CN107477574B - 一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器 - Google Patents

一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，属于能源与环境技术领域。本燃烧器中燃油通道、高压氮气通道、高压氧气通道为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴，高压氮气通道一端顶部设有氮气入口，高压氮气通道另一端端部设有一级氮气雾化旋流片，高压氧气通道一端顶部设有氧气入口，另一端上设有二级氧气雾化旋流片，高压氧气通道上设有与工业炉窑连接的安装法兰，高压氧气通道设有穿过高压氧气通道的电子点火针。本发明利用制氧后废弃氮气作为辅助雾化气体介质，在利用氮气一级雾化后，形成了大约5cm的非燃烧隔离区，保证油束不会在喷嘴出口燃烧，从而解决了喷嘴出口烧结和积碳问题。

Description

一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器
技术领域
本发明涉及一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，属于能源与环境技术领域。
背景技术
在钢铁冶炼、玻璃炉窑熔炼等生产实际中，需要大量的燃用0#柴油和重油，而当前的能源形势，化石能源的日趋枯竭、燃烧后各种有害污染物排放等是非常严峻的事实，给企业带来较高的生产和环保成本，迫切需要寻求可替代能源，生物质燃油作为石化燃油的重要补充甚至替代燃料，近几年迅速进入了人们的视野。生物质燃油具有很大的发展潜力，致力于工业炉窑内燃用生物质燃油来替代传统的石化燃油具有非常重要的现实意义。然而生物质燃油的密度和运动粘度等要比石化燃油高，雾化质量差的问题被凸显出来，而燃油雾化质量的好坏直接影响到炉窑燃烧室能否点火成功、稳定燃烧以及燃烧后能否满足排放标准。所以本设计采用两级旋流辅助雾化，有效解决了高粘度生物质燃油的雾化问题。
全氧燃烧作为新型燃烧技术被率先应用于熔块行业，进入九十年代以后，由于国外对环保和能耗的严格要求，全氧燃烧技术得到了生产企业的广泛重视。全氧燃烧技术被称为玻璃熔化技术发展的第二次革命，而在钢铁冶炼行业，则被称为四大发明之一。所以近几年这一技术在国内的迅速发展特别是在玻璃行业产生了非常大的影响，其次在金属冶炼和水泥行业也得到了广泛的研究和应用。本发明为了能够实现生物质燃油的高效、清洁利用，引入了全氧燃烧技术，实现节能减排目标。在工业生产应用时，燃烧器喷嘴出口烧结和积碳问题突出，严重影响了生产效率。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器。本发明利用制氧后废弃氮气作为辅助雾化气体介质，在利用氮气一级雾化后，形成了大约5cm的非燃烧隔离区，保证油束不会在喷嘴出口燃烧，从而解决了喷嘴出口烧结和积碳问题。为了防止油束的非燃烧距离过大，对燃烧效率造成影响，将二级氧气雾化旋流片布置在一级氮气雾化旋流片出口5cm处为油束供氧，保证燃油的及时、高效燃烧。同时由于雾化氮气引入量是根据实际生产需要进行调节，这就保证氮氧化物的产生量在人为可控调节范围之内，保证烟气排放达标。本发明不仅实现生物质燃油高效应用于工业炉窑燃烧，还对制氧废弃氮气进行再利用，起到节能减排与环境保护的作用，同时也解决了喷嘴烧结和积碳问题。本发明通过以下技术方案实现。
一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，包括燃油通道1、高压氮气通道2、高压氧气通道3、电子点火针4、燃油喷嘴5、一级氮气雾化旋流片6、安装法兰7、二级氧气雾化旋流片8、氮气入口9和氧气入口10，燃油通道1、高压氮气通道2、高压氧气通道3为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道1一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴5，高压氮气通道2一端顶部设有氮气入口9，高压氮气通道2另一端端部设有一级氮气雾化旋流片6，高压氧气通道3一端顶部设有氧气入口10，另一端上设有二级氧气雾化旋流片8，高压氧气通道3上设有与工业炉窑连接的安装法兰7，高压氧气通道3设有穿过高压氧气通道3的电子点火针4。
所述一级氮气雾化旋流片6呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道2直径，内圆直径等于燃油通道1直径，一级氮气雾化旋流片6包括旋流斜口11和油气通道12，一级氮气雾化旋流片6上的旋流斜口11均匀分布在圆环面上，旋流斜口11上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口11向内倾斜，与高压氮气通道2中心轴线呈45°。
所述二级氧气雾化旋流片8呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道3直径，内圆直径等于高压氮气通道2直径，二级氧气雾化旋流片8包括旋流斜口和油气通道，二级氧气雾化旋流片8上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片6与二级氧气雾化旋流片8相距5cm。
所述电子点火针4距离二级氧气雾化旋流片8油气雾化出口2cm。
上述基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器的工作原理为：
采用地沟油为燃油加入到雾化燃烧器中，由于地沟油在常温下很难流动，所以需要对地沟油进行加热，当加热到60～70℃，油路压力控制在1.0～1.4MPa时，可以确保地沟油顺利喷入炉内，其运动粘度为68.3mm2/s。地沟油需要量要根据工业炉窑实际热负荷确定，本举例中地沟油质量流量控制在15kg/h。一次雾化介质为氮气，为了确保形成一定距离的非燃烧隔离区，氮气质量流量应该根据不同燃油的粘度和非燃烧距离控制在合适范围内，氮气流量为3.2m3/h。二级雾化介质为氧气，不仅用于二次雾化，同时也为燃料燃烧提供充足助燃剂，所以二级氧气所需质量流量根据理论计算得出，并且应该根据实际雾化情况做适当调节，氧气流量为32m3/h。
在燃烧器点火前，氮气入口9按照流量要求供应氮气，经过高压氮气通道2后从一级氮气雾化旋流片6喷出的氮气流形成稳定的旋转流场，然后通过氧气入口10供应额定流量氧气，在经过高压氧气通道3后从二级氧气雾化旋流片8喷出的氧气流稳定以后，一、二级雾化场趋于稳定。最后逐渐开启燃油控制阀，地沟油通过燃油通道1末端的燃油喷嘴5喷出，开启到额定流量后，利用电子点火针4进行电火，对地沟油燃烧火焰进行观察和研究，各控制条件可根据炉膛内实际火焰进行微调满足实际生产需求。为了对本系统的有效性进行研究，首先研究了地沟油的雾化特性，利用激光粒度仪测定该系统雾化后油束中燃油颗粒索特平均直径为10.6µm，油束雾化锥角为35°，雾化颗粒直径均匀，说明本发明对高粘度的地沟油雾化效果较好。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，未发现积碳问题，并且燃烧器出口仅有轻微碳黑附着，说明氮气一级雾化对火焰隔离效果明显，油束在燃烧器出口没有燃烧，对燃烧器起到了很好的保护作用。工业炉窑内高温区温度在1810K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29160W/m2左右，能够满足熔炼、冶金的能量需求。燃烧后排放烟气中NOX含量为0.00019%，减排效果非常突出。
本发明的有益效果是：
1、本燃烧器中氮气一级雾化克服了燃烧器喷嘴出口烧结、积碳问题；
2、本燃烧器中氧气二级雾化不仅保证了高粘度生物质燃油雾化质量，同时全氧燃烧可以提高燃烧温度、提高燃油燃烧效率、减少烟气量，节油同时又降低排烟热损失，是节能减排的有效途径；
3、本燃烧器的燃油适用范围广泛，适用于不同地区、不同品质生物质燃油的燃烧条件；
4、本发明采用氮气一级雾化对燃烧器的保护作用效果显著，非燃烧隔离区防止了燃烧器烧坏，延长了设备寿命，生产过程中维护成本较低，对后续大规模工业化推广意义重大。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明一级氮气雾化旋流片或者二级氧气雾化旋流片结构示意图；
图3是本发明一级氮气雾化旋流片或者二级氧气雾化旋流片A-A剖面示意图。
图中：1-燃油通道，2-高压氮气通道，3-高压氧气通道，4-电子点火针，5-燃油喷嘴，6-一级氮气雾化旋流片，7-安装法兰，8-二级氧气雾化旋流片，9-氮气入口，10-氧气入口，11-旋流斜口，12-油气通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至3所示，该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，包括燃油通道1、高压氮气通道2、高压氧气通道3、电子点火针4、燃油喷嘴5、一级氮气雾化旋流片6、安装法兰7、二级氧气雾化旋流片8、氮气入口9和氧气入口10，燃油通道1、高压氮气通道2、高压氧气通道3为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道1一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴5，高压氮气通道2一端顶部设有氮气入口9，高压氮气通道2另一端端部设有一级氮气雾化旋流片6，高压氧气通道3一端顶部设有氧气入口10，另一端上设有二级氧气雾化旋流片8，高压氧气通道3上设有与工业炉窑连接的安装法兰7，高压氧气通道3设有穿过高压氧气通道3的电子点火针4。
其中一级氮气雾化旋流片6呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道2直径，内圆直径等于燃油通道1直径，一级氮气雾化旋流片6包括旋流斜口11和油气通道12，一级氮气雾化旋流片6上的旋流斜口11均匀分布在圆环面上，旋流斜口11上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口11向内倾斜，与高压氮气通道2中心轴线呈45°；二级氧气雾化旋流片8呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道3直径，内圆直径等于高压氮气通道2直径，二级氧气雾化旋流片8包括旋流斜口和油气通道，二级氧气雾化旋流片8上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片6与二级氧气雾化旋流片8相距5cm；所述电子点火针4距离二级氧气雾化旋流片8油气雾化出口2cm。
采用本基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器对橡胶籽油进行雾化燃烧时，橡胶籽油的运动粘度为56.5mm2/s，蒸汽加热温度达到70～75℃，不能超过80℃，超过后会使生物油焦化导致运动粘度增大。燃油压力控制在1.0～1.4MPa，质量流量控制在15kg/h。氮气流量为3.2m3/h，氧气流量为32m3/h。工作原理如上所述，首先对雾化油束进行了分析，实验测得燃油颗粒索特平均直径为9µm，油束雾化锥角为38°，雾化质量略有提高，这是由于橡胶籽油的运动粘度比地沟油小，雾化难度降低，通过本系统获得了非常好的雾化效果。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，同样未发现燃烧器积碳和烧灼问题。工业炉窑内高温区温度在1850K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29250W/m2左右。燃烧后排放烟气中NOX含量为0.00022%。
采用本基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器对小桐子油进行雾化燃烧时，小桐子油的运动粘度为43.72mm2/s，蒸汽加热温度达到60～65℃。燃油压力控制在0.9～1.3MPa，质量流量控制在15kg/h。采用富氧空气燃烧，氧气浓度为60%，为满足燃料燃烧氧气需求，氧气流量控制在56m3/h，氮气流量为3.2m3/h。工作原理如上所述，首先对雾化油束进行了分析，实验测得燃油颗粒索特平均直径为8.6µm，油束雾化锥角为39°，雾化质量较高，雾化效果明显。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，同样未发现燃烧器积碳和烧灼问题。工业炉窑内高温区温度在1860K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29310W/m2左右。燃烧后排放烟气中NOX含量为0.00031%。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，其特征在于：包括燃油通道（1）、高压氮气通道（2）、高压氧气通道（3）、电子点火针（4）、燃油喷嘴（5）、一级氮气雾化旋流片（6）、安装法兰（7）、二级氧气雾化旋流片（8）、氮气入口（9）和氧气入口（10），燃油通道（1）、高压氮气通道（2）、高压氧气通道（3）为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道（1）一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴（5），高压氮气通道（2）一端顶部设有氮气入口（9），高压氮气通道（2）另一端端部设有一级氮气雾化旋流片（6），高压氧气通道（3）一端顶部设有氧气入口（10），另一端上设有二级氧气雾化旋流片（8），高压氧气通道（3）上设有与工业炉窑连接的安装法兰（7），高压氧气通道（3）设有穿过高压氧气通道（3）的电子点火针（4）；所述一级氮气雾化旋流片（6）呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道（2）直径，内圆直径等于燃油通道（1）直径，所述二级氧气雾化旋流片（8）的内圆直径大于所述燃油通道（1）直径；
所述一级氮气雾化旋流片（6）呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道（2）直径，一级氮气雾化旋流片（6）包括旋流斜口（11）和油气通道（12），一级氮气雾化旋流片（6）上的旋流斜口（11）均匀分布在圆环面上，旋流斜口（11）上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口（11）向内倾斜，与高压氮气通道（2）中心轴线呈45°；
所述二级氧气雾化旋流片（8）呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道（3）直径，内圆直径等于高压氮气通道（2）直径，二级氧气雾化旋流片（8）包括旋流斜口和油气通道，二级氧气雾化旋流片（8）上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片（6）与二级氧气雾化旋流片（8）相距5cm；二级氧气雾化旋流片（8）位于一级氮气雾化旋流片（6）下游；在利用氮气一级雾化后，形成了5cm的非燃烧隔离区。
2.根据权利要求1所述的基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧器，其特征在于：所述电子点火针（4）距离二级氧气雾化旋流片（8）油气雾化出口2cm。
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