CN106545846A - 一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法 - Google Patents

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郝博
刘强
张禹
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赵爱华
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李卫东
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Abstract

本发明涉及一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法，装置包括主烟道和烟气循环支烟道，主烟道连接加热炉烟气出口和烟囱，其上设有煤气换热器；烟气循环支烟道从靠近加热炉烟气出口处的主烟道上引出，通过烟气循环引风机连接加热炉烧嘴；靠近烧嘴一侧的烟气循环支烟道内设氧气喷射器，氧气喷射器另外通过氧气输送管连接氧气管网；氧气喷射器前方的烟气循环支烟道设截面渐扩形混合段，氧气喷射器后方的烟气循环支烟道上设氮气吹扫管。本发明可减少助燃气体中N2的供入，大幅度降低烟气中NOx生成；将烟气余热回收，大幅度减少了烟气的排放量，既可以提高燃料的利用率，又可以大大降低NOx的排放，同时富集了烟气中CO2浓度，有利于CO2回收利用。

Description

一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法
技术领域
本发明涉及工业炉燃烧技术领域，尤其涉及一种用于轧钢加热炉的加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法。
背景技术
轧钢加热炉排出烟气带出的热量约占燃料提供热量的40％左右，在热损失中所占比例最大，烟气成分主要是N2/CO2/H2O,其中N2占的比例最大，一般为60％左右，CO2/H2O是燃料燃烧化学反应的生成成分，而N2是随着助燃空气以79％的高比例带入炉内的，N2为不参与燃烧的惰性气体，进入炉内只会带来两方面的负面影响：一是烟气中N2占的比例最大，带走的热量最大；二是高温下与O2容易生产NOx有害物质，对大气造成污染。如果把助燃空气中无用的N2去除，将大大减少烟气的体积，降低烟气带走的热损失，洁净烟气，减轻大气污染。从设备结构上，还可以缩小炉体尺寸，更有利于控制炉内温度均匀性。
目前加热炉很少采用烟气循环方式，仅有的烟气循环技术，采用的是将烟气通过烧嘴高速喷射形成的负压将烟气循环到烧嘴根部，与新鲜的烧嘴混合气混合后，再喷入炉内，目的是淡化火焰局部可燃气氛，降低高温区NOx的生成，其靠自然抽力循环烟气，仍不能使N2大量减少，加热炉热损失无法从根本上降低。
目前加热炉采用的富氧燃烧技术，是在助燃空气中增加O2的浓度，稀释了N2的浓度，提高了燃烧效率，减少了烟气量，从一定程度上提高了燃料利用率。但助燃空气中，O2占的比例越高，N2的含量才能越低。一般对于加热炉最高1300℃的工艺要求，富氧率35％已经可以满足要求，富氧率超过40％对加热炉提高温度、降低热效率的效果已不明显。这时N2的含量仍占60％左右。因而，降低助燃空气中N2的含量，仍有很大的节能潜力。
申请号为200910037908.9(申请日为2009年3月16日)的中国专利，公开了一种“烟气循环高温空气节能环保燃烧技术”，采用的是将烟气循环对助燃空气实施掺混的方式，实现一种贫氧高温燃烧，平抑理论火焰温度，降低NOx生成。但由于助燃空气直接入炉，仍有79％的N2掺入烟气中，烟气量没有减少，热损失较大。
申请号为03108589.X(申请日为2003年3月31日)的中国专利，公开了名为“烟气循环利用加热装置及应用”的技术方案，采用“烟气热泵”将烟气循环做为加热炉热源，节省能量。但没有考虑减少烟气中N2含量，N2带走的热量还是比较大。
《冶金能源》1995年18卷3期中发表的“烟气直接入炉循环的节能作用”一文中，提出利用烧嘴引射炉膛烟气直接入炉循环的可行性及节能作用。但靠烧嘴自身引射作用，烟气量不可控，循环量有限，所以节能效果不大，也没有解决降低烟气中大量惰性气体N2的问题。
《工业炉》Vol.34No.1Jan.2012中发表的“烟气自循环加热炉内预热空气温度对燃烧过程的影响”一文中，提出将烟气直接吸入烧嘴内，用于预热空气温度，炉内形成的烟气仍然是含N2量较大，烟气体积没有减少，排出炉外的烟气热损失降低是靠降低温度来实现的。由于加热炉结构没有减少，机械设备仍需要消耗较大的能量。
发明内容
本发明提供了一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置及方法，将加热炉排出的一部分烟气进行循环，同时掺入氧气进行混合形成氧含量为21％～30％的混合气体送入燃烧器作为助燃气体，经过几次循环，助燃气体中N2的浓度比例逐渐降低，最后基本排空；本发明可减少助燃气体中N2的供入，大幅度降低了烟气中的NOx生成；由于烟气循环利用，大幅度减少了烟气的排放量，将烟气余热回收，既可以提高燃料的利用率，又可以大大降低NOx的排放，同时富集了烟气中CO2浓度，有利于CO2回收利用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，包括主烟道和烟气循环支烟道，所述主烟道连接加热炉烟气出口和烟囱，其上设有煤气换热器；烟气循环支烟道从靠近加热炉烟气出口处的主烟道上引出，通过烟气循环引风机连接加热炉烧嘴；靠近烧嘴一侧的烟气循环支烟道内设氧气喷射器，氧气喷射器另外通过氧气输送管连接氧气管网；氧气喷射器前方的烟气循环支烟道设截面渐扩形混合段，氧气喷射器后方的烟气循环支烟道上设氮气吹扫管。
所述氧气输送管自氧气喷射器一端向氧气管网方向依次设有氧气盲板切断阀、流量调节阀、流量孔板、两级减压阀组、过滤器和氧气截止阀。
所述烟气循环引风机前的烟气循环支烟道上设烟气切换调节阀。
所述氧气喷射器设有拉瓦尔喷嘴。
所述烟气循环支烟道内设有耐高温保温材料的内衬。
基于一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置的烟气循环富氧燃烧方法，包括如下步骤：
1)从加热炉烟气出口排出的烟气分成两路，一路烟气进入主烟道，并经煤气换热器与煤气换热后从烟囱排出；另一路烟气在烟气循环引风机的作用下从主烟道上的入口进入烟气循环支烟道，通过烟气切换调节阀调节流量后，送往加热炉烧嘴一侧；
2)从钢铁厂内的氧气管网输出的氧气，经过滤器过滤后，由两级减压阀组将压力降到0.1～0.12MPa，再由氧气流量调节阀调节流量，通过氧气喷射器的拉瓦尔喷嘴喷入循环烟气中，氧气在混合段与烟气进行充分混合后，形成含氧量在21％～30％的混合气体，再送入烧嘴作为助燃风与煤气混合进行燃烧；
3)氧气喷射器后方的氧气输送管上设有氮气吹扫管，当氧气停止供入时，通入低温氮气进行保护。
由烟气循环引风机引入循环支烟道的烟气量为加热炉排出总烟气量的50％～60％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)将加热炉排出的一部分烟气进行循环利用，同时利用钢铁厂内富裕的氧气补充烟气的含氧量，烟气掺入氧气进行混合后形成氧含量为21％～30％的混合气体送入燃烧器作为助燃气体使用；
2)降低了常规助燃空气中N2的含量，避免炉内在高温下生成大量的NOx，经过几次循环，助燃气体中N2的浓度比例逐渐降低，最后基本排空(N2的含量降为1％以下)；
3)通过烟气循环利用及富氧燃烧过程，大幅度减少了烟气的排放量，将烟气余热回收，既可以提高加热炉燃料的利用率，又可以大大降低加热炉烟气中NOx的排放量，减少大气污染；同时富集了烟气中CO2浓度，有利于CO2回收利用。
附图说明
图1是本发明所述装置的结构示意图。
图中：1.加热炉 2.煤气换热器 3.主烟道 4.烟囱 5.烟气循环支烟道 6.烟气切换调节阀 7.烟气循环引风机 8.烧嘴 9.氧气管网 10.两级减压阀组 11.氧气截止阀 12.过滤器 13.流量孔板 14.流量调节阀 15.氧气盲板切断阀 16.氧气喷射器17.混合段 18.氮气吹扫管 19.煤气管道
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
见图1，是本发明所述装置的结构示意图，本发明所述一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，包括主烟道和烟气循环支烟道，所述主烟道连接加热炉烟气出口和烟囱，其上设有煤气换热器；烟气循环支烟道从靠近加热炉烟气出口处的主烟道上引出，通过烟气循环引风机连接加热炉烧嘴；靠近烧嘴一侧的烟气循环支烟道内设氧气喷射器，氧气喷射器另外通过氧气输送管连接氧气管网；氧气喷射器前方的烟气循环支烟道设截面渐扩形混合段，氧气喷射器后方的烟气循环支烟道上设氮气吹扫管。
所述氧气输送管自氧气喷射器一端向氧气管网方向依次设有氧气盲板切断阀、流量调节阀、流量孔板、两级减压阀组、过滤器和氧气截止阀。
所述烟气循环引风机前的烟气循环支烟道上设烟气切换调节阀。
所述氧气喷射器设有拉瓦尔喷嘴。
所述烟气循环支烟道内设有耐高温保温材料的内衬。
基于一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置的烟气循环富氧燃烧方法，包括如下步骤：
1)从加热炉烟气出口排出的烟气分成两路，一路烟气进入主烟道，并经煤气换热器与煤气换热后从烟囱排出；另一路烟气在烟气循环引风机的作用下从主烟道上的入口进入烟气循环支烟道，通过烟气切换调节阀调节流量后，送往加热炉烧嘴一侧；
2)从钢铁厂内的氧气管网输出的氧气，经过滤器过滤后，由两级减压阀组将压力降到0.1～0.12MPa，再由氧气流量调节阀调节流量，通过氧气喷射器的拉瓦尔喷嘴喷入循环烟气中，氧气在混合段与烟气进行充分混合后，形成含氧量在21％～30％的混合气体，再送入烧嘴作为助燃风与煤气混合进行燃烧；
3)氧气喷射器后方的氧气输送管上设有氮气吹扫管，当氧气停止供入时，通入低温氮气进行保护。
由烟气循环引风机引入循环支烟道的烟气量为加热炉排出总烟气量的50％～60％。
加热炉的烧嘴(燃烧器)处共有3种气体混合，其中循环烟气与氧气先经过充分混合作为助燃气体，在烧嘴前再与煤气进行混合后燃烧对加热炉实施加热作用。煤气管道另一端与主烟道上的煤气换热器连接，可以对煤气进行加热。氧气通过设在循环支烟道内的氧气喷射器喷出，氧气喷射器连接的氧气输送管道从氧气管网引出并插入到循环支烟道中。氧气喷射器喷出区域的循环支烟道上设混合段，沿氧气喷出方向的管道截面逐渐扩大，有利于2种气体的均匀混合，同时压力较高的氧气喷入烟气中，增加了循环烟气的动量，使混合后的气体足以克服管路阻力损失，可以满足烧嘴对助燃气体的压力要求。为防止停炉后烟气温度未降下来时烧坏氧气喷射器，在氧气盲板切断阀后的循环支烟道上设置氮气吹扫管，当氧气停止供入时，通入低温氮气进行保护。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例1】
本实施例采用用于热态试验的室式炉，炉底面积为4m×2m，采用混合煤气进行燃烧，加热温度可达到1250℃。
为模拟实际加热炉的出炉烟气温度，实验炉温度控制在1000℃，排出烟气温度控制在950℃。烟气分两路走，一路经过煤气换热器后由主烟道进入烟囱排出，另一路采用引风机将60％的烟气抽入烟气循环支管中，然后与纯氧气进行混合，形成含氧量在30％的混合气，送入烧嘴，作为烧嘴的助燃气体，与混合煤气混合进行燃烧。
原来试验炉采用空气预热器回收烟气余热，空气预热温度为500℃，烟气最终的热损失为1360980kJ/h，采用本发明所述方法后，60％的烟气进行循环利用，另外40％的烟气进入换热器预热煤气，煤气预热温度为280℃，烟气带走的热损失降为879393kJ/h，降低热损失35.39％，节约煤气19.2％。
【实施例2】
本实施例中采用热轧加热炉，实际加热能力为238.8t/h，原有工艺为采用热值为8360kJ/Nm3的高焦混和煤气为燃料，烟道对称布置两个。采用正常空气为助燃风与煤气混合燃烧，烟气全部从烟囱排放出去，烟气带出的热量为370408.21kJ/t。
采用本发明所述方法后，氧浓度为21％时，55％的烟气进行循环利用，从烟囱排放出去的烟气量降为45％，烟气带出的热量为148163kJ/t。原来加热炉的煤气单耗为180.69m3/t钢，改进后降低了26.47m3/t，降低了14.65％。
【实施例3】
本实施例中采用热轧加热炉，实际加热能力为238.8t/h，采用热值为8360kJ/Nm3的高焦混和煤气为燃料，烟道为对称布置两个。
原工艺采用正常空气为助燃风与煤气混合燃烧，烟气全部从烟囱排放出去，烟气带出的热量为370408.21kJ/t。
采用本发明所述方法后，氧浓度为25％时，50％的烟气进行循环利用，从烟囱排放出去的烟气量降为50％，烟气带出的热量为144721kJ/t。原来加热炉的煤气单耗为180.69m3/t钢，改进后降低了26.88m3/t，降低了14.88％。

Claims (7)

1.一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，其特征在于，包括主烟道和烟气循环支烟道，所述主烟道连接加热炉烟气出口和烟囱，其上设有煤气换热器；烟气循环支烟道从靠近加热炉烟气出口处的主烟道上引出，通过烟气循环引风机连接加热炉烧嘴；靠近烧嘴一侧的烟气循环支烟道内设氧气喷射器，氧气喷射器另外通过氧气输送管连接氧气管网；氧气喷射器前方的烟气循环支烟道设截面渐扩形混合段，氧气喷射器后方的烟气循环支烟道上设氮气吹扫管。
2.根据权利要求1所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，其特征在于，所述氧气输送管自氧气喷射器一端向氧气管网方向依次设有氧气盲板切断阀、流量调节阀、流量孔板、两级减压阀组、过滤器和氧气截止阀。
3.根据权利要求1所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，其特征在于，所述烟气循环引风机前的烟气循环支烟道上设烟气切换调节阀。
4.根据权利要求1所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，其特征在于，所述氧气喷射器设有拉瓦尔喷嘴。
5.根据权利要求1所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置，其特征在于，所述烟气循环支烟道内设有耐高温保温材料的内衬。
6.基于权利要求1所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧装置的烟气循环富氧燃烧方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)从加热炉烟气出口排出的烟气分成两路，一路烟气进入主烟道，并经煤气换热器与煤气换热后从烟囱排出；另一路烟气在烟气循环引风机的作用下从主烟道上的入口进入烟气循环支烟道，通过烟气切换调节阀调节流量后，送往加热炉烧嘴一侧；
2)从钢铁厂内的氧气管网输出的氧气，经过滤器过滤后，由两级减压阀组将压力降到0.1～0.12MPa，再由氧气流量调节阀调节流量，通过氧气喷射器的拉瓦尔喷嘴喷入循环烟气中，氧气在混合段与烟气进行充分混合后，形成含氧量在21％～30％的混合气体，再送入烧嘴作为助燃风与煤气混合进行燃烧；
3)氧气喷射器后方的氧气输送管上设有氮气吹扫管，当氧气停止供入时，通入氮气进行保护。
7.根据权利要求6所述的一种加热炉低NOx烟气循环富氧燃烧方法，其特征在于，由烟气循环引风机引入循环支烟道的烟气量为加热炉排出总烟气量的50％～60％。
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