其中,加热炉的炉墙上设有贯穿于其墙体的通道,燃烧器壳体安装于所述通道的一侧,所述通道中的空间形成所述预燃室,所述燃烧器壳体上设置有助燃空气通道,所述燃料喷管上设有燃料通道,所述配风盘上设有一次风进口以及燃料进口,二次风喷管设有多个,二次风喷管设有用于向加热炉的炉膛中通入富氧空气或空气的二次风通道,二次风喷管贯穿于加热炉的炉墙上且二次风通道与加热炉的炉膛连通。本发明提出的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,优化炉内温度分布,同时降低了NOx的排放。

Description

分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴及其控制方法
技术领域
本发明涉及气体燃料的燃烧设备与方法领域,尤其涉及一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴及其控制方法。
背景技术
钢铁加热炉大都以碳氢可燃气体如高炉煤气、焦炉煤气、天然气、发生炉煤气和混合煤气等作为燃料。通过提高常规空气中的氧浓度从而实现富氧燃烧,可以降低着火温度、提高炉膛燃烧温度和传热效率、减少排烟损失,将之用于加热炉上不仅扩大了燃料的来源,而且使得高炉煤气等低热值燃料的高效利用成为可能,同时可以有效解决钢铁生产过程中存在的氧气耗散问题。但是对于加热炉来说,若是简单的在普通空气燃料燃烧器上掺入富氧空气助燃或者操作使用不当,反而会导致火焰缩短,出现局部高温,严重时会破坏炉内温度分布,导致NOx排放升高,氧化烧损和炉渣量增大,对钢铁生产的质量有负面的影响。
另外,在加热炉中,由于受到炉气中CO2、H2O、SO2和O2的氧化,不可避免的会发生钢铁氧化现象,即氧化烧损,大约每加热一次,就会有0.5%~3%的钢铁被氧化成氧化铁皮。氧化层的形成对钢坯的加热质量和产率有重要影响,由于氧化铁皮的导热率比钢铁的低,使钢坯的传热条件变得恶化,因而降低了钢材的生产质量,增加了燃料消耗。钢坯加热质量与炉膛温度、炉膛气氛以及钢坯加热时间有关。温度过高、氧化性气氛以及加热时间过长等因素都会导致钢坯氧化烧损加重;而炉温过低又会导致钢坯不能被“烧透”,造成断面温差应力,增加轧制难度。
随着能源消费日益增长、环境保护意识的提高以及对产品加热质量的不断追求,开发新型高效加热炉燃烧技术,优化炉内温度分布,缩短加热时间,提高热效率,降低氮氧化物排放,促进低热值煤气的高效利用,改善加热制品质量,减少氧化烧损,对于钢铁企业节能减排、乃至推动钢铁行业的技术进步,具有重要的现实意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴及其控制方法,旨在优化炉内温度分布,同时降低NOx的排放。
为实现上述目的,本发明提供一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,包括燃烧器壳体、配风盘、预燃室、二次风喷管以及燃料喷管,其中,
加热炉的炉墙上设有贯穿于其墙体的通道,燃烧器壳体安装于所述通道的一侧,所述通道中的空间形成所述预燃室,所述燃烧器壳体上设置有助燃空气通道,所述配风盘安装于所述燃烧器壳体尾部,所述燃料喷管穿插于燃烧器壳体上,所述燃料喷管上设有与所述预燃室连通的燃料通道,所述配风盘上设有与所述助燃空气通道出口连通的一次风进口、以及与所述燃气通道出口连通的燃料进口,助燃气和燃料分别经过所述助燃空气通道和燃料通道后通过所述配风盘进入所述预燃室,所述二次风喷管设有多个,所述二次风喷管设有用于向加热炉的炉膛中通入富氧空气或空气的二次风通道,所述二次风喷管贯穿于加热炉的炉墙上且所述二次风通道与加热炉的炉膛连通。
优选地,所述燃料通道为直流通道,所述一次风进口为旋流通道。
优选地,所述配风盘包括同轴设置的内毂和外防护罩、以及多个连接所述内毂和外防护罩的旋流叶片,所述燃料进口位于所述内毂上,每相邻两旋流叶片之间的间隙形成用于供一次风通过的一次风进口;所述旋流叶片数量为4至8个,所述旋流叶片的倾角为30至60度。
优选地,所述分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴还包括安装于所述燃烧器壳体上的用于控制其助燃气流量的一次风阀门,以及位于所述二次风喷管上的用于控制其助燃气流量的二次风阀门。
优选地,所述预燃室为渐扩圆台形空腔,所述预燃室的扩口端位于其靠近加热炉的炉膛一侧,所述预燃室的缩口端上安装有所述配风盘。
优选地,多个所述二次风喷管在所述预燃室的圆周方向均匀分布。
优选地,所述二次风喷管的喷头与所述预燃室的出口之间的距离为20至100mm,所述二次风喷管安装于加热炉的炉墙上的角度可调整,所述二次风喷管的轴线与所述燃料喷管的轴线之间夹角为0~10度。
优选地,所述燃料喷管、配风盘以及预燃室同轴设置。
本发明进一步提出一种基于上述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴的控制方法,包括:
控制二次风喷管的助燃气流量为零,助燃气依次经燃烧器壳体上的助燃空气通道和配风盘进入预燃室中,燃料从燃料喷管的燃料通道进入预燃室中并进行点火,一次风和燃料在预燃室内进行初步混合燃烧;
当加热炉的炉膛温度升高至预设温度时,控制助燃气经二次风喷管射入炉膛,并根据助燃气的成分和燃料热值控制二次风喷管中助燃气的速度、二次风喷管的安装角度以及与预燃室出口的相对距离,二次风喷管中的助燃气射入时在预燃室出口形成低压区,卷吸炉膛尾部的高温烟气和预燃室出口的未完全燃烧的高温燃料,烟气对高温燃料和二次风进行稀释,预燃室出口高温燃料以及炉膛尾部的高温烟气被卷吸而进一步混合燃烧。
优选地,通入所述二次风喷管的助燃气量为总助燃气量的50%至80%,所述二次风喷管中助燃气的喷射速度为45~180m/s。
本发明提出的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,具有以下优点:
1)在点火的过程不需高温蓄热和换向,装置的可靠性增强,其助燃气可以是空气和富氧空气,同时燃料热值不受限制,从而使得高炉煤气等低热值燃料可以高效利用。
2)本烧嘴中助燃气可采用氧气和空气提前预混的方式,能够根据加热炉热工制度的不同而改变富氧浓度,以适应不同加热材料对不同温度水平的需求。
3)本烧嘴通过设置一次风进口和二次风喷管,二者分开设置,从而可实现对一次风和二次风进行独立控制,二次风喷管喷出的二次风可直接喷入炉膛,扩大了燃烧反应的区域,可以达到均匀弥散燃烧的效果,有利于对钢坯的整体加热。
4)本烧嘴具有良好的气氛调节性和燃料适应性,针对不同的氧浓度和燃料热值,通过调整二次风喷管的速度、喷射距离以及角度从而控制二次风与燃料的混合时间和地点,以控制火焰温度和火焰长度,获得理想的炉膛温度分布,减少局部高温热点,促使炉膛温度分布均匀,提高钢坯的加热质量和速率,消除由于温度过高导致氧化烧损增加的问题。
5)本烧嘴结合了富氧燃烧、分级燃烧以及烟气稀释燃烧等技术,将燃烧反应分散到两个区域进行,由于燃烧初期处于还原性气氛,燃烧后期虽然是氧化性气氛,但是高温烟气回流使得反应区的氧浓度得到稀释,从而使得助燃气为空气或富氧空气时NOx排放均得到抑制。因此,可以在保留富氧燃烧诸多优点的前提下,提高了温度分布均匀性,同时实现了低NOx排放的目的。
附图说明
图1为本发明分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴优选实施例的剖视结构示意图;
图2为图1所示的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴左侧方向的局部结构示意图;
图3为本发明分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴优选实施例的原理示意图;
图4为本发明分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴中配风盘的结构示意图。
图中:10-燃烧器壳体,20-配风盘,30-预燃室,40-二次风喷管,50-燃料喷管,60-炉墙,11-助燃空气通道,21-一次风进口,22-燃料进口,201-内毂,202-外防护罩,203-旋流叶片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,在本发明的描述中,术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述,并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
本发明提出一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴。
参照图1和图2,图1为本发明分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴优选实施例的剖视结构示意图;图2为图1所示的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴左侧方向的局部结构示意图。
本优选实施例中,分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴包括燃烧器壳体10、配风盘20、预燃室30、二次风喷管40以及燃料喷管50,其中,
加热炉的炉墙60上设有贯穿于其墙体的通道,燃烧器壳体10安装于通道的一侧,通道中的空间形成预燃室30,所述燃烧器壳体10上设置有助燃空气通道11,所述配风盘20安装于所述燃烧器壳体10尾部,所述燃料喷管50穿插于燃烧器壳体10上,所述燃料喷管50上设有与所述预燃室连通的燃料通道,所述配风盘20上设有与所述助燃空气通道出口连通的一次风进口21、以及与所述燃气通道出口连通的燃料进口22,助燃气和燃料分别经过所述助燃空气通道和燃料通道后通过所述配风盘20进入预燃室30,二次风喷管40设有多个,二次风喷管40设有用于向加热炉的炉膛中通入富氧空气或空气的二次风通道,二次风喷管40贯穿于加热炉的炉墙60上且二次风通道与加热炉的炉膛连通。加热炉的炉墙60使用耐火砖制成。以下均简称经一次风进口21进入预燃室30中的助燃气为一次风,经二次风喷管40进入加热炉的炉膛中的助燃气为二次风。配风盘20与燃烧器壳体10固定连接。分级无焰富氧燃气烧嘴还包括安装于燃烧器壳体10上的用于控制其助燃气流量的一次风阀门,以及位于二次风喷管40上的用于控制其助燃气流量的二次风阀门。二次风喷管40活动安装于加热炉的炉墙60上,以调整二次风喷管40的安装角度和插入深度。
进一步地,燃料通道为直流通道,一次风进口21为旋流通道。旋流通道结构的一次风进口21和直流通道的燃料通道配合使用,使本烧嘴在通入一次风时,低热量的燃料被旋转空气所包裹,其着火和稳燃均得到提升。
具体地,参照图4,配风盘20包括同轴设置的内毂201和外防护罩202、以及多个连接内毂201和外防护罩202的旋流叶片203,燃料进口22位于内毂201上,每相邻两旋流叶片203之间的间隙形成用于供一次风通过的一次风进口21。旋流叶片203数量为4至8个,旋流叶片203的倾角为30至60度。内毂201、外防护罩202和旋流叶片203为一体成型。多个旋流叶片203均匀地分布于内毂201和外防护罩202之间。
二次风喷管40中通入的可以为空气或富氧空气。经助燃空气通道11进入预燃室30中助燃气的可以为空气或富氧空气。具体地,控制通入二次风喷管40的助燃气量为总助燃气量的50%至80%,二次风喷管40中助燃气的喷射速度为45~180m/s,以实现在富氧燃烧的前提下,提高了温度分布均匀性,同时,实现了降低NOx排放量的目的。总助燃气量指一次风进口21中的助燃气量加上通入二次风喷管40中的助燃气量。
参照图3,本分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴的工作过程如下:
首先,控制二次风喷管40的助燃气流量为零(通过二次风阀门控制),控制助燃气依次经燃烧器壳体10的助燃空气通道11进入预燃室30中(打开一次风阀门),燃料从燃料喷管50的燃料通道进入预燃室30中并进行点火,一次风和燃料在预燃室30内进行初步混合燃烧; 
当加热炉的炉膛温度升高至预设温度(本实施例中预设温度为800℃)时,控制助燃气经二次风喷管40射入炉膛(此时一次风阀门保持打开),由于二次风的引射作用,在预燃室30出口形成低压区,卷吸炉膛尾部的高温烟气和预燃室30出口的未完全燃烧的高温燃料,烟气对高温燃料和二次风进行稀释,预燃室30出口高温燃料以及炉膛尾部的高温烟气被卷吸而进一步混合燃烧。
当助燃气仅从一次风进口21进入时,由于助燃空气量不足,预燃室30中形成的为还原性气氛,此时抑制了高温,同时,部分燃料燃烧放热而使燃料整体得到预热,当二次风经二次风喷管40高速射入炉膛时,卷吸内侧的高温燃料和外侧的高温烟气。烟气对二次风和燃料进行稀释后,燃烧反应速率被削弱,燃烧温度峰值下降,同时,燃烧反应区域扩大,使温度分布均匀性提高,进而使热力型NOx的形成受到抑制。
本实施例提出的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,具有以下优点:
1)在点火的过程不需高温蓄热和换向,装置的可靠性增强,其助燃气可以是空气和富氧空气,燃料热值不受限制,从而使得高炉煤气等低热值燃料可以高效利用。
2)本烧嘴中助燃气可采用氧气和空气提前预混的方式,根据加热炉热工制度的不同而改变富氧浓度,以适应不同加热材料对不同温度水平的需求。
3)本烧嘴通过设置一次风进口21和二次风喷管40,二者分开设置,从而可实现对一次风和二次风进行独立控制,二次风喷管40喷出的二次风可直接喷入炉膛,扩大了燃烧反应的区域,达到了均匀弥散燃烧的效果,有利于对钢坯的整体加热。
4)本烧嘴具有良好的气氛调节性和燃料适应性,针对不同的氧浓度和燃料热值,通过调整二次风喷管40的速度、喷射距离以及角度,从而控制二次风与燃料的混合时间和地点,达到控制火焰温度和火焰长度的目的,从而获得理想的炉膛温度分布,减少局部高温热点,促使炉膛温度分布均匀,提高钢坯的加热质量和速率,消除由于温度过高导致氧化烧损增加的问题。
5)本烧嘴结合了富氧燃烧、分级燃烧以及烟气稀释燃烧等技术,将燃烧反应分散到两个区域(即预燃室30和炉膛)内进行,由于燃烧初期(二次风未射入时)处于还原性气氛,燃烧后期(二次风射入时)虽然是氧化性气氛,但是高温烟气回流使得反应区的氧浓度得到稀释,从而使得助燃气为空气或富氧空气时,NOx的排放均得到抑制。因此,可以在保留富氧燃烧诸多优点的前提下,提高了温度分布均匀性,同时实现了低NOx排放的目的。
进一步地,预燃室30为渐扩圆台形空腔,预燃室30的扩口端位于其靠近加热炉的炉膛一侧,预燃室30的缩口端上安装有配风盘20,这种结构的预燃室30更加有利于火焰的均匀燃烧。
进一步地,多个二次风喷管40在预燃室30的圆周方向均匀分布。可设置两个或四个二次风喷管40。多个二次风喷管40形成的圆周半径略大于预燃室30出口半径。此时,可进一步提高炉膛温度分布的均匀性。
进一步地,二次风喷管40的喷头与预燃室30的出口之间的距离为20至100mm,二次风喷管40安装于加热炉的炉墙60上的角度可调整,二次风喷管40的轴线与燃料喷管50的轴线之间夹角为0~10度(即图1所示的二次风喷管40既可其喷头向上倾斜安装也可向下倾斜安装),根据助燃气的成分(指氧含量的多少)和燃料热值,控制二次风喷管40中助燃气的速度、二次风喷管40的安装角度以及二次风喷管40与预燃室30出口的相对距离。通过上述参数控制,可使燃烧时的卷吸效果最好,烟气对高温燃料和二次风进行稀释的效果好,从而进一步降低NOx的排放,使炉膛温度分布更加均匀。
进一步地,燃料喷管50、配风盘20以及预燃室30同轴设置。此时,一方面减小了本烧嘴安装和维修的难度,另一方面有利于火焰的对称分布。
本发明进一步提出一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴的控制方法。
本优选实施例中,一种基于上述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴的控制方法,包括:
控制二次风喷管的助燃气流量为零,助燃气依次经燃烧器壳体上的助燃空气通道和配风盘进入预燃室中,燃料从燃料喷管的燃料通道进入预燃室中并进行点火,一次风和燃料在预燃室内进行初步混合燃烧;
当加热炉的炉膛温度升高至预设温度时,控制助燃气经二次风喷管射入炉膛,并根据助燃气的成分(指氧含量的多少)和燃料热值控制二次风喷管中助燃气的速度、二次风喷管的安装角度以及与预燃室出口的相对距离,二次风喷管中的助燃气射入时在预燃室出口形成低压区,卷吸炉膛尾部的高温烟气和预燃室出口的未完全燃烧的高温燃料,烟气对高温燃料和二次风进行稀释,预燃室出口高温燃料以及炉膛尾部的高温烟气被卷吸而进一步混合燃烧。
具体地,通入二次风喷管的助燃气量为总助燃气量的50%至80%,二次风喷管中助燃气的喷射速度为45~180m/s。助燃气为富氧空气或空气。
总助燃气量指一次风进口中的助燃气量加上通入二次风喷管的助燃气量。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,包括燃烧器壳体、配风盘、预燃室、二次风喷管以及燃料喷管,其中,
加热炉的炉墙上设有贯穿于其墙体的通道,燃烧器壳体安装于所述通道的一侧,所述通道中的空间形成所述预燃室,所述燃烧器壳体上设置有助燃空气通道,所述配风盘安装于所述燃烧器壳体尾部,所述燃料喷管穿插于燃烧器壳体上,所述燃料喷管上设有与所述预燃室连通的燃料通道,所述配风盘上设有与所述助燃空气通道出口连通的一次风进口、以及与所述燃气通道出口连通的燃料进口,助燃气和燃料分别经过所述助燃空气通道和燃料通道后通过所述配风盘进入所述预燃室,所述二次风喷管设有多个,所述二次风喷管设有用于向加热炉的炉膛中通入富氧空气或空气的二次风通道,所述二次风喷管贯穿于加热炉的炉墙上且所述二次风通道与加热炉的炉膛连通。
2.如权利要求1所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,所述燃料通道为直流通道,所述一次风进口为旋流通道。
3.如权利要求2所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,所述配风盘包括同轴设置的内毂和外防护罩、以及多个连接所述内毂和外防护罩的旋流叶片,所述燃料进口位于所述内毂上,每相邻两旋流叶片之间的间隙形成用于供一次风通过的一次风进口;所述旋流叶片数量为4至8个,所述旋流叶片的倾角为30至60度。
4.如权利要求1所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,还包括安装于所述燃烧器壳体上的用于控制其助燃气流量的一次风阀门,以及位于所述二次风喷管上的用于控制其助燃气流量的二次风阀门。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,所述预燃室为渐扩圆台形空腔,所述预燃室的扩口端位于其靠近加热炉的炉膛一侧,所述预燃室的缩口端上安装有所述配风盘。
6.如权利要求5所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,多个所述二次风喷管在所述预燃室的圆周方向均匀分布。
7.如权利要求1所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,所述二次风喷管的喷头与所述预燃室的出口之间的距离为20至100mm,所述二次风喷管安装于加热炉的炉墙上的角度可调整,所述二次风喷管的轴线与所述燃料喷管的轴线之间夹角为0~10度。
8.如权利要求5所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴,其特征在于,所述燃料喷管、配风盘以及预燃室同轴设置。
9.一种基于权利要求1至8中任意一项所述的分级富氧无焰燃烧燃气烧嘴的控制方法,其特征在于,包括:
控制二次风喷管的助燃气流量为零,助燃气依次经燃烧器壳体上的助燃空气通道和配风盘进入预燃室中,燃料从燃料喷管的燃料通道进入预燃室中并进行点火,一次风和燃料在预燃室内进行初步混合燃烧;
当加热炉的炉膛温度升高至预设温度时,控制助燃气经二次风喷管射入炉膛,并根据助燃气的成分和燃料热值控制二次风喷管中助燃气的速度、二次风喷管的安装角度以及与预燃室出口的相对距离,二次风喷管中的助燃气射入时在预燃室出口形成低压区,卷吸炉膛尾部的高温烟气和预燃室出口的未完全燃烧的高温燃料,烟气对高温燃料和二次风进行稀释,预燃室出口高温燃料以及炉膛尾部的高温烟气被卷吸而进一步混合燃烧。
10.如权利要求9所述的控制方法,其特征在于,通入所述二次风喷管的助燃气量为总助燃气量的50%至80%,所述二次风喷管中助燃气的喷射速度为45~180m/s。
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