CN107131498A - 一种降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，有效解决加热炉的氮氧化物和有机挥发物排放量大，不达标的问题，预燃室墙体内的环墙上有导流环槽，环墙与墙体间的导流环道上的缝隙顶部有喷口，墙体外有热瓦斯、燃气、空气、二次空气管，内壁中有和燃气、空气、二次空气管连的分配环道，热瓦斯管和导流环道连，分配环道上有燃气喷嘴、空气喷管、二次空气喷嘴管，预燃室下部有蓄热室，环墙、蓄热室内均有蓄热体，蓄热室墙体上有烟气和冷瓦斯管，和蓄热体间有收集环槽，预燃室墙体顶部的回流喷嘴和回流管连，回流管内有引射管，引射管喷口和回流管间有支撑片。本发明在有效抑制氮氧化物的生成和有机挥发物的控制，结构简单投资费用省。

Description

一种降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉

技术领域

本发明涉及加热炉类型的热工设备，尤其是为干馏炉、干燥炉、焚烧炉等工业炉窑提供工艺热气流的热工装置，属于工业炉窑，特别是一种降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉。

背景技术

对于采用瓦斯燃烧气流加热多孔蓄热体与冷瓦斯气流冷却多孔蓄热体从而产生高温热瓦斯气流的周期性工作的蓄热式加热炉而言，瓦斯气体的燃烧过程和瓦斯气体与多孔体周期性的蓄热与放热的传热过程将直接影响到加热炉的工作性能。随着现代工业技术的进步，对加热炉也提出了更高的技术要求，主要体现在节能、高效、稳定、环保这四个主要方面。实际上，加热炉的技术创新与技术进步从来就没有停歇过，诸如为改善燃烧过程提出的各种加热炉的燃烧装置，都起到了改善与促进气流混合、优化和强化燃烧的效果;再如多种结构与不同性能的蓄热体的应用，以及热设计计算的相对完善,都促进传热与蓄热性能的优化与强化；以及借助于数值模拟技术的发展，对炉内气流流场的合理组织与控制，以提高燃烧气流的均匀分布状态和送风气流在蓄热体中的均匀分布特征等；最终，从加热炉整体性能上实现传热过程与燃烧过程的优化与强化。

但是，处于环保要求日趋严厉的今天，对于燃烧干馏瓦斯来加热干馏瓦斯的特殊类型加热炉而言，在燃烧与传热得到优化的条件下，还要实现氮氧化物（NOx）与有机挥发物（VOCs）减排要求，确是一个很难现实的工艺与技术上的一个挑战。通常情况下，因干馏瓦斯中含有烃类物质而在被加热过程中易于裂解而生成炭黑沉积在蓄热体上，而在燃烧过程中因缺氧或温度偏低时还会产生有机挥发物（VOCs）从烟气中排出。为了降低烟气中氮氧化物（NOx）含量，其燃烧过程就必须采用低温烟气回流以控制燃烧温度，以及采用较低的过量空气系数以避免在加热蓄热体时出现表面高温燃烧而导致氮氧化物（NOx）的二次生成，而在这种低氧燃烧过程中出现有机挥发物（VOCs）就是不可避免的，那么如何研制出一种降低氮氧化物（NOx）和有机挥发物（VOC）排放的瓦斯燃烧加热炉是当前迫切要解决的问题。

发明内容

如上所述，为克服现有技术缺陷，本发明之目的就是提供一种降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，可有效解决瓦斯燃烧加热炉的氮氧化物（NOx）和有机挥发物（VOC）排放量大，不达标，环境污染严重的问题。

本发明解决的技术方案是，预混预燃室是由上部的半球形拱顶与下部的圆筒墙体对接在一起构成的下部开口的预混预燃室墙体的内部空间，圆筒墙体的内侧设置有收缩环墙，收缩环墙的内壁上有和预混预燃室连通的二次空气导流环槽，收缩环墙与圆筒墙体之间的上部设置有混合导流环道，混合导流环道的顶部向上有呈逐步收缩状的环形缝隙，环形缝隙的顶部周向均布有与预混预燃室连通的混合气喷口；圆筒墙体的外壁上设置有热瓦斯出口管、燃气进气管、空气进气管、二次空气入口管，圆筒墙体内壁中设置有燃气分配环道、空气分配环道、二次空气分配环道，热瓦斯出口管的内端和混合导流环道的外侧连通，燃气进气管的内端和燃气分配环道的外侧连通，空气进气管的内端和空气分配环道的外侧连通，二次空气入口管的内端和二次空气分配环道的外侧连通，燃气分配环道和热瓦斯出口管的高度一致，燃气分配环道的内侧上部和下部分别周向均布有水平倾斜连通在混合导流环道外侧的燃气喷嘴，空气分配环道的内侧有弯折向上接入混合导流环道底部的空气喷管，二次空气分配环道内侧上部有弯折向上水平进入收缩环墙内壁中与二次空气导流环槽连通的二次空气喷嘴管，二次空气喷嘴管经二次空气导流环槽连通预混预燃室，收缩环墙内堆砌填充有预混预燃蓄热体，混合导流环道就形成一个能使燃气水平旋流喷射与空气垂直向上喷射对冲混合后旋流向上进入预混预燃室的旋流上喷气流的环道，进入预混预燃室的旋流上喷气流再经半球形拱顶折返进入预混预燃蓄热体，并在其中形成高速高强的燃烧气流流场，预混预燃室的下部为蓄热室，蓄热室为圆筒状的蓄热室墙体的内部空间，蓄热室墙体的上部与收缩环墙的下端连接，预混预燃室墙体的圆筒墙体经承托圈砌筑在蓄热室墙体上部外壁上，蓄热室墙体的底部置于炉底上，蓄热室内自下向上堆砌填充有底层蓄热体和换热蓄热体，上述在预混预燃蓄热体中的燃烧气流燃烧后再进入其下蓄热室的换热蓄热体之前与二次空气导流环槽出来的二次空气相遇在充分燃烧掉烟气中的有机挥发物后进入换热蓄热体中；蓄热室墙体和底层蓄热体之间有气流收集环槽，气流收集环槽外侧的蓄热室墙体上有烟气排出管和冷瓦斯进口管，烟气排出管和冷瓦斯进口管均与气流收集环槽相互连通；这样的蓄热室结构就能实现由预混预燃室出来且经在预混预燃蓄热体中燃烧、传热后的烟气流进入换热蓄热体，在此进一步完成热量交换后进入底层蓄热体，之后通过气流收集环槽收集从烟气排出管排出；在进入送风周期之后，冷瓦斯气流从冷瓦斯进口管进入，通过气流收集环槽的分配让冷瓦斯进入底层蓄热体，经换热升温后进入换热蓄热体，再经换热升温向上进入预混预燃蓄热体，直至形成高温的热瓦斯气流，转折向下进入混合导流环道，并经由其上的热瓦斯出口管引出，对于燃烧高热值煤气的加热炉，为防止过高的燃烧温度引起大量的氮氧化物（NOx）生成，半球形拱顶上设置有和预混预燃室连通的烟气回流喷嘴，烟气回流喷嘴的外端和半球形拱顶外部的烟气回流管下端连通，烟气回流管的下端内套装有气流引射管，气流引射管的上端向上伸出烟气回流管，气流引射管的下端为和烟气回流管的下端呈同心状的引射管喷口，引射管喷口和烟气回流管的下端之间周向均布有气流导向支撑片，由此可以有效调节燃烧过程温度与进一步实现低氧分级燃烧。

本发明在实现燃气与空气之间的快速、充分且均匀的混合与分级燃烧的同时，也能让预混气流部分在预混预燃室中的蓄热体中完成燃烧，使得这部分蓄热体具有接近燃烧温度的温度值，为提高被加热的热瓦斯创造了良好的条件；由于分级燃烧前期燃烧是处于低氧燃烧（还原气氛下燃烧）状态，能有效抑制氮氧化物的生成，以及因低氧而削弱了高温蓄热体表面上积碳的燃烧，也就有效减少了氮氧化物的再次生成量；同时顶部的回流烟气的加入有效控制了燃烧温度的提升（尤其是在燃烧高热值燃气时）而抑制氮氧化物的热生成反应；由于燃烧瓦斯含有烃类物质在低氧燃烧过程中会生成有机挥发物，有必要使之在高于800℃的环境中焚烧掉，因而在预混预燃室下部及时送入补燃的二次空气将有机挥发物及时烧掉。这样的加热炉既能实现燃烧与传热过程的强化与优化，又能减少氮氧化物和有机挥发物的排放量，也就是在保证加热炉有良好的热工性能前提下的高效与节能，还能够有效抑制氮氧化物的生成和有机挥发物的控制，而且结构简单投资费用省。因此，该加热炉的实施有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的纵剖面主视图。

图2为本发明图1的A-A截面图。

图3为本发明图1的B-B截面图。

图4为本发明图1的D-D截面图。

图5为本发明图1的C-C截面图。

图6为本发明图1的E-E截面图 。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1-图6给出，本发明的结构是，预混预燃室1是由上部的半球形拱顶与下部的圆筒墙体对接在一起构成的下部开口的预混预燃室墙体1a的内部空间，圆筒墙体的内侧设置有收缩环墙1c，收缩环墙的内壁上有和预混预燃室连通的二次空气导流环槽4c，收缩环墙与圆筒墙体之间的上部设置有混合导流环道1b，混合导流环道的顶部向上有呈逐步收缩状的环形缝隙1d，环形缝隙的顶部周向均布有与预混预燃室1连通的混合气喷口1e；圆筒墙体的外壁上设置有热瓦斯出口管5、燃气进气管2、空气进气管3、二次空气入口管4，圆筒墙体内壁中设置有燃气分配环道2a、空气分配环道3a、二次空气分配环道4a，热瓦斯出口管的内端和混合导流环道的外侧连通，燃气进气管的内端和燃气分配环道的外侧连通，空气进气管的内端和空气分配环道的外侧连通，二次空气入口管的内端和二次空气分配环道的外侧连通，燃气分配环道和热瓦斯出口管的高度一致，燃气分配环道的内侧上部和下部分别周向均布有水平倾斜连通在混合导流环道外侧的燃气喷嘴2b，空气分配环道的内侧有弯折向上接入混合导流环道底部的空气喷管3b，二次空气分配环道内侧上部有弯折向上水平进入收缩环墙内壁中与二次空气导流环槽4c连通的二次空气喷嘴管4b，二次空气喷嘴管经二次空气导流环槽连通预混预燃室1，收缩环墙1c内堆砌填充有预混预燃蓄热体1f ，混合导流环道就形成一个能使燃气水平旋流喷射与空气垂直向上喷射对冲混合后旋流向上进入预混预燃室1的旋流上喷气流的环道，进入预混预燃室1的旋流上喷气流再经半球形拱顶折返进入预混预燃蓄热体1f，并在其中形成高速高强的燃烧气流流场，预混预燃室的下部为蓄热室6，蓄热室6为圆筒状的蓄热室墙体6a的内部空间，蓄热室墙体的上部与收缩环墙的下端连接，预混预燃室墙体的圆筒墙体经承托圈砌筑在蓄热室墙体上部外壁上，蓄热室墙体的底部置于炉底6e上，蓄热室内自下向上堆砌填充有底层蓄热体6c和换热蓄热体6b，上述在预混预燃蓄热体中的燃烧气流燃烧后再进入其下蓄热室的换热蓄热体6b之前与二次空气导流环槽4c出来的二次空气相遇在充分燃烧掉烟气中的有机挥发物后进入换热蓄热体6b中；蓄热室墙体和底层蓄热体之间有气流收集环槽6d，气流收集环槽外侧的蓄热室墙体上有烟气排出管7和冷瓦斯进口管8，烟气排出管和冷瓦斯进口管均与气流收集环槽相互连通；这样的蓄热室结构就能实现由预混预燃室1出来且经在预混预燃蓄热体1f中燃烧、传热后的烟气流进入换热蓄热体6b，在此进一步完成热量交换后进入底层蓄热体6c，之后通过气流收集环槽6d收集从烟气排出管7排出；在进入送风周期之后，冷瓦斯气流从冷瓦斯进口管8进入，通过气流收集环槽6d的分配让冷瓦斯进入底层蓄热体6c，经换热升温后进入换热蓄热体6b，再经换热升温向上进入预混预燃蓄热体1f，直至形成高温的热瓦斯气流，转折向下进入混合导流环道1b，并经由其上的热瓦斯出口管5引出，对于燃烧高热值煤气的加热炉，为防止过高的燃烧温度引起大量的氮氧化物（NOx）生成，半球形拱顶上设置有和预混预燃室1连通的烟气回流喷嘴9a，烟气回流喷嘴9a的外端和半球形拱顶外部的烟气回流管9下端连通，烟气回流管的下端内套装有气流引射管10，气流引射管的上端向上伸出烟气回流管，气流引射管的下端为和烟气回流管的下端呈同心状的引射管喷口10a，引射管喷口和烟气回流管的下端之间周向均布有气流导向支撑片10b，由此可以有效调节燃烧过程温度与进一步实现低氧分级燃烧。

所述的预混预燃室墙体1a的半球形拱顶是由荷重软化温度不低于1450℃的耐高温、抗热震的耐火材料砌筑构成的拱形；预混预燃室墙体1a的圆筒墙体是由荷重软化温度不低于1450℃的耐高温、抗热震的耐火材料砌筑构成的圆筒形。

所述的收缩环墙1c是由下部的锥台形墙体和上部的直筒状墙体对接在一起构成的下大上小的收缩状结构。

所述的收缩环墙1c的下部与圆筒墙体的下部为可滑移式的连接结构。

所述的收缩环墙1c内堆砌的预混预燃蓄热体1f 的顶部延伸至半球形拱顶内。

所述的燃气分配环道2a置于混合导流环道1b外周。

所述的环形缝隙1d为自下向上呈渐缩状、自外向内呈倾斜状的环形，混合导流环道1b、环形缝隙1d和混合气喷口1e为上行气流的调节装置，混合气喷口呈垂直向上状或切向倾斜向上状。

所述的热风出口管5和混合导流环道1b的外侧是水平垂直连通。

所述的烟气回流管9的下端呈竖直状、上端沿着水平方向弯折伸出。

所述的底层蓄热体6c为使用温度不低于800℃、抗热震性的耐火材料制成的蓄热体。

所述的换热蓄热体6b为使用温度在1000℃—1300℃的蓄热体。

所述的预混预燃蓄热体1f为使用温度在1450℃以上、高温抗热震性、抗粘附性的耐火材料制成的蓄热体。

本发明这种加热炉结构,能使燃气与空气通过各自的喷嘴在混合导流环道中实现充分的垂直对冲旋流混合，并形成旋流缝隙气流向上通过混合气喷口进入预混预燃室，由于是低氧燃烧，燃烧温度得到控制，使氮氧化物浓度也能得到控制，而通过上部的预混预燃蓄热体时也不能将其表面的沉积炭黑燃烧，从而避免了燃烧积炭时出现高温；在通过高温的预混预燃蓄热体后，再及时补充上二次空气与之混合完成燃烧过程（烧掉残余燃气和有机挥发物），之后进入其下的换热蓄热体和底层蓄热体中，完成其与蓄热体的传热过程后通过气流收集环槽后由烟气排出管排出。当结束燃烧阶段转为送风阶段时，高压冷瓦斯从冷瓦斯进口管进入通过气流收集环槽后分别经过底层蓄热体、换热蓄热体、预混预燃蓄热体，在经过与这些多孔体间的传热而变成高温热瓦斯气流后风后进入混合导流环道，再经由热瓦斯出口管送往对应的干馏焚烧装置。

本发明利用低氧燃烧结合低温烟气回流以控制燃烧温度，在燃烧过程避免氮氧化物（NOx）生成的同时也使烟气经过高温蓄热体时不再出现因烧积炭而生成氮氧化物（NOx），等到烟气温度降到一定程度后再加入适量的二次空气用以焚烧掉因低氧燃烧而生成的有机挥发物（VOCs），本发明是同时利用了预混气多孔介质燃烧技术、瓦斯气分级低氧燃烧技术、烟气回流控温技术而提出的一种分段与分级相结合的蓄热体内燃烧的瓦斯燃烧加热炉，是一种可以降低氮氧化物（NOx）和有机挥发物（VOC）排放的瓦斯燃烧加热炉，本发明这种改进后的加热炉排出烟气完全达到国家规定的排放标准，同时实现了氮氧化物与有机挥发物的达标排放，并使得加热炉的燃烧过程得到强化与优化，而且因燃烧室与蓄热室合二为一使得加热炉的投资费用节省了15%—20%，其经济效益和社会效益明显。

Claims (10)

1.一种降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，预混预燃室（1）是由上部的半球形拱顶与下部的圆筒墙体对接在一起构成的下部开口的预混预燃室墙体（1a）的内部空间，其特征在于，圆筒墙体的内侧设置有收缩环墙（1c），收缩环墙的内壁上有和预混预燃室连通的二次空气导流环槽（4c），收缩环墙与圆筒墙体之间的上部设置有混合导流环道（1b），混合导流环道的顶部向上有呈逐步收缩状的环形缝隙（1d），环形缝隙的顶部周向均布有与预混预燃室（1）连通的混合气喷口（1e）；圆筒墙体的外壁上设置有热瓦斯出口管（5）、燃气进气管（2）、空气进气管（3）、二次空气入口管（4），圆筒墙体内壁中设置有燃气分配环道（2a）、空气分配环道（3a）、二次空气分配环道（4a），热瓦斯出口管的内端和混合导流环道的外侧连通，燃气进气管的内端和燃气分配环道的外侧连通，空气进气管的内端和空气分配环道的外侧连通，二次空气入口管的内端和二次空气分配环道的外侧连通，燃气分配环道和热瓦斯出口管的高度一致，燃气分配环道的内侧上部和下部分别周向均布有水平倾斜连通在混合导流环道外侧的燃气喷嘴（2b），空气分配环道的内侧有弯折向上接入混合导流环道底部的空气喷管（3b），二次空气分配环道内侧上部有弯折向上水平进入收缩环墙内壁中与二次空气导流环槽（4c）连通的二次空气喷嘴管（4b），二次空气喷嘴管经二次空气导流环槽连通预混预燃室（1），收缩环墙（1c）内堆砌填充有预混预燃蓄热体（1f） ，预混预燃室的下部为蓄热室（6），蓄热室（6）为圆筒状的蓄热室墙体（6a）的内部空间，蓄热室墙体的上部与收缩环墙的下端连接，预混预燃室墙体的圆筒墙体经承托圈砌筑在蓄热室墙体上部外壁上，蓄热室墙体的底部置于炉底（6e）上，蓄热室内自下向上堆砌填充有底层蓄热体（6c）和换热蓄热体（6b），蓄热室墙体和底层蓄热体之间有气流收集环槽（6d），气流收集环槽外侧的蓄热室墙体上有烟气排出管（7）和冷瓦斯进口管（8），烟气排出管和冷瓦斯进口管均与气流收集环槽相互连通；半球形拱顶上设置有和预混预燃室（1）连通的烟气回流喷嘴（9a），烟气回流喷嘴（9a）的外端和半球形拱顶外部的烟气回流管（9）下端连通，烟气回流管的下端内套装有气流引射管（10），气流引射管的上端向上伸出烟气回流管，气流引射管的下端为和烟气回流管的下端呈同心状的引射管喷口（10a），引射管喷口和烟气回流管的下端之间周向均布有气流导向支撑片（10b）。

2.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的预混预燃室墙体（1a）的半球形拱顶是由荷重软化温度不低于1450℃的耐高温、抗热震的耐火材料砌筑构成的拱形；预混预燃室墙体（1a）的圆筒墙体是由荷重软化温度不低于1450℃的耐高温、抗热震的耐火材料砌筑构成的圆筒形。

3.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的收缩环墙（1c）是由下部的锥台形墙体和上部的直筒状墙体对接在一起构成的下大上小的收缩状结构。

4.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的收缩环墙（1c）的下部与圆筒墙体的下部为可滑移式的连接结构；所述的收缩环墙（1c）内堆砌的预混预燃蓄热体（1f ）的顶部延伸至半球形拱顶内。

5.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于， 所述的环形缝隙（1d）为自下向上呈渐缩状、自外向内呈倾斜状的环形，混合导流环道（1b）、环形缝隙（1d）和混合气喷口（1e）为上行气流的调节装置，混合气喷口呈垂直向上状或切向倾斜向上状。

6.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的热风出口管（5）和混合导流环道（1b）的外侧是水平垂直连通。

7.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的烟气回流管（9）的下端呈竖直状、上端沿着水平方向弯折伸出。

8.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的底层蓄热体（6c）为使用温度不低于800℃、抗热震性的耐火材料制成的蓄热体。

9.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的换热蓄热体（6b）为使用温度在1000℃—1300℃的蓄热体。

10.根据权利要求1所述的降低氮氧化物和有机挥发物排放的瓦斯燃烧加热炉，其特征在于，所述的预混预燃蓄热体（1f）为使用温度在1450℃以上、高温抗热震性、抗粘附性的耐火材料制成的蓄热体。