CN104696965A - 一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统及燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统及燃烧器，燃气和预热空气由高速燃气燃烧器射入辐射室的燃烧室，保持炉膛温度高于燃气的自燃温度，射入速度大于燃气燃烧的火焰传播速度，因此不形成可见的发光火焰，燃烧反应充满整个辐射室，辐射室内温度分布均匀，燃烧过程的最高温度小于1700K，有效抑制NOx生成。在辐射室的下游设置反射板，可避免燃气和热空气在辐射室内短路而直接进入对流室，同时在反射板下游形成回流，延长烟气在对流室的停留时间，促进CO等可燃成分的充分燃尽。本发明具有燃烧效率高、污染物排放超低及温度场均匀等特点，适用于管式加热炉的新建和改造。

Description

一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统及燃烧器
【技术领域】
本发明涉及炼化企业管式加热炉技术领域，具体地说，是一种弥散燃烧的管式加热炉及其燃烧器。
【背景技术】
管式加热炉是炼化企业中常用的工艺加热炉，在耐火材料包围的燃烧室内，燃料燃烧释放的热量把炉管内的介质加热到所需的温度，使之产生反应或达到后续工艺的要求。管式加热炉的运行要求燃料充分燃尽、燃烧产生的污染物低、炉内炉管受热均匀，以实现管式加热炉的高效、环保、安全和长周期运行。
目前，炼化企业的管式加热炉大多通过扩散燃烧的方式实现炼厂干气和空气的混合与燃烧，形成火焰。一方面，火焰区比非火焰区(燃烧产物区)温度高、辐射传热强度大，导致炉管辐射受热不均匀，火焰辐射的炉管上容易形成局部高温热点，缩短炉管的使用寿命。另一方面，以空气作为氧化剂的炼厂干气扩散燃烧温度高，容易形成氮氧化物(NOx)等污染物，例如炼化企业常用的低NOx燃气燃烧器的NOx排放浓度约在25～50ppmv的范围。随着环保要求越来越高，NOx的排放浓度限制逐渐降低，炼化企业面临更多挑战。
20世纪90年代，人们发现采用高温低氧(氧气体积分数低于21％)空气作为氧化剂的燃烧反应呈现出无明显火焰、温度分布均匀、污染物排放低等特 点。该技术通过极限回收烟气余热并高效预热助燃空气，实现了高温(1000℃以上)和低氧浓度(2％～5％)条件下的弥散燃烧。高温低氧燃烧技术在大中型推钢式及步进式轧钢加热炉、均热炉、罩式热处理炉、辐射管气体渗碳炉、钢包烘烤炉、玻璃熔化炉、熔铝炉、锻造炉等上获得了广泛的应用。然而，一方面由于管式加热炉通过换热器极限回收烟气余热以预热空气使得加热炉热效率普遍高于90％，管式加热炉采用新技术节能的潜力有限；另一方面，管式加热炉的炉膛结构与冶金、金属加工、陶瓷行业的加热炉存在明显不同，已有的高温低氧燃烧技术不适用于管式加热炉：因此高温低氧燃烧技术尚未应用到管式加热炉上。
国内外的基础研究表明，高温低氧空气并不是实现弥散燃烧的必要条件，环境空气条件下也能实现弥散燃烧，弥散燃烧取决于燃烧室内的燃烧条件而不是取决于燃烧室的边界条件，这为弥散燃烧在管式加热炉上的实施提供了新思路。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实现弥散燃烧的管式加热炉系统及燃烧器；使炼厂干气在管式加热炉辐射室内燃烧但不形成明显的火焰，改善辐射室内的温度分布，改善辐射炉管的热强度分布均匀性，减少NOx的生成和排放，减少CO的排放，提高加热炉体积热强度，减小加热炉体积、重量和占地面积。NOx为氮氧化物的英文缩写。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，
来自鼓风机的冷空气由空气预热器加热后和来自炼厂管网的炼厂干气， 经高速燃气燃烧器射入管式加热炉的辐射室内，炼厂干气或热空气的射入速度大于火焰传播速度，辐射室的温度大于炼厂干气的自燃温度，炼厂干气的燃烧充满辐射室，不形成可见的发光火焰，即处在弥散燃烧的状态。
具体为：
来自鼓风机的冷空气，经空气预热器加热，通过燃烧器进入辐射室内的燃烧室；鼓风机，空气预热器和燃烧器通过风道连接；来自燃气管的燃气通过燃烧器进入燃烧室，闸阀根据加热炉的负荷控制燃气流量；燃气和热空气在燃烧室内燃烧释放的热量主要以辐射传热的方式加热辐射炉管内的介质；反射板使燃气和热空气无法直接进入对流室，从而避免了在燃烧室内的短路流动，在反射板的下游形成回流，增加烟气在对流室内的停留时间，保证可燃物的燃尽；检测仪I检测辐射室出口烟气温度，O2浓度，CO浓度和NOx浓度，以判断燃气在辐射室内的燃烧程度；高温烟气主要以对流传热的方式加热对流炉管内的介质，遮蔽光管能够均匀高温烟气在对流室内的流动，同时防止高温烟气直接冲刷对流炉管；检测仪II检测对流室出口烟气温度，O2浓度，CO浓度和NOx浓度，以判断烟气在对流室内的燃尽程度；通过烟气调节挡板控制炉内负压和直接进入烟囱的烟气量；热烟气在空气预热器内预热冷空气，温度降低，经引风机送入烟囱。
所述的管式加热炉辐射室下游为对流室，两者连接段安装反射板，反射板直径为燃烧室直径的0.3～0.8倍，增加炼厂干气和热空气在辐射室内的停留时间，使炼厂干气充分燃尽，避免高速炼厂干气和热空气在辐射室内短路，而直接进入对流室；同时在反射板的下游形成回流区，增加未燃尽烟气在对流室的停留时间，保证燃气燃尽。
所述炼厂干气为混合气体，其自燃温度通过同心管法或绝热压缩法试验 测定。
所述反射板下游安装具有检测温度、氧浓度、一氧化碳浓度和氮氧化物浓度的烟气分析仪，监测辐射室内的燃烧反应程度。
所述对流室下游安装具有检测温度、氧浓度、一氧化碳浓度和氮氧化物浓度的烟气分析仪，监测对流室内未燃尽气体的燃烧程度。
一种高速燃气燃烧器，该燃烧器由筒体，进风口，调风蝶阀，燃气枪，火盆砖，长明灯，点火孔，观火孔，金属软管和消音壁构成；其特征在于，进风口焊接在筒体侧面，消音壁紧紧铆接在筒体内壁上，筒体底板上开有点火孔和观火孔，长明灯和燃气枪通过螺栓固定在筒体底板上，火盆砖卡接在筒体上部，燃气枪穿过火盆砖上开的孔。
高速燃气燃烧器长明灯安装在燃烧器筒体的中心轴线上，长明灯出火口位置高于火盆砖上表面。
高速燃气燃烧器火盆砖上的空气孔内空气流速为60m/s～140m/s，空气孔内壁光滑，以减小空气流动压损；燃气枪喷射速度为40m/s～220m/s，燃气喷孔与空气孔之间的距离保证燃气与空气在混合燃烧前能够充分卷吸烟气，降低燃烧反应强度。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
(1)在管式加热炉辐射室内高速射入的燃气和空气卷吸辐射室内的燃烧产物，稀释燃气和空气，减小燃烧反应强度，抑制燃烧局部高温，形成弥散燃烧，不形成可见的发光火焰，燃烧过程的最高温度小于1700K，有效抑制NOx的生成。
(2)弥散燃烧充满辐射室，平均体积热强度增加，能够减小辐射室尺寸，减少管式加热炉的制造成本。
(3)在辐射室下游设置反射板，避免了燃气和空气在辐射室内短路而直接进入对流室，增加了燃气和空气在辐射室内的停留时间；同时在反射板下游形成回流，增加了未燃尽烟气在对流室的停留时间，保证燃气燃尽。
(4)直流式弥散燃烧结构简单，无需增加换向和蓄热装置，适用于新建管式加热炉和对现有管式加热炉的改造。
【附图说明】
图1是直流式弥散燃烧管式加热炉系统的结构示意图；
图2(a)是高速燃气燃烧器主视图；
图2(b)是高速燃气燃烧器俯视图；
图3是高速燃气燃烧器火盆砖结构示意图；
图4是实施例直流式弥散燃烧室内流场示意图；
图5是实施例直流式弥散燃烧室内温度场示意图；
图6是另一实施例直流式弥散燃烧室内流场示意图；
图7是另一实施例直流式弥散燃烧室内温度场示意图。
附图中的标记为：1鼓风机，2风道，3空气预热器，4燃气管，5闸阀，6燃烧器，7辐射室，8辐射炉管，9燃烧室，10反射板，11检测仪I，12遮蔽光管，13对流室，14对流炉管，15检测仪II，16烟囱调节挡板，17烟囱，18引风机，61金属软管，62长明灯金属软管，63调风蝶阀，64进风口，65燃烧器筒体，66消音棉，67燃气枪，68空气孔，69火盆砖，610长明灯，611长明灯孔，612看火孔，613燃气枪槽，614火盆砖看火孔。
【具体实施方式】
以下提供本发明一种直流式弥散燃烧的管式加热炉及燃烧器的具体实施方式。
实施例1
一种直流式弥散燃烧管式加热炉，来自鼓风机的冷空气经空气预热器加热后通过燃烧器射入辐射室，来自燃气管网的燃气通过燃烧器射入辐射室，辐射室的温度高于燃气的自燃温度，热空气和燃气卷吸辐射室内的燃烧产物，在辐射室内形成强烈的回流，反应物的射流速度大于燃气燃烧的火焰传播速度，因此在辐射室内无法形成可见的发光火焰，燃气的燃烧充满整个辐射室，燃烧过程的最高温度小于1700K，有效抑制了NOx的生成；反射板使高速燃气和热空气不会在辐射室形成短路而直接进入对流室，同时在反射板下游形成回流区，增加烟气在对流室的停留时间，使烟气中的可燃物充分燃尽；燃烧释放的热量主要以辐射传热的方式加热辐射炉管内的介质，燃烧释放的热量主要以对流传热的方式加热对流炉管内的介质，烟气经空气预热器冷却，由引风机引入烟囱。
一种高速燃气燃烧器，该燃烧器由筒体，进风口，调风蝶阀，燃气枪，火盆砖，长明灯，点火孔，观火孔，金属软管和消音壁构成；进风口焊接在筒体侧面，消音壁紧紧铆接在筒体内壁上，筒体底板上开有点火孔和观火孔，长明灯和燃气枪通过螺栓固定在筒体底板上，火盆砖卡接在筒体上部，燃气枪穿过火盆砖上开的孔。
一种直流式弥散燃烧管式加热炉，如图1所示，来自鼓风机1的冷空气，经空气预热器3加热，通过燃烧器6进入辐射室7内的燃烧室9，鼓风机1、空气预热器3和燃烧器6通过风道2连接；来自燃气管4的燃气通过燃烧器6 进入燃烧室9，闸阀5根据加热炉的负荷控制燃气流量；燃气和热空气在燃烧室9内燃烧释放的热量主要以辐射传热的方式加热辐射炉管8内的介质；反射板10使燃气和热空气无法直接进入对流室，从而避免了在燃烧室9内的短路流动，在反射板10的下游形成回流，增加烟气在对流室13内的停留时间，保证可燃物的燃尽；检测仪I 11检测辐射室7出口烟气温度、O2浓度、CO浓度和NOx浓度，以判断燃气在辐射室7内的燃烧程度；高温烟气主要以对流传热的方式加热对流炉管14内的介质，遮蔽光管12能够均匀高温烟气在对流室13内的流动，同时防止高温烟气直接冲刷对流炉管14；检测仪II 15检测对流室13出口烟气温度、O2浓度、CO浓度和NOx浓度，以判断烟气在对流室13内的燃尽程度；通过烟气调节挡板16控制炉内负压和直接进入烟囱17的烟气量；热烟气在空气预热器3内预热冷空气，温度降低，经引风机18送入烟囱17。
高速燃气燃烧器，如图2(a)、(b)所示，燃气进入金属软管61，由燃气枪67射入燃烧室9，燃气枪67穿过火盆砖69上的燃气枪槽613，长明灯610燃气进入长明灯金属软管62，长明灯610穿过火盆砖69中心轴线上开的长明灯孔611，在长明灯出口处形成稳定的值班火焰；热空气从进风口64进入燃烧器筒体65，热空气的流量由调风蝶阀63根据燃气流量控制，热空气经火盆砖69上的空气孔68射入燃烧室9；火盆砖看火孔614与燃烧器筒体65底板上的看火孔612连接成密闭的通道，避免热空气经火盆砖看火孔614进入燃烧室9。
以甲烷作燃气，过量空气系数为1.10，模拟研究了热负荷1.4MW管式加热炉燃烧室9内弥散燃烧的速度场、温度场及CO和NOx的排放，燃烧室9直径为1756mm，高为3510mm，燃烧室9的体积热强度为165kW/m3，甲 烷从燃气枪67喷出的速度为60m/s，冷空气由空气预热器3加热到673K，热空气从空气孔68喷出的速度为120m/s，反射板10的直径为1054mm，是燃烧室直径的0.6倍，参照一般炼化管式加热炉运行状况，将燃烧室9壁面温度设为1173K。模拟结果如图4，5所示：
图4是直流式弥散燃烧室内流场示意图，高速射流的燃气和热空气在燃烧室9内造成强烈的卷吸，形成回流区，增加了烟气对燃气和热空气的稀释，有利于降低燃烧反应强度；在反射板10的下游形成回流区，增加了烟气在对流室13的停留时间，有利于未燃气的燃尽。
图5是直流式弥散燃烧室内的温度场示意图，燃烧室9内温度分布均匀，燃烧产生的最高温度为1465K。烟气中主要成分和污染物的浓度如下表所示，实现了超低的污染物排放。
名称 浓度
N2 72.04％
O2 1.60％
CO2 8.79％
H2O 17.57％
CO 2.38ppmv
NOx 10.98ppmv
实施例2
实施例2的管式加热炉系统及燃烧器结构与实施例1一致。以甲烷作燃气，过量空气系数为1.10，模拟研究了热负荷37.8MW管式加热炉燃烧室9内弥散燃烧的速度场、温度场及CO和NOx的排放，燃烧室9直径为5400mm， 高为10000mm，燃烧室9的体积热强度为165kW/m3，甲烷从燃气枪67喷出的速度为60m/s，冷空气由空气预热器3加热到673K，热空气从空气孔68喷出的速度为120m/s，反射板10的直径为3430mm，是燃烧室直径的0.64倍，参照一般炼化管式加热炉运行状况，将燃烧室9壁面温度设为1173K。模拟结果如图6，7所示：
图6是直流式弥散燃烧室内流场示意图，高速射流的燃气和热空气在燃烧室9内造成强烈的卷吸，形成回流区，增加了烟气对燃气和热空气的稀释，有利于降低燃烧反应强度；在反射板10的下游形成回流区，增加了烟气在对流室13的停留时间，有利于未燃气的燃尽。
图7是直流式弥散燃烧室内的温度场示意图，燃烧室9内温度分布均匀，燃烧产生的最高温度为1312K。烟气中主要成分和污染物的浓度如下表所示，实现了超低的污染物排放。
名称 浓度
N2 71.73％
O2 1.42％
CO2 8.96％
H2O 17.88％
CO 4.38ppmv
NOx 12.98ppmv
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，来自鼓风机的冷空气由空气预热器加热后和来自炼厂管网的炼厂干气，经燃烧器射入管式加热炉的辐射室内，炼厂干气或热空气的射入速度大于火焰传播速度，辐射室的温度大于炼厂干气的自燃温度，炼厂干气的燃烧充满辐射室，不形成可见的发光火焰，即处在弥散燃烧的状态。
2.如权利要求1所述的一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，来自鼓风机的冷空气，经空气预热器加热，通过燃烧器进入辐射室内的燃烧室；鼓风机，空气预热器和燃烧器通过风道连接；来自燃气管的燃气通过燃烧器进入燃烧室，闸阀根据加热炉的负荷控制燃气流量；燃气和热空气在燃烧室内燃烧释放的热量主要以辐射传热的方式加热辐射炉管内的介质；反射板使燃气和热空气无法直接进入对流室，从而避免了在燃烧室内的短路流动，在反射板的下游形成回流，增加烟气在对流室内的停留时间，保证可燃物的燃尽；检测仪I检测辐射室出口烟气温度，O2浓度，CO浓度和NOx浓度，以判断燃气在辐射室内的燃烧程度；高温烟气主要以对流传热的方式加热对流炉管内的介质，遮蔽光管能够均匀高温烟气在对流室内的流动，同时防止高温烟气直接冲刷对流炉管；检测仪II检测对流室出口烟气温度，O2浓度，CO浓度和NOx浓度，以判断烟气在对流室内的燃尽程度；通过烟气调节挡板控制炉内负压和直接进入烟囱的烟气量；热烟气在空气预热器内预热冷空气，温度降低，经引风机送入烟囱。
3.如权利要求1所述的一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，所述的辐射室的下游为对流室，两者连接段安装反射板，反射板直径为燃烧室直径的0.3～0.8倍，增加炼厂干气和热空气在辐射室内的停留时间，使炼厂干气充分燃尽，避免高速炼厂干气和热空气在辐射室内短路，而直接进入对流室；同时在反射板的下游形成回流区，增加未燃尽烟气在对流室的停留时间，保证燃气燃尽。
4.如权利要求1所述的一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，所述的燃气自燃温度通过同心管法或绝热压缩法试验测定。
5.如权利要求1所述的一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，所述的辐射室下游安装具有检测温度、氧浓度、一氧化碳浓度和氮氧化物浓度的烟气分析仪，监测辐射室内的燃烧反应程度。
6.如权利要求1所述的一种直流式弥散燃烧的管式加热炉系统，其特征在于，所述的对流室下游安装具有检测温度、氧浓度、一氧化碳浓度和氮氧化物浓度的烟气分析仪，监测对流室内未燃尽气体的燃烧程度。
7.一种直流式弥散燃烧的管式加热炉，其特征在于，所述的燃烧器是高速燃气燃烧器，该燃烧器由筒体，进风口，调风蝶阀，燃气枪，火盆砖，长明灯，点火孔，观火孔，金属软管和消音壁构成；其特征在于，进风口焊接在筒体侧面，消音壁紧紧铆接在筒体内壁上，筒体底板上开有点火孔和观火孔，长明灯和燃气枪通过螺栓固定在筒体底板上，火盆砖卡接在筒体上部，燃气枪穿过火盆砖上开的孔。
8.如权利要求7所述的高速燃气燃烧器，其特征在于，所述的长明灯安装在燃烧器筒体的中心轴线上，长明灯出火口位置高于火盆砖上表面。
9.如权利要求7所述的高速燃气燃烧器，其特征在于，所述的火盆砖上的空气孔内空气流速为60～140m/s，空气孔内壁光滑，以减小空气流动压损。
10.如权利要求7所述的高速燃气燃烧器，其特征在于，所述的燃气枪喷射速度为40～220m/s，燃气喷孔与空气孔之间的距离保证燃气与空气在混合燃烧前能够充分卷吸烟气，降低燃烧反应强度。
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