CN109323251B - 用于低热值燃气的无焰燃烧系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统，包括炉膛，其头部设置有带点火器的烧嘴；燃气管道，其连接至该烧嘴，用于输送高热值燃气和/或低热值燃气；高热值燃气预热炉膛组件，其包括连接至该燃气管道的高热值燃气供给装置，用于提供高热值燃气；空气冷却管预热空气组件，其包括空气供给装置和空气冷却管，该空气供给装置提供常温空气，该空气冷却管设置于该空气供给装置和烧嘴之间，并且该空气冷却管的中间段沿着该炉膛的内壁伸入炉膛内，将常温空气在炉膛内预热后输送至烧嘴；以及低热值燃气无焰燃烧组件，其包括连接至该燃气管道的低热值燃气供给装置，用于提供低热值燃气。本发明实现了低热值燃气的稳定无焰燃烧，清洁高效，能源利用率高。

Description

用于低热值燃气的无焰燃烧系统及方法

技术领域

本发明涉及燃气清洁高效燃烧设备领域，尤其涉及一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统及方法。

背景技术

低热值燃气并没有明确的概念，通常根据气体燃料自身发热量可将气体燃料分为三类，发热量大于15.07MJ/Nm³的为高热值燃料，发热量在6.28～15.07MJ/Nm³的为中热值燃料，而发热量小于6.28MJ/Nm³的为低热值燃料。工业中常见的低热值气体燃料主要有化工过程低热值尾气、高炉煤气、石油化工行业冶炼尾气、煤矿低浓度瓦斯气等。另外生物质通过热解气化产生的H₂、CO、N₂、CO₂、CH₄等成分的可燃气体，养殖行业产生的沼气，垃圾填埋产生以CH₄、CO₂为主的可燃气体也属于低热值气体。

传统方法中处理低热值气体最常见且费用最低的方法为直接燃烧法。但直接燃烧方法一般适用于热值较高的气体处理。另外直接燃烧将造成能量无法充分回收利用，能源浪费严重，且可能存在由燃烧不完全所产生的污染物，同时在气体下高温燃烧会产生大量NO_x，为优化我国的能源结构，保证国家能源安全，在大力发展可再生能源的基础上，需充分利用能源生产及工业生产中产生的低热值气体。如何实现低热值气体稳定燃烧，减少直接排放造成的环境问题，实现气体能源的高效清洁利用，成为困扰燃烧界的难题。开发一种新型的低热值气体燃烧技术和设备，对缓解能源紧张，提高能源利用率，改善居住环境，具有重要的意义。

无焰燃烧(Flameless combustion，MILD combustion)是一种新型的清洁高效燃烧技术。该技术通过高速射流形成烟气卷吸且炉内低氧浓度，温度高于燃料自燃点而实现。与传统燃烧方式相比，反应在大区域、甚至整个炉膛内进行，火焰锋面消失；NO_x和CO等污染物的生成显著减少；炉膛整体温度提高、辐射传热增强，被国际燃烧界视为最有潜力的清洁燃烧技术之一。目前大气污染日趋严重，发展清洁燃烧技术尤为重要。无焰燃烧技术从源头直接避免的生成，可大幅度降低烟气后处理压力，提高能源利用的环境友好性。

目前，对于低热值燃气的无焰燃烧利用，在最新的文献研究中，有采用预热炉膛从而实现无焰燃烧的。但传统实现无焰燃烧的手段主要是采用蓄热体进行预热，基本流程是将炉膛所排放的高温烟气分成两股后分别通过两个气体通道进行输送，并且利用烟气对在两个气体通道中均设置的蓄热体进行蓄热，然后分别用于对空气和燃气进行预热。等蓄热体蓄热饱和时，再通过空气四通换向阀和燃气换向阀进行切换，进入下一个蓄热和燃烧周期。

需要指出的是，采用蓄热体蓄热时，可能会由于燃气预热温度过高而导致燃气裂解，对燃烧系统造成一定影响，在燃气换向的瞬间还可能会使燃气造成泄漏，加大了意外风险，且使用蓄热体燃烧，设备比较复杂，也不利于对原有设备或传统通设备进行改造。另外单纯预热炉膛的燃烧系统会造成大量热量被高温烟气带走，能量未得到充分利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

作为本发明的一个方面，提供一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统，包括：炉膛，其头部设置有带点火器的烧嘴，尾部设置有烟气出口；燃气管道，连接至所述烧嘴，向所述烧嘴输送高热值燃气和/或低热值燃气；高热值燃气预热炉膛组件，其包括：高热值燃气供给装置，连接至所述燃气管道，向所述燃气管道提供所述高热值燃气；空气冷却管预热空气组件，其包括：空气供给装置，提供常温空气；以及空气冷却管，设置于所述空气供给装置和烧嘴之间，所述空气冷却管的中间段沿着所述炉膛的内壁伸入所述炉膛内，将所述常温空气在所述炉膛内预热后输送至烧嘴；以及低热值燃气无焰燃烧组件，其包括：低热值燃气供给装置，连接至所述燃气管道，向所述燃气管道提供所述低热值燃气。

作为本发明的另一个方面，提供一种使用如上所述的无焰燃烧系统进行无焰燃烧的方法，包括以下步骤：

步骤1：将高热值燃气与空气通过烧嘴，使用点火器点燃后射入炉膛内燃烧，分别对所述炉膛和所述空气冷却管进行预热；

步骤2：待所述炉膛内的平均温度达到预设温度以上时，将低热值燃气通过烧嘴射入炉膛内进行燃烧；

步骤3：待炉膛内的平均温度稳定在预设温度以上时，停止向炉膛内射入高热值燃气，所述低热值燃气达到稳定的无焰燃烧状态。

基于以上技术方案，本发明具有以下优点：

1、本发明采用高热值燃料同时预热炉膛和空气，保证了低热值燃气的稳定无焰燃烧；同时还能回收燃烧热量，提高了能源利用效率；

2、本发明的烧嘴采用的是非预混直流射流方式，构造简单且安全可靠，制造成本地、易于维护；

3、本发明对于燃烧过程的温度、压力、流量、烟气成分各项参数均有测量，尤其是炉膛内的温度场测量，有利于检测燃烧情况和调整工况。

附图说明

图1是本发明实施例1用于低热值燃气的无焰燃烧系统的整体结构示意图；

图2是图1中炉膛的俯视图；

图3是本发明图1中烧嘴的左视图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、2-阀门； 3-高热值燃气瓶； 4-低热值燃气瓶；

5a、5b-流量计； 6a、6b-压力表； 7a、7b-温度计；

8-风机； 9-热电偶； 10-热电偶探针；

11-烟气出口； 12-烟气分析仪； 13-等距测温点；

14-烧嘴； 15-炉膛； 16-燃气管道；

17-电火花点火器； 21-中心燃气通道； 22-预热空气通道。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统及方法，通过高热值燃气预热炉膛和空气，保证了低热值燃气无焰燃烧所需温度和能量，燃烧效率高，并实现了尾气污染超低排放。

具体地，本发明提供了一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统，其包括炉膛、燃气管道、高热值燃气预热炉膛组件、空气冷却管预热空气组件和低热值燃气无焰燃烧组件；其中，该炉膛的头部设置有带点火器的烧嘴，尾部设置有烟气出口；该燃气管道连接至该烧嘴，向该烧嘴输送高热值燃气和/或低热值燃气；该高热值燃气预热炉膛组件包括高热值燃气供给装置，其连接至该燃气管道，向该燃气管道提供该高热值燃气；该空气冷却管预热空气组件包括空气供给装置和空气冷却管，该空气供给装置提供常温空气；该空气冷却管设置于该空气供给装置和烧嘴之间，并且该空气冷却管的中间段沿着该炉膛的内壁伸入炉膛内，用于将常温空气在炉膛内预热后输送至烧嘴；该低热值燃气无焰燃烧组件包括低热值燃气供给装置，连接至该燃气管道，向该燃气管道提供低热值燃气。

以下对本发明用于低热值燃气的无焰燃烧系统的各个部件作详细说明：

在一些实施例中，该高热值燃气预热炉膛组件还包括设置于该高热值燃气供给装置和燃气管道之间的阀门；该低热值燃气无焰燃烧组件还包括设置于该低热值燃气供给装置和燃气管道之间的阀门。

在一些实施例中，该高热值燃气可以是天然气或液化石油气等常见高热值燃料，便宜且容易获得，在完成炉膛和空气的预热后即可关闭；该低热值燃气可以是沼气、生物质热解气化气、垃圾填埋气或高炉煤气等低热值气体，整个系统具有良好的兼容性。

在一些实施例中，该点火器为电火花点火器，在高热值燃气燃烧时需要利用该点火器进行点火；而在低热值燃气燃烧时，由于高热值燃气燃烧预热了炉膛和空气，使其温度高于低热值燃料的自燃点，故此时无需再使用点火器。

在一些实施例中，该烧嘴为非预混直流式，包括中心燃气通道和预热空气通道，其中，该中心燃气通道用于供高热值燃气或低热值燃气沿炉膛轴向射入该炉膛；该预热空气通道用于供预热后的空气沿炉膛轴向射入该炉膛。进一步地，该预热空气通道的数量为4～6个，均匀分布在中心燃气通道的四周。设计为这种构造的原因在于，一般传统燃烧，燃气是轴向射入炉膛的，但是空气是径向射入的；为了实现无焰燃烧的高速射流和卷吸烟气，预热空气也必须轴向射入。

在一些实施例中，该无焰燃烧系统还包括第一检测组件和第二检测组件，其中，第一检测组件包括流量计、压力表和温度计，分别设置于所述燃气管道上、和/或所述空气冷却管的未伸入炉膛段上；第二检测组件包括多个热电偶和多个热电偶探针，其中，该多个热电偶对称设置于所述炉膛相对两壁面处，沿所述炉膛的轴向等间距分布；该多个热电偶探针，插入至炉膛中心轴线处，沿该炉膛的轴向等间距分布。

在一些实施例中，该空气冷却管伸入炉膛内的所述中间段沿所述炉膛内壁延伸3/4圈。

在一些实施例中，烟气出口连接至一烟气分析仪，对炉膛排出的尾气进行测量。

在一些实施例中，该空气供给装置为风机；该高热值燃气供给装置为高热值燃气瓶；该低热值燃气供给装置为低热值燃气瓶。

本发明还提供了一种使用如上所述的无焰燃烧系统进行无焰燃烧的方法，包括以下步骤：

步骤1：将高热值燃气与空气通过烧嘴，使用点火器点燃后射入炉膛内燃烧，分别对所述炉膛和所述空气冷却管进行预热；

步骤2：待所述炉膛内的平均温度达到预设温度以上时，将低热值燃气通过烧嘴射入炉膛内进行燃烧，其中该预设温度可依据不同类型和成分的低热值燃气自行调整；

步骤3：待炉膛内的平均温度稳定在预设温度以上时，停止向炉膛内射入高热值燃气，所述低热值燃气达到稳定的无焰燃烧状态。

下面结合附图和实施例1对本发明的技术方案进行详细的描述。

实施例1

如图1～3所示，在本实施例用于低热值燃气的无焰燃烧系统中，高热值燃气预热炉膛组件：高热值燃气瓶3提供高热值燃气，阀门1控制高热值燃气进入燃气管道16，燃气管道16上依次布置有流量计5a、压力表6a、温度计7a，高热值燃气3与空气冷却管10中的空气一起进入有电火花点火器17的烧嘴14，烧嘴14后接长方体形炉膛15，炉膛尾部上段设有烟气出口11。空气冷却管预热空气组件：风机8提供常温空气，其后接空气冷却管10，空气冷却管10未进入炉膛段依次布置流量计5b、压力表6b、温度计7b，空气冷却管10进入炉膛15绕3/4圈后出炉膛15，连接至烧嘴14。低热值燃气无焰燃烧组件：低热值燃气瓶4通过阀门2进入燃气管道16。炉膛15内上下壁对称设有等间距的12个温度热电偶9，热电偶探针10测量炉膛15水平中心轴线上5个等距测温点13的温度，烟气出口11后接烟气分析仪12。流量计5a、5b、压力表6a、6b和温度计7a、7b组成第一检测组件，热电偶9和热电偶探针10组成第二检测组件。烧嘴14设有电火花点火器17，包括中心燃气通道21和均布在中心燃气通道21四周的四个预热空气通道22。

使用本实施例用于低热值燃气的无焰燃烧系统进行无焰燃烧的方法包括：

步骤1：使用家用灌装液化石油气为高热值燃气，空燃比为20，打开风机8、阀门1，在5kpa压力下，高热值的液化石油气与空气通过烧嘴14，使用电火花点火器17点燃，进入炉膛15内燃烧，炉膛和冷却管内的空气均被预热。

步骤2：待炉膛平均温度达到700℃时，打开阀门2，通入低热值的生物质气化燃气，其成分如下表1，燃气运行流量为1.2L/s，当量比为0.9：

表1生物质气化燃气成分表

步骤3：10min后炉膛平均温度为764℃，关闭阀门1，低热值生物质气化燃气稳定燃烧，达到无焰燃烧状态。

对本实施例的燃烧过程进行温度检测和烟气分析，可知，进行高热值的液化石油气燃烧时，炉膛火焰明显，温度持续升高，尾气中NO_x含量为在80ppm左右波动，CO含量为3ppm；切换为低热值的物质气化燃气无焰燃烧时，炉膛通红，未见明显火焰，温度明显下降，最终在652℃左右趋于稳定，炉膛内的17个测温点温差不超过15℃，符合无焰燃烧均匀分布的特点。烟气中NO_x含量为12ppm，CO含量为35ppm。

综上所述，本发明通过高热值燃气预热炉膛和空气，保证无焰燃烧自点火所需温度和能量，获得稳定的无焰燃烧工况，燃烧效率高，未加任何尾气后处理装置即达到超低排放。本发明装置结构简明，实施操作步骤易行，维护费用低，安全可靠，具有良好的应用价值和前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于低热值燃气的无焰燃烧系统，其特征在于，包括炉膛、燃气管道、高热值燃气预热炉膛组件、空气冷却管预热空气组件和低热值燃气无焰燃烧组件，其中：

炉膛，其头部设置有带点火器的烧嘴，尾部设置有烟气出口，所述烧嘴为非预混直流式，包括：

中心燃气通道，供所述高热值燃气或低热值燃气沿炉膛轴向射入所述炉膛；以及

预热空气通道，供预热后的空气沿炉膛轴向射入所述炉膛；

燃气管道，连接至所述烧嘴的中心燃气通道，向所述烧嘴输送高热值燃气和/或低热值燃气；

高热值燃气预热炉膛组件，其包括：

高热值燃气供给装置，连接至所述燃气管道，向所述燃气管道提供所述高热值燃气；

空气冷却管预热空气组件，其包括：

空气供给装置，提供常温空气；以及

空气冷却管，设置于所述空气供给装置和烧嘴的预热空气通道之间，所述空气冷却管的中间段沿着所述炉膛的内壁伸入所述炉膛内，将所述常温空气在所述炉膛内预热后输送至烧嘴的预热空气通道；以及

低热值燃气无焰燃烧组件，其包括：

低热值燃气供给装置，连接至所述燃气管道，向所述燃气管道提供所述低热值燃气。

2.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于：

所述高热值燃气预热炉膛组件还包括设置于所述高热值燃气供给装置和燃气管道之间的阀门；

所述低热值燃气无焰燃烧组件还包括设置于所述低热值燃气供给装置和燃气管道之间的阀门。

3.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于，所述高热值燃气是天然气或液化石油气；所述低热值燃气是沼气、生物质热解气化气、垃圾填埋气或高炉煤气。

4.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于，所述点火器为电火花点火器，在高热值燃气燃烧时进行点火。

5.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于，所述预热空气通道的数量为4～6个，均匀分布在中心燃气通道的四周。

6.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于，所述无焰燃烧系统还包括：

第一检测组件，其包括流量计、压力表和温度计，分别设置于所述燃气管道上、和/或所述空气冷却管的未伸入炉膛段上；以及

第二检测组件，其包括：

多个热电偶，对称设置于所述炉膛相对两壁面处，沿所述炉膛的轴向等间距分布；以及

多个热电偶探针，插入至所述炉膛中心轴线处，沿所述炉膛的轴向等间距分布。

7.如权利要求1所述的无焰燃烧系统，其特征在于，所述空气冷却管伸入炉膛内的所述中间段沿所述炉膛内壁延伸3/4圈。

8.如权利要求1至7任意一项所述的无焰燃烧系统，其特征在于：

所述烟气出口连接至一烟气分析仪，对所述炉膛排出的尾气进行测量；和/或

所述空气供给装置为风机；和/或

所述高热值燃气供给装置为高热值燃气瓶；和/或

所述低热值燃气供给装置为低热值燃气瓶。

9.一种使用如权利要求1至7任意一项所述的无焰燃烧系统进行无焰燃烧的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将高热值燃气与空气通过烧嘴，使用点火器点燃后射入炉膛内燃烧，分别对所述炉膛和所述空气冷却管进行预热；

步骤2：待所述炉膛内的平均温度达到预设温度以上时，将低热值燃气通过烧嘴射入炉膛内进行燃烧；

步骤3：待炉膛内的平均温度稳定在预设温度以上时，停止向炉膛内射入高热值燃气，所述低热值燃气达到稳定的无焰燃烧状态。

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